糖蜜的資源化應用--發(fā)酵、生物、能源應用

糖蜜含有大量的糖、蛋白質(zhì)和多種礦物質(zhì)、維生素、纖維素、胺類等，是微生物進行發(fā)酵的理想復合原料。既可直接制成發(fā)酵制品，又可先將其制成菌體細胞，然后作為原料提供各種生物制品，或者將其作為生物能源的原料，生產(chǎn)氫氣等。國內(nèi)外利用糖蜜發(fā)酵所獲得的產(chǎn)品主要有：酒精、味精、檸檬酸、酵母、氮基酸、核糖核酸、氫氣等。
 
一、發(fā)酵制品
 
糖蜜中的蔗糖、還原糖和棉實糖都是可以被微生物利用的碳源，只需補充適量的氮源和磷源，除去有害物質(zhì)，就可以直接利用。和淀粉質(zhì)原料相比，省去了相當麻煩的糖化程序，所以糖蜜是優(yōu)良的發(fā)酵原料。
1.酒精
我國酒精生產(chǎn)的主要原料包括糖蜜、玉米和薯類，糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精是目前糖蜜資源化利用的主要途徑之一。資料顯示, 2004 年，我國酒精產(chǎn)量為232.34 萬噸，其中，糖蜜酒精占11.35%。糖蜜酒精的生產(chǎn)工藝包括：間歇發(fā)酵工藝、雙流加連續(xù)發(fā)酵工藝和固定化酵母連續(xù)發(fā)酵工藝。同傳統(tǒng)酒精發(fā)酵工藝相比，固定化酵母應用在糖蜜酒精發(fā)酵中，具有發(fā)酵周期短、設備利用率高、雜菌污染少、發(fā)酵率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，目前普遍采用。
2.氨基酸
糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)的氨基酸類產(chǎn)品主要有：谷氨酸（味精）、賴氨酸、L-亮氨酸等，其中谷氨酸（味精） 和賴氨酸已經(jīng)大宗生產(chǎn)。
2.1谷氨酸
谷氨酸是以碳水化合物（淀粉、糖蜜等）為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵而得，味精是谷氨酸的一鈉鹽。除作為調(diào)味品外，谷氨酸在醫(yī)藥、表面活性劑等領(lǐng)域也有廣泛的應用。國外主要利用糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，利用糖蜜生產(chǎn)谷氨酸比用淀粉類糧食作物生產(chǎn)谷氨酸具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，而且不經(jīng)水解就可以直接發(fā)酵提取谷氨酸，工藝簡單，發(fā)酵率高，尤其甜萊糖蜜的發(fā)酵率更。
目前，我國的味精總產(chǎn)量居世界第一位，而且以每年10% 速度遞增。上世紀 80 年代，糖蜜味精巳成為世界味精生產(chǎn)的主趨勢，井占領(lǐng)和壟斷了世界味精市場。國內(nèi)的研究試驗表明，糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，產(chǎn)酸率水平最高達10%以上，轉(zhuǎn)化率水平最高達60%。但在糖蜜味精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的高濃度有機廢水，由于污染治理等環(huán)保間題不能妥善解決，使糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)味精的工藝未能加以推廣和達到普遍工業(yè)化。因此，如何解決糖蜜味精的污染問題是我國環(huán)保和味精行業(yè)的重點。
2.2 賴氨酸
賴氨酸直接影響著人和動物的生長發(fā)育，但在人和動物體內(nèi)不能自行合成，必須從外界攝取，是必須氨基酸之一。谷物類蛋白質(zhì)中賴氨酸含量很少，必須在食品和飼料中添加，因此賴氨酸被稱為植物中第一限制性氨基酸，它是最重要的食品和飼料添加劑。
發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸的主要原材料為玉米等淀粉類原料和糖蜜，但淀粉類原料需經(jīng)糖化處理和補充生物素后才可用．而糖蜜含較高的生物素，發(fā)酵過程中無需再補充生物素。但糖蜜中含有一些不可被細菌利用的多糖，所以在發(fā)酵成熟酵中含有較高的殘?zhí)?，不利于賴氨酸的提取操作?img height="105" src="file:///C:\Users\45311\AppData\Local\Temp\ksohtml20812\wps2.jpg" width="429" />
 
