苜蓿叶蛋白提取及其深加工

苜蓿叶蛋白提取及其深加工 曹致中 席亚丽 赵波中 甘肃农业大学草业学院 　　 1叶蛋白饲料研究概况　　　　　　　　　　 　　 叶白饲料又称绿色蛋白浓缩物(Leaf Protein Concentrates简称LPC)，是将新鲜牧草或其它青绿植物经压榨后，从其汁液中提取的粗蛋白产品。其中苜蓿是最重要的提取叶蛋白的原料植物。 　　 绿色植物中蕴藏着世界上最大的蛋白质资源。早在18世纪就有人从植物叶片中分离出叶蛋白。1924～1925年匈牙利开始这一领域的研究；1936～1939年，英国以N.W.Pirie教授为首，开始叶蛋白饲料的研究；70年代初，英国、匈牙利、法国、前苏联、美国、日本、意大利等70多个国家在叶蛋白生产技术方面进行了大量研究。80年代初，国际上专门成立了“绿色植物研究协会”(简称SGVR)，负责协调和交流叶蛋白的研究与开发。1982、1985、1989、1993、1996年，分别在印度、日本、意大利、新西兰和澳大利亚、俄罗斯和波兰召开了五届国际叶蛋白研究会议，对叶蛋白生产的植物资源、叶蛋白的性质及效用、生产技术、开发利用及副产品综合利用等进行一广泛的交流。SGVR还在俄罗斯Don州州立大学的饲料及食品浓缩物生产科学实验室成立了一个国际叶蛋白研究中心，开展包括中国在内的国际间叶蛋白的合作研究。 　　 目前，世界上商品化生产饲用叶蛋白规模最大的是法国苜蓿公司。该公司生产脱水苜蓿的16个企业中，有一个最大的工厂从事苜蓿叶蛋白生产，每小时中加工120吨苜蓿，1988年叶蛋白浓缩物产量为12000吨，产品的商品名称为P.X(即蛋白质加叶黄素之意)。产品的主要化学成分以干重计：粗蛋白55%、纤维素＜2.5%、叶黄素1700mg／kg、胡罗卜素900mg／kg.产品除作饲用蛋白外，现在更着眼于利用其所含的色素。除法国外，英国、丹麦、新西兰、澳大利亚各有一个规模较大的工厂，例如新、澳生产的叶蛋白浓缩物商品名称叫Quintessence，该产品营养价值很高，相当于大豆蛋白、酪蛋白和鱼粉蛋白，还含有高浓度的天然色素，主要出口到日本及东南亚国家，人格每吨约为631～1500美元。俄罗斯、巴西、印度等国也都建有不同规模的饲料浓缩蛋白工厂，并在生产工艺上有许多改进。例如英国、美国、俄罗斯6等国已研究设计出一次能完成粉碎和压榨两个工序的螺旋压榨机，不仅能生产出青绿饲料浓缩蛋白质、草饼、草渣等系列产品。并能利用其废液生产单细胞蛋白。合谋研制出了供农村使用的生产叶蛋白的小型设备。 　　 我国叶蛋白提取工作起步较晚，除西北畜牧兽医学院畜牧系在二十世纪五十年代将苜蓿浓缩汁液以饲料膏的名义进行过试验外，研究主要集中在九十年代。内蒙古农业大学张秀芬(1990)用苜蓿和沙打旺提取叶蛋白并生产了小批量的叶蛋白饲料。安徽大学刘晓颖(1994)进行了苜蓿叶蛋白的分离及性质研究，并说明其用于饲料和食品的营养价值。湖南农学院葛旦之等(1989)对豆科绿肥如箭舌蜿豆、紫云英、黄花苜蓿等的叶蛋白提取效率及溶剂、SDS、pH值对提取率的影响。河北农业大学张秀萍等(1992)进行了不同提取方法筛选等比较试验。安徽大学丁毅、刘晓颖等(1998)进行了苜蓿叶蛋白脱色及色素的研究。中国农业大学邓勇等(1998、1999)开展籽粒苋、酸模、叶蛋白提取工艺研究。中国农业大学成明华(1998)进行了苜蓿叶蛋白粉叶绿素的提取工艺研究。山东师范大学贺新强等(1999)进行了藜、滨藜和苜蓿叶蛋白提取方法的比较试验。甘肃省草原生态研究所周志宇等(1999)进行了6种不同方法提取苜蓿叶蛋白的试验。甘肃农业大学曹致中、席亚丽等(1999)对苜蓿不同生育期、不同凝集方法下苜蓿叶蛋白饲料提取率进行了研究，并试生产了10kg叶蛋白。