啤酒酵母在生物制藥中的應用

啤酒酵母在生物制藥中的應用

廢啤酒發(fā)酵母是啤酒生產(chǎn)的副產(chǎn)品。它是在主發(fā)酵和發(fā)酵過程中通過主發(fā)酵和再發(fā)酵制備啤酒生產(chǎn)的。啤酒酵母的營養(yǎng)成分十分豐富，據(jù)測定，含有50%左右的蛋白質，含人體必需的8種氨基酸、6%～8%的RNA；酵母細胞的細胞壁含有25%～35%的酵母多糖，主要為葡聚糖和甘露聚糖。啤酒酵母中的維生素和礦物質含量豐富，富含維生素Bl、B2、B6和Bl2，而且多以磷酸酯形式存在，故易被人體吸收。此外，酵母細胞中還含有豐富的酶系和生理活性物質，如輔酶A、輔酶O、輔酶I、細胞色素C、凝血質、谷胱甘肽等。近年來，隨著我國啤酒工業(yè)的迅速發(fā)展，啤酒產(chǎn)量連年遞增。2008年我國啤酒產(chǎn)量突破4000萬t，連續(xù)7年蟬聯(lián)世界第一啤酒大國的稱號。然而每生產(chǎn)100t啤酒就可產(chǎn)含水分75%～80%的剩余酵母泥1.5t。據(jù)計算，僅2008年所產(chǎn)的剩余酵母泥達60萬t以上。目前，國內(nèi)對廢啤酒酵母的研究已達到一定水平，但與國外相比啤酒酵母利用的生產(chǎn)工藝有待提高。大規(guī)模的綜合應用廢啤酒酵母必將為啤酒企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，提高企業(yè)競爭力，同時也有利于環(huán)境保護，為社會提供更多的就業(yè)機會。本文從啤酒酵母在制藥、食品、飼料等方面的應用進行綜述。1國藥業(yè)開發(fā)的前景啤酒酵母由于含有多種氨基酸、核酸、維生素、酶類和其他生物活性物質，因而在生物制藥行業(yè)中具有廣闊的開發(fā)前景。其中，利用廢啤酒酵母提取具有生物活性的功能物質已逐漸成為研究的熱點，目前主要生產(chǎn)和開發(fā)SOD、核酸及其衍生物、1,6-二磷酸果糖、谷胱苷肽、葡聚糖、藥用干酵母、甘露聚糖等產(chǎn)品。1.1廢啤酒發(fā)酵提取SOD是一種重要的氧自由基清除劑，具有延緩衰老、提高人體免疫力、預防和治療某些疾病的作用。SOD是近10多年研究較多、發(fā)展較快的新型益壽保健品添加劑，主要應用于醫(yī)藥、化妝品和保健食品生產(chǎn)。目前，我國SOD產(chǎn)品主要從牲畜血液中提取，該方法所用原料有限，SOD質量不穩(wěn)定。而酵母細胞中含有較多的SOD，并且酵母菌作為生產(chǎn)SOD的材料來源之一，具有繁殖快、代謝時間短、產(chǎn)率高、易培養(yǎng)、易大規(guī)模化生產(chǎn)、不受季節(jié)與自然條件限制等優(yōu)點，因此，國內(nèi)外學者研究利用酵母細胞生產(chǎn)SOD。提取SOD后的酵母殘渣及雜蛋白可考慮加工為飼料或飼料蛋白添加劑，可真正做到綜合利用廢啤酒酵母，達到清潔生產(chǎn)的目的，具有較好的應用前景。廖湘萍等最新研究了利用異丙醇破壁、丙酮二次純化提取SOD的生產(chǎn)工藝，最佳提取條件為：異丙醇濃度90%、時間120min、pH7.0，粗酶液收率73%，所得SOD的酶比活性為3048.7U/mg。與胞內(nèi)提取SOD的老工藝相比，具有設備少、操作簡單、成本低等特點。1.2在其他方面的作用谷胱甘肽是生物機體內(nèi)的重要活性物質，具有清除自由基的作用，特別是對于維持生物體內(nèi)適宜的氧化還原環(huán)境起著至關重要的作用。臨床試驗結果表明，GSH可以迅速增強機體的免疫力，人體內(nèi)GSH含量增加后對消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和新陳代謝等都有很大的幫助。