第七章生物技术与农副产品的综合利用

第七章生物技术与农副产品的综合利用第一节生物技术与果蔬的综合利用一、国内外果蔬综合利用中生物技术的应用概况二、生物技术在果蔬综合利用中的具体应用一、国内外果蔬综合利用中生物技术的应用概况果蔬是各类水果与蔬菜的总称，它是人们日常生活中不可缺少的副食品，是仅次于粮食的重要农产品和食品工业的重要加工原料。在我国实际的果蔬生产加工中，经常产生大量的废弃物，如落果、次果和下脚料（果皮、果核、种子、叶、茎、花、根），一般在果蔬生产加工中会产生15%～20%的残次落果、废弃物和下脚料，这些综合利用的原材料，来源丰富，价格低廉，安全无毒副作用。果蔬综合利用是根据各类果蔬不同部分所含的成分和性质，对它们进行全植株的综合利用，使果蔬的有用成分都得到充分的使用。这样，既可以变废为宝，又能够减少环境污染，实现农产品原料的梯度加工及增值，提高经济效益和社会效益。目前，在果蔬综合利用中经常使用的生物技术是发酵工程技术、酶工程技术和蛋白质工程技术。发酵工程技术是利用微生物的特殊功能生产有用物质的一种技术体系。这项技术包括菌种的选育和改造、代谢产物的分离与提纯等操作。它涉及到新食品原料、食品加工催化剂、食品保藏稳定剂、D-氨基酸及其衍生物以及废弃物的发酵。其中，后者就是利用果蔬生产加工中的废弃物作原料，通过发酵工程生产出酒精、单细胞蛋白、食品添加剂、有机酸和氨基酸等产品。一、国内外果蔬综合利用中生物技术的应用概况酶工程技术是利用生物酶生产有用物质的一种技术体系。它包括产酶菌的诱变和筛选、酶解条件的优化、酶解产物的分离提取等。在果蔬综合利用中主要使用的酶有纤维素酶、果胶酶和淀粉酶。使用纤维素酶已成功地水解柑橘皮渣制取饮料，柑橘皮渣经酶解后有50%的粗纤维转化为可溶性糖，另外的50%转化为短链低聚糖，后者即为果肉饮料的膳食纤维。同时该酶可以使细胞壁膨胀和降解，提高可消化性和改善口感，可用该酶浸渍果蔬的非食用部分，使果蔬去皮、去苦。果胶酶可以把果肉原料部分或全部地液化，降低机械工作强度，并利于浓缩、改善透明度、可溶性和稳定性，从而简化了对色素、风味物质等果汁成分的提取。此外，淀粉酶也是具有特殊功能的生物酶，常用于果蔬的综合利用中。长期以来，我国没有很好地对果蔬进行综合利用，其主要问题是：国内多数的食品生产企业的生产线没有能力将加工过程中产生的废弃物和下脚料转化为有一定经济价值的产品；即使有些企业能够做得到，其产品质量也不稳定。目前，我国主要研究和建立的果蔬综合利用体系主要有柑橘皮渣、苹果皮渣、葡萄皮渣、猕猴桃皮渣和胡萝卜皮渣等利用体系，这些体系在实践应用中得到不断完善。二、生物技术在果蔬综合利用中的具体应用（一）柑橘皮渣的综合利用（二）苹果皮渣的综合利用（三）葡萄皮渣的综合利用（四）猕猴桃皮渣的综合利用（五）胡萝卜加工过程的综合利用（一）柑橘皮渣的综合利用1．柠檬酸的生产及提取2．沼气的发酵生产1．柠檬酸的生产及提取不论柠檬酸来源于果蔬废弃物的发酵，还是来源于果实本身，都需要把柠檬酸提取出来。未成熟的果实中含柠檬酸比较多，因此常利用未成熟的落果及残次果作提取柠檬酸的原料。下面以柑橘残次落果提取柠檬酸为例，介绍柠檬酸的发酵生产及提取的工艺技术：（1）榨汁将原料捣碎后加入清水，用压榨机榨取橘汁数次，充分榨出所含的柠核酸；（2）发酵将榨出的橘汁加酵母液1%，经4～5d发酵，然后过滤，加入单宁沉淀胶体物质，再过滤得澄清液；（3）中和将石灰乳慢慢加热，在不断搅拌下加入澄清液进行中和，产生的柠核酸钙在冷水中易溶解，所以要将澄清果汁加热煮沸，将沉淀的柠檬酸钙分离出来，用沸水反复洗涤；（4）酸解及柠檬酸晶体析出在沸腾的条件下，加入硫酸，不断搅拌，生成硫酸钙沉淀，然后用压滤法除去沉淀。将滤液浓缩到相对密度为1.38～1.41，把此浓缩液放入洁净的结晶缸内，经3～5d结晶即析出柠檬酸晶体。1．柠檬酸的生产及提取柑橘类果实提取柠檬酸的原理为：氢氧化钙能与柠檬酸生成柠檬酸钙沉淀，然后用硫酸将柠檬酸钙重新分解，硫酸取代柠檬酸生成硫酸钙，而将柠檬酸重新析出。