但目前工厂化生产饲料叶蛋白的尚未见报道。 　　 除以上研究外，胡自治(1987)、李立人(1995)、胡耀高(1992)、肖文一(1981)、刘晓庚(1993)、庞声海(1989)，刘铭(1985)、高岩(1991)、刘宁红(1990)等对国内外叶蛋白生产技术进行了综述或就某些领域进行了专门报道，对我国叶蛋白研究和开发起到了很大的促进作用。 　　 2需求和发展潜势 　　 张子仪院士(1999)指出：本世纪末我国按人均每日摄入25g动物性蛋白，则至少每年需从畜产、水产品的可食部分提供大约1200万吨纯动物性蛋白质，而生产这么多的动物性蛋白质，如按高水平的饲料粗蛋白质转化效率20%计算，至少需从种植业、及其他途径提供饲料粗蛋白质6000万吨。据我国20世纪90年代后期种植业可以提供作为饲料的植物性蛋白质预测，从饲用谷类中约可提供大约1500万吨粗蛋白质，从饼粕类中可提供600万吨，可供饲用的藤、蔓、荚、壳、秸秆、秧等约可提供800万吨饲料粗蛋白质，外加其他动物性饲料资源中的100万吨粗蛋白质，合计约3000万吨，仅能满足需求量的一半。因此，我国饲料粗蛋白质供求矛盾突出，亟待有突破性的发展。而种植牧草，特别是种植高产优质豆科牧草是行之有效的解决途径。 　　 苜蓿含有丰富的蛋白质，现蕾期至初花期干物质中含粗蛋白质20～22%，干草中一般含16《角斗士》，16%，目前全国苜蓿栽培面积133万公顷，且正在不断扩大。如果按苜蓿种植面积达200万公顷，每公顷平均收10吨干草计，全国可产2000万吨，约可提供340万吨粗蛋白质。如果按苜蓿发展规划达到1000万公顷，可提供人粗蛋白质约1700叨吨，加之其他各种豆科牧草则差额不大。若按全国耕地总面积的30%种植牧草饲料作物，则可充分满足需要。 　　 随着人们生活水平提高和膳食结构的改善，养殖业和畜牧业的发展，饲料蛋白的需要还将进一步加大，蛋白质饲料的严重不足将成为制约我国畜牧业发展和提高效率的关键因素。叶蛋白不仅含蛋白质丰富，品质好，而且容易生产，成本低，如将新鲜牧草中的蛋白质提取出来，作为猪、禽的饲料，草渣加工后作为反刍动物的饲料，可谓物尽其用。同时，精制叶蛋白被誉为当今世界上最好、又具有食用价值的保健品，我国一些公司、制药厂正联手筹划开发，其发展潜力巨大。 　　 3叶蛋白加工工艺 　　 3.1原料的选择 　　 用于生产叶蛋白的原料因蛋白质含量的多少，提取的难易程度不同，对叶蛋白的产量的品质有很大的影响。为提高叶蛋白饲料的产量和品质，应当选择高产优质、资源泉丰富、蛋白质含量较高，成本低廉且不含有毒成分及胶质、粘性物质的原料。表1列出了我国可用于生产叶蛋白的部分植物。在这些植物中，苜蓿应是首选的，其不但蛋白质含量高(鲜草中粗蛋白质含量为4～6%，草粉中粗蛋白质占15～20%)，还含有丰富的氨斟酸、叶黄素、维生素C、K、E、B以及Ca、P等微量元素和多种生合活性物质，营养成分齐全均衡，而且种植面积广，产量高，品质好。 　　 3.3叶蛋白的提取技术 　　 3.3.1原料的收割时间 根据试验，最佳的收割时间一般是：豆科牧草在现蕾期，禾本科牧草在孕穗期。因为这个时期不但叶蛋白含量较高，而且物质总产量也比较大。 　　 3.3.2加工时间 绿叶收割后应尽快加工处理，以免由于叶子本身的作用和微生物的污染而引起叶蛋白产量和品质下降。研究表明，绿叶在一天、二天、三天和四天放置后再进行加工处理，其叶蛋白提取率分别比割后立即加工处理，其叶蛋白提取率分别比割后立即加工处理的提取率下降19.3%、25.0%、40.0%、53.7%。 　　 3.3.3粉碎，打浆和压榨 叶蛋白浓缩物属于功能性蛋白质，其主要由细胞质蛋白和叶绿体蛋白组成，其中35%～45%为难溶性的结构蛋白，55%～65%为溶解性能良好的基质蛋白。