此外，GSH還有改善性功能和消除疲勞的作用。近年來，還發(fā)現(xiàn)GSH具有抑制艾滋病毒的功效。GSH與治療腫瘤的藥物配合使用，可以減輕這些藥物對肝臟和腎臟的毒性作用，與維生素G一起服用，可預防由空氣污染和紫外照射誘發(fā)的腫瘤等。因此，谷胱甘肽在食品、醫(yī)藥等領域的應用日益受到人們的重視。邱雁臨等研究了從啤酒廢酵母中提取GSH的工藝流程及參數(shù)。結果表明，殼聚糖對啤酒廢酵母抽提物中GSH有一定的吸附能力，吸附率為85.68%，最佳提取條件為：上柱GSH抽提液最適pH為7.0，最適洗脫劑為pH4.4的磷酸鹽緩沖液。在發(fā)酵液中添加L-蛋氨酸可作為產(chǎn)生GSH的引物。當啤酒廢酵母的濃度達到30g/L時，葡萄糖和L-蛋氨酸的濃度分別為30g/L和1.0g/L,GSH量達到13.18mg/g。1.3發(fā)展工藝和制備工藝大量藥理學研究表明，F(xiàn)DP對休克、急性心肌梗塞、心肌缺等病癥具有良好療效，是臨床上廣泛應用的心管特效藥。目前,國產(chǎn)FDP藥物還不能滿足國內(nèi)市場的需要，仍然依靠進口。王富科等進行了利用啤酒廢酵母為轉化介質，以葡萄糖、磷酸鹽為底物的FDP生產(chǎn)工藝的研究。采用了正交實驗方法得到了制備FDP的最佳優(yōu)化條件：溫度為39℃、pH為6.7、反應時間為5h、葡萄糖濃度為0.6mo1/L、氯化銨為12mg、PO43-濃度為0.6mol/L、氯化鉀24mg,FDP產(chǎn)量可達到110.17mg/g。結果表明，以啤酒廢酵母為轉化酶制備FDP，工藝簡單、成本低、具有一定的應用價值。1.4脂肪替代物類β-葡聚糖是構成酵母細胞壁的主要成分。作為一種功能因子，葡聚糖具有增強機體免疫力，抗腫瘤，抗氧化，促進傷口愈合，抗輻射，降低膽固醇和血脂的作用機制。另外，由于其在人的消化器官內(nèi)難以被消化，可以作為非卡路里食品添加劑，提供脂肪樣口感，在冷凍食品的生產(chǎn)中作為脂肪替代物。β-葡聚糖因其較好的功能性和生物活性引起了國內(nèi)外學者的重視，因此對其提取方法研究較多，除了傳統(tǒng)的酸法浸提、堿法浸提外，又有一些新型的分離純化方法。李驥等人通過單因素和正交實驗得出自溶-堿法提取啤酒酵母β-(1,3)-D葡聚糖的最佳工藝條件為：定量酵母粉，以料液比1∶30加入3%NaCl水溶液，40℃水浴24h,4000r/min離心棄上清液；以料液比1∶30加入2%NaOH水溶液，95℃水浴提取3h,4000r/min離心去上清液，蒸餾水洗2次，60℃烘干，得成品。NaohitoOhno等利用次氯酸鈉和二甲基亞砜聯(lián)合提取β-葡聚糖，避免了葡聚糖的降解，提高了β-葡聚糖的產(chǎn)量。Suphantharika研究最佳抽提β-葡聚糖的工藝條件是在90℃下，用1.0mol/L的NaOH配成1∶5(w/v)堿液抽提1h。1.5酵母多糖結構酵母甘露聚糖是酵母細胞壁外包著的一層膠狀糖蛋白。多糖活性與相對分子質量、溶解度、黏度等物理化學性質有關。修飾多糖分子結構可大大提高其活性，如甲基化、乙酰解、硫栓酸化等。據(jù)報道，酵母主要含葡聚糖、甘露聚糖、半乳甘露聚糖和戊糖基甘露聚糖等多糖成分，不同的酵母含有不同類型和不同結構的多糖。甘露聚糖是較主要的一種酵母多糖，存在于細胞壁外層，具有免疫活性和抑制腫瘤生長等作用。1.6提供蛋白質及維生素目前，藥用干酵母已成功用于醫(yī)藥領域，其藥理作用是助消化，提供蛋白質、維生素等營養(yǎng)物質。生產(chǎn)工藝：酵母泥→洗滌→過篩→脫苦、脫色→過濾→噴霧干燥→酵母干粉→調(diào)制→藥用干酵母。1.6.1谷胱甘肽的提取啤酒酵母具有生長繁殖快，發(fā)酵周期短，對微量元素吸收率高等特點，是將無機硒轉化為有機硒的理想載體。