3.有機酸
糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)的有機酸主要有：檸檬酸、L-乳酸、聚乳酸、丁酸、L-蘋果酸、草酸 、富馬酸和多不飽和脂肪酸等。檸檬酸已經(jīng)大宗生產(chǎn)，研究最多的是L - 乳酸，面糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)多不飽和脂肪酸需要在培養(yǎng)條件優(yōu)化和菌種誘變方面進一步研究。
3.1檸檬酸
檸檬酸是重要的食品酸味劑，同時又是防腐劑、抗氧化劑的增效劑和飼料添加劑，它是用發(fā)酵方法生產(chǎn)量最大的有機酸。我國有檸檬酸生產(chǎn)廠30 余家，全世界擰檬酸的年消費量約60 萬噸，而其中的三分之一由我國出口，出口量居世界第一。檸檬酸發(fā)酵的主要原料是淀粉和糖蜜， 經(jīng)黑曲霉發(fā)酵而成。
 
3.2 L - 乳酸及聚乳酸(PLA)
L - 乳酸是重要的化工產(chǎn)品，在食品、醫(yī)藥、化工、建材、石油等領(lǐng)域有若廣泛的應用。 L- 乳酸是哺乳動物體內(nèi)正常的代謝產(chǎn)物，可以完全生物降解，更重要的是，它是合成生物可降解材料－聚乳酸(PIA) 的原料。PLA 是優(yōu)良的環(huán)境友好材料，可以完全降解為水和二氧化碳．利用它可以制成可降解塑料、生物地膜、化肥緩釋劑、一次性餐盒、食品包裝材料、存儲磁盤以及醫(yī)用片材、骨螺釘、手術(shù)縫合線等醫(yī)用材料。L - 乳酸主要以淀粉類原料和糖蜜為底物，利用乳酸菌發(fā)酵制成。由于乳酸菌是一種對營養(yǎng)要求比較嚴格的微生物，不僅需要可發(fā)酵性碳水化合物，同時外界必須提供氨基酸、維生素等生長因子。由于技術(shù)還不成熟，目前國內(nèi)尚未有 利用糖蜜發(fā)酵制L - 乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)，但是由于原料優(yōu)勢，糖蜜發(fā)酵制L - 乳酸及其聚合物有很好的前景，目前研究重點主要集中在高產(chǎn)菌種的選育、糖蜜的預處理和發(fā)酵條件的優(yōu)化等方面。
 
 
 
二、生物制品
 
糖蜜生產(chǎn)的生物制品主要包括酵母及其深加工產(chǎn)品，如：活性干酵母、食用（藥用）酵母、酵母抽提物、單細胞蛋白、核糖核酸( RNA) 和蝦青素等。由于糖蜜中除含有糖分外，還含有酵母菌體生長繁殖所需的生物素及氮、磷、鉀和微量元素，因此，糖蜜生產(chǎn)酵母及其深加工產(chǎn)品是發(fā)酵行業(yè)公認的最好途徑之一．國內(nèi)外90% 的酵母產(chǎn)品都是用糖蜜生產(chǎn)的。