因此必须破坏细胞结构，才能把蛋白质充分提取出来。打浆研磨时不一定要研磨特别细，过细反而不利于叶蛋白的生产。国外生产叶蛋白采集粉碎，打浆和压榨于一体的多功能双螺旋压榨机。小规模生产也可用普通的粉碎机打浆，一般需要打三遍，有时候为了打浆容易，能够提取更多的叶蛋白，在第二遍和第三遍适当加入一些水。然后通过压榨机将打浆后浆状物挤压出汁液，并滤去遗漏的杂质。 　　 3.3.4叶蛋白的凝聚 这是整个叶蛋白提取中最着急的一步。目前，叶蛋白的凝聚方法主要有： 　　 3.3.4.1加热凝聚法 经过滤后的法液，一秀采用蒸汽加热或直接加热或直接加热的办法使蛋白质凝聚。这种凝聚物结成大的颗粒，很容易分离过滤，越是加热突然，凝聚的颗粒越大，凝聚越紧实，霉变的危险越小。为了使叶蛋白能充分提取出来，可分次加热，先加到60℃～70℃，快速冷却至40℃，滤出凝聚物(为叶绿体蛋白，在口感、色、香、味等方面达不到食用蛋白的要求，只能用作饲料)，而后再加热至80℃～90℃，并持续2～4分钟，滤出凝聚物(主要是细胞质蛋白，可作为食用蛋白)。 　　 3.3.4.2酸化加热或碱化加热凝聚法 碱凝聚是在压榨后的汁液中加入一定量的碱(NaOH或NH4OH)使汁液的pH值达到4.0～6.0，然后国热使叶蛋白凝聚出来。酸化或碱化加热凝聚法可以得到较多的凝聚手，但凝聚物质地柔软不易分离。 　　 3.3.4.3发酵法 将汁液在缺氧的条件下发酵两天左右，利用乳酸杆菌产生乳酸使叶蛋白聚出来。这不仅节省能源，而且能有效地破坏一些对畜禽等动物有害物质(如皂素，胰蛋白酶抑制物等)。但由于发酵时间长，叶蛋白的酶解作用延长，可造成一定的营养损失。 　　 3.3.5叶蛋白的干燥 最箪的方法是采用细纱网或滤布过滤，使叶蛋白凝聚物分离。工业化生产，可采用离心机或压滤机，压制成含水量为50%～60%左右的叶蛋白湿饼。 　　 3.3.6叶蛋白的干燥 分离出来的叶蛋粗产品含水量在50%～60%之间，在常温下易发霉变质，必须干燥至风干方可保存。常采用的干燥方法有：晾干、热风干燥(烘干)、真空干燥、喷雾干燥和冷 冻干燥，其晾干、热风干燥和真空干燥生产出来的产品质量较差，但成本低，生态环境饲料和低档叶蛋白产品的生产。喷雾干燥法可生产出品质较好的叶蛋白产品，是目前叶蛋白生产厂家普遍采用的干燥方法。冷冻干燥可生出高品质的叶蛋白产品，但成本高，适宜于叶蛋白研究及生产高档时蛋白产品。 　　 3.3.7叶蛋白的贮存 为了便于叶蛋白的保存，在打浆过程中还应加入一些防腐剂(如(NaCL，NaHCO3等)来抑制外来菌的侵入，以免胡萝卜素及不饱和脂肪酸发生氧化，出现一种鱼腥味。 　　 4叶蛋白的饲用价值 　　 叶蛋白用作饲料，其营养物质含量相当丰富（如表2所示）。据报道一般叶蛋白的消化率可达80%左右。有人分别用山羊豆、豌豆、紫花豌豆和波斯三叶草提取的叶蛋白对16～18周龄的公鸡作消化试验，其粗蛋白的消化率依次为70.0%、80.2%、69.7%、58.8%，代谢能依次为10.79、13.15、9.80、9.18焦耳/千克；干物质消化率为42.6%～57.0%。把4种不同质量的叶蛋白和三种不同级别的鱼粉分别加在以大麦为基础的猪日粮中，饲喂结果表明，其效果与鱼粉相当。在四组幼牛的饲喂试验中，用10%、20%和30%的叶蛋白代替标准乳蛋白，以标准全奶粉做对照，饲喂50天后，试验组与对组差异不大，这说明饲喂犊牛时可以用10%、20%和30%的叶蛋白代替标准乳蛋白。 　　 叶蛋白除含有上述这些营养物质外，还富含胡萝卜素、叶黄素、叶绿素、多种维生素及矿物质等。胡萝卜素作为无活性的Va源，在畜禽营养中的重要性是众所周知的。因Va不足而出现的机体代谢紊乱症达50种以上，症状随Va不足持续的时间和不足的程度而变化。