硒是人和動物體內(nèi)谷胱甘肽過氧化物酶(GSHPX)的輔助因子，具有清除對機體有害的自由基，防止細胞膜氧化受損的作用，其廣泛存在于生命機體的肝、腎、心、肺等。而缺硒可能導致癌癥、心肌梗塞等多種疾病的發(fā)生，通過膳食攝取足夠的硒可起到預防有關疾病的作用。GSHPX利用谷胱甘肽使有毒性的過氧化物還原為無害的羥基化合物，使過氧化物分解，清除活性自由基部位，保護細胞膜結構和功能，修復分子損傷。酵母具有較高的富硒能力，并能將毒性高的無機硒轉化為安全的有機硒。硒酵母作為一種安全有效的食品硒源，受到國內(nèi)外研究者的重視，并對硒酵母中硒的有機結合形態(tài)、生物學作用機制等進行了研究。硒酵母在一些國家已成為一種商業(yè)化產(chǎn)品，目前國外報道的富硒酵母硒含量達1400μg/g酵母。國內(nèi)報道的富硒酵母一般是將普通的釀酒酵母或稍作篩選的酵母在添加有適量亞硒酸鈉的發(fā)酵培養(yǎng)基中，于一定的培養(yǎng)條件下獲得，細胞硒含量為300～1200μg/g酵母。1.6.2微量元素載體鉻(III)是葡萄糖耐量因子的中心活性成分，能協(xié)助胰島素維持正常糖耐量并影響糖類、脂類、蛋白質和核酸的代謝。啤酒酵母具有富集多種微量元素的能力，是目前最可能作為微量元素載體的最優(yōu)菌種。利用啤酒酵母的這一特點制備富含鉻酵母，使其作為功能性補鉻食品和治療糖尿病及其他心血管疾病的藥品,已成為學者們研究的熱點。1.7啤酒廢酵母rna提取作為啤酒工業(yè)的副產(chǎn)物之一的啤酒廢酵母中RNA含量達6%～8%，是RNA生產(chǎn)的較好原料。RNA是重要的生物遺傳物質，主要分布在細胞質中，是指導蛋白質合成的模板物質。核酸大分子的不完全水解產(chǎn)物中有核苷和核苷酸。其中，鳥苷酸(GMP)和肌苷酸(IMP)是強力助鮮劑，胞苷酸(CMP)和尿苷酸(UMP)可作為癌癥、肝炎及冠心病等治療藥物的原料。醫(yī)學上RNA可作為生產(chǎn)治療癌癥、腦震蕩、肝炎、帶狀皰疹、冠心病、病毒性疾病藥物的原料。充分利用啤酒廢酵母，既可減少環(huán)境污染，又可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。從啤酒酵母中提取RNA的工藝方法很多，廣泛應用于工業(yè)化生產(chǎn)的有濃鹽法和稀堿法，由于稀堿法提取顏色較深，很難溶解，而且對設備要求較高，設備一次性投資費用較大，再加上其管理和維護原因，因此一般采用濃鹽法。該方法簡單可靠，對設備要求較低，便于管理和維護。濃鹽法提取啤酒廢酵母中的RNA，是基于改變啤酒廢酵母的滲透壓，使酵母細胞自身破裂，釋放出RNA。宋旭鷺等對影響濃鹽法提取啤酒酵母中核苷酸的條件進行了研究。結果得出，其較優(yōu)的生產(chǎn)條件為：溫度95℃，加鹽量10%，提取時間120min，調(diào)等電點pH4.2沉淀蛋白質后，4℃靜置8h。在此條件下，45g濕酵母(相當于10g干酵母)可提取0.5308gRNA,A260/A280為1.988，純度可達90%以上。2營養(yǎng)成分的應用啤酒酵母由于自身所含的氨基酸、維生素、礦物質和多糖等營養(yǎng)成分比較豐富，因而在食品行業(yè)有廣泛的應用前景。目前，主要用于生產(chǎn)食用營養(yǎng)酵母、酵母浸膏、天然調(diào)味品等營養(yǎng)食品。2.1飲料的營養(yǎng)成分食用營養(yǎng)酵母是一種可食用的、營養(yǎng)豐富的單細胞微生物，是一種無酶活力、干燥的死酵母，既不需要提取，也不需要附加物。將廢啤酒泥回收，經(jīng)過清洗、脫苦、干燥工藝即可得到低水分含量的干酵母粉末。國外的一些營養(yǎng)學家就食用酵母對人體進行了很多營養(yǎng)試驗。