其化学反应式如下：2C6H8O7+3Ca(OH)2→Ca3(C6H5O7)2↓+6H2O………①Ca3(C6H5O7)+3H2SO4→2C5H8O7+3CaSO4………②由于果汁中的胶体、糖类、无机盐等影响柠檬酸结晶的形成，所以要得到这种沉淀，就要用进行交互酸解的方法，将柠核酸分离出来，获得比较纯净的晶体。2．沼气的发酵生产柑橘类果实在加工过程中产生的下脚料，可利用来发酵生产沼气，既可以变废为宝，又能够产生经济效益。其发酵的工艺流程为：（1）分解工序包括蛋白质和脂肪的水解，纤维素的膨胀和扩散，使得果蔬废弃物和下脚料转化为发酵的原材料；（2）液化工序在酸性条件及稀浆状态下，发酵的原材料被兼性厌氧微生物作用分解成有机酸；（3）气化工序浆状的有机酸被专性厌氧微生物作用生成沼气。（二）苹果皮渣的综合利用1987年10月，美国政府投入1500万美元完成了苹果综合利用体系，这个体系由如下三部分组成：1．苹果皮渣通过固体发酵生产酒精；2．苹果皮渣利用N-RRL-597菌株生产柠檬酸（90g/kg湿渣）；3．苹果皮渣通过厌氧性细菌发酵生产沼气，产生的热量在70～170kcal/t湿渣。以苹果皮渣发酵生产酒精为例，其生产的工艺流程为：苹果渣→接种葡萄酒酵母→发酵（30℃，pH3.4，96h，产酒率8%～11%）→真空蒸馏→酒精。酒精获得率根据苹果渣发酵情况而定，幅度为29～40g/kg湿苹果渣。酒精生成量明显取决于苹果渣中糖的起始浓度，而影响起始糖浓度的因素有苹果的种类和加工方法。用真空蒸发器从发酵成熟的苹果渣中分离酒精，分离率为92%～99%。在发酵前添加纤维素酶和果胶酶可增加酒精产率。（三）葡萄皮渣的综合利用葡萄是饮料、酿酒、罐头等食品工业的生产原料，其生产过程中的葡萄皮、葡萄籽等废弃物可以用于综合利用。废弃物（皮、籽和梗）约占鲜果总量的30%，其中，葡萄皮渣约占25%，它含有丰富的葡萄籽油、葡萄红色素、天然的多酚类抗氧化剂。葡萄皮渣经发酵后纤维素含量可由23%下降到15%以下，蛋白质含量可由12%提高到25%以上。从葡萄皮渣中经过发酵而蒸馏出白兰地，再经过陈酿和调配，制造出高级葡萄酒。另外，利用生物技术提取天然抗氧化剂也是葡萄皮渣综合利用的热点之一。（四）猕猴桃皮渣的综合利用猕猴桃皮渣可以制取蛋白酶，用于防止啤酒冷却时生产的浑浊，也可以作为肉质嫩化剂，在西药方面作为消化剂和酶制剂。猕猴桃皮渣中提取蛋白酶的工艺为：猕猴桃皮渣锤磨粉碎→通入SO2（200mg/g果胶）→压滤去渣→离心收集液体→加入食盐（24%）→沉淀过夜→离心获得粗制酶→精制→冷冻干燥→成品。猕猴桃皮渣也可以经固态发酵生产柠檬酸和食用酒精。（五）胡萝卜加工过程的综合利用蔬菜综合加工的技术手段跟水果类似，只是原材料和产品有所不同。以胡萝卜为例，在胡萝卜的加工过程中得到大量的胡萝卜渣，约占原料的30%～50%，它含有较高的胡萝卜素、矿物质、氨基酸和纤维素。以前，胡萝卜渣基本上作为动物饲料处理，其经济价值很低。目前，胡萝卜渣用作酿制的原料，大大提高了产品的附加值。用胡萝卜渣酿成的醋要比用粮食酿制的醋更具有风味和营养。第二节生物技术与水产品的综合利用一、国内外水产品综合利用中生物技术的应用概况二、生物技术在水产品综合利用中的具体应用一、国内外水产品综合利用中生物技术的应用概况•我国的水产品总量位居世界第一。2006年我国水产品总量达到5,250万吨，比上年增长2.8%。2003年甲壳类产量为436.90吨，其中海洋捕捞虾、蟹为231.94万吨，海水养殖甲壳类为66.12万吨，淡水虾、蟹产量为138.93万吨。我国现有水产品加工企业6443个，年生产能力达到1,127.10万吨，但实际加工产量仅为624.17万吨。每年至少有12%的水产品变质，36%的低值水产品仅能加工成动物饲料的原料或鱼粉等低值产品，蛋白质资源未能充分利用，真正能供给人类食用的水产品仅为总产量的一半。