1. 酵母

糖蜜生產(chǎn)的酵母產(chǎn)品主要包括面包酵母、食用（藥用）酵母和飼料酵母，其中高位的面包酵母和食用（藥用）酵母是糖蜜酵母的主流產(chǎn)品。生產(chǎn)一噸酵母大約消秏 5.6 噸糖蜜，與生產(chǎn)酒精相似。但是，在目前糖蜜價格提高的情況下，糖蜜生產(chǎn)酒精已經(jīng)不具備競爭優(yōu)勢，而糖蜜生產(chǎn)酵母產(chǎn)品的市場前景卻非常樂觀。
微量元素對人體有重要的作用，但無機態(tài)的微量元素生物利用率低，因此利用酵母為載體富集微量元素，使之由無機態(tài)轉(zhuǎn)為有機態(tài)，已成為國內(nèi)外研究重點。目前，藥用及具有保健功能的酵母品種主要有：富鉻酵母、富鐵酵母、富鋅酵母、富硒酵母、富鍺酵母、富麥角固醇酵母等。利用糖蜜生產(chǎn)的藥用和食用酵母主要有：富鉻酵母和高鐵酵母等。鉻元素是預防和治療糖尿病的重要因子，它能激活胰島素，糾正糖和脂肪代謝紊亂。服用鉻酵母不僅能
降低I 型糖尿病人對外源胰島素的需要和II型糖尿病人的血糖，同時還能預防和控制動脈粥狀硬化癥狀的發(fā)生“主研究表明：糖蜜培養(yǎng)的富鉻酵母，鉻含量 738.8mg/ kg, 鉻酵母產(chǎn)率 3.0%, 蛋白質(zhì)含量 48.74%。 糖蜜高鐵酵母， 鐵含量為1061 .00mg/kg, 鐵酵母的產(chǎn)率為 2.54%, 蛋白質(zhì)含量為51.90%。
 
 
酵母抽提物又稱酵母精，是酵母細胞破壁、酶解得到的深加工產(chǎn)品，具有調(diào)味、營養(yǎng)、保健功能，主要用于作雞精、湯料等食品的添加劑。
酵母抽提物生產(chǎn)工藝流程：
酵母漿-酶解-分離-濃縮-調(diào)配一千燥­ -酵母抽提物
 

2. 單細胞蛋白

單細胞蛋白中蛋白質(zhì)含量高達40% - 80%, 含有人體必需的8 種氨基酸，同時還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質(zhì)以及豐富的生物活性物質(zhì)，是食品和飼料工業(yè)重要的添加劑。酵母菌由于其生長繁殖迅速，培養(yǎng)條件簡單，營養(yǎng)物質(zhì)含量高，易消化吸收等特點，是生產(chǎn)單細胞蛋白的優(yōu)良菌種。
糖蜜是酵母菌發(fā)酵的優(yōu)良底物，研究表明在糖蜜中添加適童的 N 和P 源進行高蛋白菌種培養(yǎng)，發(fā)酵液中細胞生物量可達8 - llg/L,粗蛋白含量高達50%左右。

3. 核糖核酸(RNA)

核糖核酸(RNA) 是重要的生物大分子，它對活化體細胞，促進新陳代謝，防治疾病，延緩衰老有獨特的功效。核糖核酸主要從酵母中提取，不同的碳源對核糖核酸的成本和產(chǎn)量有很大的影響。利用 糖蜜發(fā)酵核糖核酸巳經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)，即以糖蜜為培養(yǎng)基，經(jīng)連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)出高核酸酵母，然后采用濃鹽法把 RNA 從酵母細胞內(nèi)提取出來 。
 
 
 
三、生物能源
 
全球能瀕危機和生態(tài)危機日益加劇，氫被認為是最有吸引力的替代能源，尤其生物制氫技術(shù)由于具有清潔、節(jié)能、不消耗礦物資源和低成本等優(yōu)點，已經(jīng)成為當今世界的一個研究熱點。
發(fā)酵法生物制氫是利用生物厭氧產(chǎn)氫一產(chǎn)酸發(fā)酵過程制取氫氣的一種方法，目前國內(nèi)外報道的微生物產(chǎn)氫主要有 3 種類型：丙酸型發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵。乙醇型發(fā)酵制氫是一種新型制氫方法，其末端產(chǎn)物主要是乙醇、乙酸、CO₂,H₂和少量丁酸。
以糖蜜為發(fā)酵底物進行生物制氫的工藝包括：活性污泥法和固定化細胞法，將糖蜜稀釋，加人 N,P 營養(yǎng)物，接種馴化后的活性污泥或固定化細胞，使其進入乙醇型發(fā)酵狀態(tài)，即可進行連續(xù)流的氫氣生產(chǎn)。我國以糖蜜為底物進行的制氫小試取得了突破性的進展，中試也運行成功，使該項技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位。