事實證明，在醫(yī)療監(jiān)督下食用酵母總是有益的，因為食用酵母中蛋白質、維生素以及各種可同化的生物成分含量非常豐富。普通食用酵母一般不經(jīng)過特殊培養(yǎng)，完全依靠酵母本身的天然營養(yǎng)成分。目前，日本回收啤酒酵母中20%用于制造食用酵母，麒麟公司和朝日公司都相繼推出這種產(chǎn)品。其中，朝日食品和保健品公司推出的“粉末啤酒酵母”食品，易于消化，可直接飲用，也可用于烹調(diào)和加到酸奶中食用。但我國這種資源還沒有得到很好的利用。2.2酵母浸膏t酵母浸膏是借酵母菌體的內(nèi)源酶(蛋白酶、核酸酶、碳水化合物水解酶等)將菌體的大分子物質水解成小分子而溶解所得的物質。酵母浸膏可用于生物培養(yǎng)、食品工業(yè)調(diào)味滋補劑及醫(yī)藥工業(yè)高級營養(yǎng)制品等。酵母浸膏的生產(chǎn)工藝流程：啤酒廢酵母→預處理→自溶→濃縮調(diào)配→成品。2.3微量元素復合食品利用廢酵母可以生產(chǎn)富含多種氨基酸、多肽、呈味核苷酸、維生素、多種微量元素的調(diào)味品，產(chǎn)品不僅滋味鮮美，而且營養(yǎng)豐富，是當今市場較流行的集調(diào)味、營養(yǎng)功能于一體的天然食品。2.3.1天然調(diào)味劑從啤酒廢酵母中提取的酵母味素，富含8種人體必需氨基酸、多肽、呈味核苷酸、B族維生素、有機酸、碳水化合物和人體必需的l4種礦物質等。因不含膽固醇及脂肪，所以酵母味素是新型天然調(diào)味劑。莫重文研究了以啤酒酵母為主要原料，通過自溶法和酶解法生產(chǎn)酵母味素。研究了洗滌、均質、自溶時間、酶制劑的選擇及攪拌等因素對酵母細胞自溶的影響。得出了啤酒酵母自溶的最佳工藝條件，啤酒酵母經(jīng)0.5%NaHCO3脫苦，加2.5倍體積的水和3%食鹽，用膠體磨均質lmin,55℃自溶10h，加入1.5%蛋白酶和0.2%葡萄糖酶自溶12h(攪拌20min停30min)，然后95℃滅酶10min，再加入核酸酶55℃自溶3.5h，經(jīng)分離、濃縮可獲得68.5%的酵母味素。2.3.2現(xiàn)代生物技術近年來，醬油生產(chǎn)的主要蛋白質原料豆粕(豆餅)價格持續(xù)上升，企業(yè)為了降低成本積極尋找新的蛋白質原料。以啤酒酵母為主要原料，輔以豆粕等蛋白質物料，采用現(xiàn)代生物技術方法，使其酵母細胞內(nèi)容物(包括蛋白質、糖類和核酸等)和豆粕中的物質溶出并分解成相應的水解產(chǎn)物，如氨基酸、肽類、葡萄糖、核苷酸等，再經(jīng)過一系列的后加工處理，生產(chǎn)出比傳統(tǒng)釀造醬油更鮮美、營養(yǎng)更高的新型的酵母醬油，為消費者提供一種新的選擇。2.3.3防止添加其他甜味劑在食品工業(yè)中，利用海藻糖的非還原性、保濕性、耐凍性、耐干燥性以及良好的甜味特性，用來防止因干燥或冷凍引起的變性，或與其他甜味劑混合使用作為食品的甜味劑，還可以作為一些調(diào)料、食品的品質改良劑。張雪蓮等先對廢啤酒酵母進行微波、高溫處理促使酵母細胞破壁，再以40%的乙醇溶劑進行浸提，最后經(jīng)脫色、脫蛋白、脫鹽后結晶干燥得到了海藻糖成品。2.4大量甘薯糖蛋白和織物酵母細胞壁由85%～90%的碳水化合物及10%～15%的蛋白質組成，約50%的碳水化合物主要為葡聚糖和甘露聚糖，細胞壁中還含有大量甘露糖蛋白。葡聚糖和甘露聚糖在人的消化道中難以被消化，可作為膳食纖維發(fā)揮作用，并具有增強細胞免疫力、提高巨噬細胞活性及治癌等功效。吳小剛等試驗研究了從啤酒酵母中提取胞壁多糖的提取工藝。提取工藝為：酵母溶解→凍融→超聲波破碎→堿溶→中和→沉淀→洗滌→烘干。通過正交試驗對酵母破壁和堿溶條件進行優(yōu)化。