•在鱼品加工过程中，会产生大量的鱼头、鱼皮、鱼鳍、鱼尾、鱼骨及其残留鱼肉等下脚料，其重量约占原料鱼的40%～55%。这类废弃物中含有丰富的营养物质和有用成分，有些组分甚至还有一定的功能特性和生理活性，因而是一类重要的生物资源。据测定，虾头、壳中蛋白质含量为20%～40%，粗脂肪9%，含有丰富的矿物质，特别是钙盐（碳酸钙及磷酸钙30%～50%）；虾、蟹壳中还含甲壳质（20%～30%）及色素。组成蛋白质的氨基酸含有人体必须的8种氨基酸，其中除了赖氨酸的含量稍低外，其它氨基酸的组成比例符合人体对必须氨基酸的要求，是非常优良的食物资源。因此，充分利用水产品加工过程的下脚料和废弃物可提高鱼类加工的附加值，并且减轻环境污染，将获得良好的经济和社会效益。一、国内外水产品综合利用中生物技术的应用概况•水产品综合利用就是利用食用价值低的水产原料及其加工过程中的废弃物生产食品、药品以及工农业生产用品。近几十年来，国内外学者对此类资源的开发利用一直比较重视，主要研究包括：以鱼、虾、蟹壳为原料生产甲壳质及其衍生物，同时得到色素、蛋白质、调味品、生物活性钙等；从鱼皮、鱼鳞、鱼骨和鱼刺中提取生物碱、钙剂、明胶和胶原蛋白，还可制成磷灰石作为人造骨骼和假牙；从鱼内脏中提取生物酶、生物活性等物质；从鱼糜漂洗液中提取酶、回收并利用其中的水溶性蛋白等。虾、蟹等甲壳类水产加工下脚料可以制作虾味汤料、调味料等营养补充剂。其中，采用蛋白酶水解虾加工下脚料，从中获取具有高附加值的氨基酸营养液，作为天然调味料或者参与复合调味料的调配，具有广阔的应用前景。•鱼、虾、蟹的综合利用不仅仅在于营养物质的提取，更主要的在于开发它们的化工产品。如虾、蟹壳是制造甲壳素的优良原料，甲壳素是的直链高分子多糖，其化学结构和性质类似于纤维素，由于分子中有特殊氨基的存在，使其具有纤维素没有的特性，可通过不同的化学修饰反可以获得多种衍生物。由于甲壳质及其衍生物具有特殊的理化性质，甲壳素产品已广泛地应用于食品、饲料、医药、烟草、化工、日用化妆品、生化试验、食品添加剂和污水处理等领域中。二、生物技术在水产品综合利用中的具体应用（一）鱼的综合利用制取凝乳酶（二）鱼的综合利用提取抗高血压成分（三）鱼综合利用生产胶原蛋白（四）鱼综合利用生产酱油（五）鱼综合利用生产酸贮液体鱼蛋白饲料（六）虾头的综合利用生产虾头汁和虾油（七）贝的副产品生产蚝油（一）鱼的综合利用制取凝乳酶凝乳酶的传统来源是从小牛皱胃中提取。随着干酪工业的发展，全世界每年要宰杀5,000万头小牛生产凝乳酶，造成全球性小牛缺短。为缓和小牛凝乳酶供应的紧张局面，近年来Tavares等人从金枪鱼胃粘膜中提取了价格低廉的凝乳酶。提取的工艺路线是：清洗金枪鱼胃→去除胃内膜→切段并均质→20℃过夜→将均质物搅拌成浆状并离心(35,000rpm，4℃,1h，重复两次)→收集上清液→冷冻干燥浓缩→粗胃蛋白酶原→活化，加入0.1NHCl溶液调节pH至4.0，20℃～25℃保温1h，然后加入0.1NNaOH溶液调节pH至5.0→凝乳酶。（二）鱼的综合利用提取抗高血压成分通过抑制血管紧缩素转化酶ACE能够起到降低血压的作用。鳕鱼鱼头的酶解产物分离后得到9个组分，其中有5个组分对血管紧缩素转化酶ACE具有良好的抑制作用。但是这5个组分的化学组成及其具体作用还未得到证实，其前体以及转化过程需进一步研究。随后，在沙丁鱼、虾、贝类的肌肉以及酶解产物中也发现了对血管紧缩素转化酶ACE有抑制作用的缩氨酸，于是人们又将目光转向了沙丁鱼下脚料，通过高效液相色谱分离也得到了某些ACE抑制组分。其制备过程为：沙丁鱼下脚料(18℃)绞碎→加入磷酸(25ml/kg)→24℃，保存3d→发酵产物自溶，离心(10,000rpm,20min)→回收上清液，将其冷却至18℃，30min(去除脂肪结块)→加入CaO调节pH至7→再次离心(10,000rpm,20min)→取上清液，上清液中含有血管紧缩素转化酶ACE。（三）鱼综合利用生产胶原蛋白胶原蛋白及其酶解产物在医疗、保健和美容方面具有广