当然过量的Va也会导致家畜的中毒。用苜蓿叶蛋白代替肉鸡日粮中鱼粉和大豆蛋白的饲养试验表明出肉率，肉中干物质，粗蛋白、粗脂肪和氨基酸均与对无明显差别。但试验组鸡肝脏中Va的含量高于对照组。 　　 总之，叶蛋白中营养物质含量极为丰富，其粗蛋白含量高（40%～65%左右），所含必需氨基酸比较完善，赖氨酸含量丰富（见表3），叶蛋白的消化率为62%～72%，能量代谢率为69%～90%，粗蛋白质的生物价为73～79%。每千克叶蛋白浓缩物中代谢能为2800～3200千卡，有效磷为0.31%，胡萝卜为500～1200毫克，叶黄素为1000～1800毫克，碳水化合物为5%～10%，矿物质为3%～7%，纤维素小于5%，以及含有脂溶性维生素E和K等。据Byers(1971)研究表明，各种不同植物的叶蛋白的氨基酸组成和配比极为相似。但叶蛋白中比较缺管含硫氨基酸。 　　 5叶蛋白副产品的利用 　　 5.1草渣的利用 　　 草渣是新鲜牧草压榨后的剩余物，一般占牧草干重的74%～85%，其营养成分与原干草相比，粗蛋白、粗灰分和无N浸出物较低而粗纤维、酸性洗涤纤维、木质素和纤维素的含量较高（Walker 等1982），C.R.Stockdale(1981)报道，干草饼与其原料干草相比，营养成分差别很小，矿物质的含量亦能基本满足家畜的需要。（表5） 　　 草渣的利用如下：鲜草饼可直接饲喂反刍家畜及马、兔等，据报道用等量的草饼代替其鲜草（均以干物质计）饲喂奶牛，奶牛的产奶量降低很少。 　　 青贮：关于残渣调制青贮料，很多试验已证明它能调制成优质青贮料，由于青绿牧草提取时蛋白后经压榨而得的叶饼，含水量低（约65%左右）而且比较稳定，不经任何处理就能很好青贮。经化学分析和感官评定，青贮料品质优良。R.Rwssell等(1978)用青贮苜蓿和青贮苜蓿草渣饼饲喂奶牛，试验表明，奶牛的产奶量没有显著差异。 　　 氨化：试验表明，用液态氨对草渣草粒进行氨化处理之后，其粗蛋白含量和纤维素的消化率都有显著增加(P＜0.05)。 　　 加工成干草饼、草粉、草粒或草块等。草饼的主要成分是纤维，它可用于发酵生产酒精等化学药品。 　　 5.2棕色液的利用 　　 鲜叶压榨而得的绿色汁液经分离叶蛋白后的残泫称为棕色液，约占原料鲜重的40%～50%左右。其中含有许多营养物质(见表6)，在苜蓿棕色液中，干物质占6.10%，粗蛋白占22.5%，钙190毫克／100克、镁130毫克／100克、钾800毫克／100克、硫80毫克／100克、磷90毫克100克、(以上都以干物质为基础计)以及一些未知促生长因子等。 　　 棕色液可以直接供牲畜饮用或作为肥料，试验证明：苜蓿棕色液对提高农作物的生长发育速度及作物的产量有明显促进作用，在最好的情况下可对苜蓿枝条的产量提高41%，并能使氮、磷、钾、钙、硫、硼、锌、锰和铜的含量增加，镁的含量降低。 　　 棕色液浓缩后制成糖蜜，可作为动物的饲料。饲养试验表明这种糖蜜的饲喂效果与大米相似。也可作为微生物的培养基，它能提供微生物生长发育所需的营养元素。棕色液还可以直接培养酶菌，生产食用或饲用酵民可以作为提取色素、植物生长调节剂等的原料。 　　 6苜蓿叶蛋白深加工 　　 6.1食用白蛋白 　　 绿色叶蛋白浓缩物虽然蛋白质含量高，营养价值好，但由于味苦、墨绿色和草腥味而难以直接作为人类食品或食品添加物。印度曾试验将叶蛋白浓缩物到一般食品中去，发现掺入量不超过10%，其食品的营养显著改善，而食品物理特性和口感没有什么变化，可被人们接受。但若增加用量，则须脱色、脱腥后再供食用。利用有机溶剂(如异丙醇、丁醇、丙酮、乙醇等)，可将绿色叶蛋白进一步脱色脱腥，加工成白色叶蛋白用于人类食品。