尋求最佳的工藝條件，多糖得率為19.4%，用苯酚-硫酸法測定多糖的含量為51.9%。2.5功能活性成分酵母中的蛋白質在蛋白酶解作用下，可以降解為具有生物活性的短肽類?，F(xiàn)代營養(yǎng)學研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質經(jīng)消化道酶作用后并不是完全以游離氨基酸的形式被吸收，而是主要以短肽的形式被吸收。因此，功能性短肽不僅具有多種功能活性，更重要的是具有完全獨立的吸收機制。杜冰等利用廢啤酒酵母制備的短肽很好地保留了啤酒酵母原有的營養(yǎng)和功能成分，可作為功能性保健品原料，廣泛應用在食品、醫(yī)藥及飼料行業(yè)。其工藝流程為：收集啤酒酵母→擠壓噴爆→調(diào)漿→酶解破壁→二次調(diào)漿→酶解蛋白→濃縮→干燥→粉碎→酵母蛋白肽。2.6其他應用程序以啤酒酵母為主要原料，經(jīng)微生物可發(fā)酵生產(chǎn)酵母保健食品。最近研究較多的是利用啤酒廢酵母泥生產(chǎn)營養(yǎng)果醋、發(fā)酵酸奶飲料、生產(chǎn)營養(yǎng)蛋白粉等。3在食品工業(yè)中的應用3.1不同自溶溫度對飲料品質的影響我國的蛋白飼料嚴重缺乏，每年都要從國外進口大量魚粉，啤酒廢酵母將是我國蛋白飼料加工的一個寶貴資源。酵母中含量豐富的蛋白質，系由各種氨基酸組成。啤酒酵母中富含氨基酸，這些氨基酸大部分是人體和動物所需要的，尤其是人體必需的8種氨基酸含量已接近理想蛋白質水平，具有較重要的氨基酸藥理作用，而且，谷物中所缺少的賴氨酸，在啤酒酵母蛋白中的含量為400mg/1000mg。將啤酒廠的廢棄酵母泥經(jīng)過濾后，所得濾液可回收啤酒，濾餅送入自溶罐中加入一定量的水，直接通入蒸汽加熱，并開動攪拌器進行酵母自溶。自溶溫度關系到回收酵母質量，通過試驗選擇最佳自溶溫度為50～55℃。將自溶后的酵母漿用泵送入高位槽，酵母漿由高位槽流入干燥機進行干燥，干燥后粉碎即成干酵母粉。3.2利用啤酒酵母生產(chǎn)的發(fā)酵飼料通常作為飼料的啤酒干酵母粉是利用啤酒釀造過程中排出的廢酵母泥經(jīng)脫水干燥而成。然而。酵母泥的脫水干燥工藝設備投資大、耗能大、成本高，酵母作為副產(chǎn)品數(shù)量又有限，缺乏規(guī)模生產(chǎn)的效益。為了充分發(fā)揮啤酒酵母的飼料營養(yǎng)功能，國家海洋局第三海洋研究所開發(fā)研究利用啤酒廠廢酵母泥作菌種，培養(yǎng)為菌母，以廉價的谷糠為原料，采用固體發(fā)酵工藝，開發(fā)營養(yǎng)型的發(fā)酵飼料。成品發(fā)酵飼料的粉狀成品呈淺桔黃色，有濃郁的啤酒酵母香味。粗蛋白平均含量23.2%、水分10.5%、粗脂肪6.7%、粗纖維10.6%、灰分8.4%，富含氨基酸、B族維生素和礦物質、且干燥后的發(fā)酵飼料成品不反潮、不吸濕、抗霉變能力強、保存期較長。3.3廢過濾土的收集國內(nèi)已有啤酒廠把啤酒生產(chǎn)過程中的固體廢棄物，主要是廢啤酒酵母，還包括麥粒、麥根、廢過濾硅藻土等一起收集。干原料直接進行粉碎，濕原料干燥后進行粉碎，然后根據(jù)一定的配比，混合攪拌均勻，再加入一些粘結劑擠壓成型，制成顆?；旌巷暳?。這種方式對啤酒廠廢棄固形物進行綜合治理和利用，不僅減少環(huán)境污染、變廢為寶，并且有可觀的經(jīng)濟效益。3.4酵母及酵母泥啤酒酵母是單細胞微生物，廢酵母中除有活體酵母菌外，還包括自溶的酵母和死亡的酵母細胞，在水生生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)中，活體酵母成為魚蝦類的適口餌料。自溶及死亡細胞類似于水體中的有機碎屑，濾食性魚類和甲殼類均能直接攝食。其次，含水分高的酵母泥可以直接作為顆粒