印度R.P.Avinashilingam等(1985)的试验资料(表7)表明，可以用苜蓿叶蛋白替代牛奶。 　　 苜蓿经加工提取的叶蛋白浓缩物(LPC)主要是细胞质内可溶性良好的细胞质蛋白和叶绿体基质蛋白，以及一部分线粒体蛋白。。未提取出来而残留在草渣饼中的是难溶性的叶绿体和线粒体的结构蛋白、核蛋白和细胞蛋白。在可溶性叶蛋白中约占50%的是核酮糖—1.5二磷酸羧化酶的酶蛋白(rubisco)。分析资料表明rubiscl是大分子蛋白质，其分子量55万，由8个大亚基(分子量5.5万)和8个小亚基(分子量1.2万)组成。Rubisco的氨基酸成分非常均衡完全，提纯后无色无味，可与鸡蛋和牛奶的蛋白营养媲美，极易被消化吸收，且具有良好的乳化、胶凝、发泡和热定形等理化性质，可广泛应用于食品工业。Rubisco还具有较高的医用价值，可有用来治疗肾脏病人。肾脏病人要求蛋白要纯，可完全消化，且营养平衡。市场上应用的酪蛋白制剂长期使用后由于氨基酸不平衡而引起蛋白异常症及腹泻反应，使用rubisco则很安全。当前，以rubisco为主体成分的人类食用蛋白的开发，以降低成本和提高提取率为方向正在不断改进。 　　 6.2天然色素 　　 苜蓿中的天然色素主要有叶绿素、叶黄素、胡萝纱和类胡罗卜素等。叶绿素在食品和药品生产中有许多用途。H.Ace(1985)发现苜蓿叶蛋白饲料中的叶绿素可大大提高鱼肉的鲜美程度，更符合人的口味。胡萝素在畜禽营养中的作用非常重要，是维生素A的重要来源；β胡萝素具有防癌作用，对虾可利用了β-胡萝卜素转化为虾红素，提高对虾的商品价值。叶黄素可使鸡的皮肤、腿和喙显现黄色，蛋黄变为深黄色或红黄色而受到消费者的欢迎。目前，给鸡饲料中添加一定的苜蓿草粉或苜蓿叶蛋白中提取的天然色素以替代人工合成色素 ，已是大势所趋。 　　 天然色素的萃取方法，F.Fuvati等(1988)用液态二氧化碳从LPC中萃取胡萝卜素和叶黄素。在温度40℃、压力30mPa、二氧化碳淮流速度为5～6L/min时，胡萝卜素的萃取率可达90%，萃取叶黄素的适宜压力为70mPa。在试验条件下二氧化碳气体的回收率为70%。乙醇、丙酮、异丙醇等萃取叶绿素的效果也十分确实。 　　 6.3维生素E 　　 苜蓿叶蛋白中含有丰富的维生素E，含量达600～700ppm，并且几乎完全 是以抗不育本分的形式存在，对畜禽的生殖发育有良好作用。维生素E又能保护牛奶中的奶香味不被过早氧化，可显蓍提高牛奶的风味。 　　 6.4苜蓿纤维 　　 苜蓿榨汁后的草渣饼的基本成分是纤维，它包括纤维素、半纤维素和木质素。它可作为草食家畜饲料，也可用发法生产工业洒精。目前，苜蓿纤维的另一重要用途是作为保健品使用，将苜蓿纤维粉碎后压制成药片或纤维胶囊，每天服用，可增加胃肠蠕动，减少便秘，清理肠道。 　　 6.5Triacontanol 　　 是一种蜡状物质，在苜蓿中含量较多，可使番茄和大米增产。它可以随叶蛋白一起提取，且易于与叶蛋白分离，可作为植物生长刺激素等，其机理尚待研究。 　　 6.6未知生长刺激因子 　　 苜蓿中含有一些尚未查明的未知生长刺激因子，可促进犊牛、羔羊的生长。已知这类微量的生物活性物质主要存在于棕色液中，属于萜烯类物质，其有效用的成分有十多种之多。这类物质有待分析提纯，阐明其属于哪类物质、分子结构及生物活性，为进一步开发利用奠定基础。 　　 6.7蔬菜 　　 苜蓿嫩芽作为蔬菜食用在北方农区十分普遍。在实现其商品化生产中，可就地作新鲜蔬菜出售，也可将其清小船坞、晾干、扎把、灭菌、空馐，可短期贮运以供应外地。亦有将苜蓿芽冻干或烘干作脱水蔬菜，可长期贮存和销往远处。 　　 苜蓿种子发芽生成的豆芽，营养丰富、口味清爽，在国外食用已久，国内利用苜蓿芽作蔬菜也已开始，也是苜蓿利用的一个方面。