4.5 啤酒废酵母生产制备核苷酸、氨基酸类物质技术
4.5.1 核苷酸类物质概述
4.5.1.1 核糖核酸（RNA）和核苷酸的结构
RNA是生物细胞中重要的物质，它主要包括3个类型：a.核糖体RNA，主要分布于细胞基质中构成核糖体，对蛋白质的合成有重要作用，占RNA总数的80%以上；b.转移RNA，在细胞质及细胞核之间起识别遗传密码，转运氨基酸的作用，占总数的15%；c.信使RNA，是通过DNA转录而成的蛋白质合成模板，为总量的5%。RNA的基本结构单位为核苷酸，相互间由磷酸二酯键连接而成。核苷酸有磷酸、核糖、含氮碱基（嘌呤或嘧啶）三个组成部分。核糖与嘧啶以β-C-N糖苷键连接而成核苷，磷酸则与核糖上的醇羟基连接形成核苷酸。核苷酸中的碱基主要有2种嘌呤和2种嘧啶：腺嘌呤，鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。因此，核苷酸的类型也分为4种：5’-腺嘌呤核苷酸（AMP），5’-鸟嘌呤核苷酸（GMP），5’-胞嘧啶核苷酸（CMP），5’-尿嘧啶核苷酸（UMP）。人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成，在细胞中主要以5’-核苷酸的形式存在。核苷酸类化合物参与了生物体内的几乎所有生物化学反应过程。
4.5.1.2 核糖核酸与核苷酸的物理化学性质
核糖核酸和核苷酸都为极性化合物，易溶于水，难溶于有机溶剂。提取核糖核酸和核苷酸时常用乙醇从溶液中沉淀。由于碱基的结构中含有共轭双键，所以不论是核糖核酸还是核苷酸都在240～290nm紫外光下有吸收峰。不同的碱基紫外吸收特性不同，另外其吸收特性在不同环境条件下（pH值）也会有变化。根据这些特性可对核糖核酸类物质进行定性及定量测定。核糖核酸和核苷酸的磷酸基团以及碱基（除尿嘧啶）上的某些基团可以进行解离，由于等电点使分子中的两性基团解离程度相同，分子表面静电荷为0，达到酸碱平衡。其紫外吸收特性可以用来测定提取的核糖核酸及核苷酸的纯度。纯核糖核酸的A260/A280的比值为2，若比值下降，则说明样品中含有蛋白质。另外也可以通过测定A260值计算出核糖核酸制品的含量（pH=7，比色皿厚度1cm，1μg/mL的核糖核酸溶液A260=0.022）。等电点则主要应用于分离纯化方面，根据等电点的不同可利用电泳法分离，也可通过调节溶液的pH值使达到等电点的某种核糖核酸或核苷酸析出。
4.5.1.3 核糖核酸及核苷酸的功能及应用
核糖核酸是一种重要的生物大分子，在基因的表达及蛋白质合成方面起关键作用，还有些具有催化作用。核苷酸作为核糖核酸的基本组成成分，也具有重要的生物学功能，首要功能是合成RNA。另外核苷酸在细胞里可以运输化学能量，三磷酸腺苷（ATP）水解是生物合成分解中的能量提供者，在细胞能量代谢上具有重要作用。腺嘌呤核苷酸在生物体内是许多辅酶因子的成分，如辅酶I、FAD及辅酶A。在辅酶因子中，腺苷并不直接发挥主要功能，但如果腺苷被转移，辅酶因子的活性就会迅速降低。细胞对于环境的变化作出的刺激性反应，会产生第二信使，它通常是一个腺苷3’，5’-环-磷酸（cAMP）。此外，cGMP也在许多细胞中出现，发挥调节的作用。
（1）医药行业上的应用
核糖核酸在医药上的应用主要有免疫核糖核酸，这是一种具有转移免疫性功能的生物大分子，是一种重要的免疫触发剂和免疫调节剂。1967年Alexander从肉瘤免疫绵羊中制取了淋巴细胞核糖核酸，在对大鼠进行试验后发现它能抑制大鼠同一肿瘤的生长，首次证实了免疫核糖核酸能传递免疫信息。1982年林单坤等把从免疫羊肝中提取到的免疫核糖核酸做成制剂注入体内，发现对肿瘤与癌症有明显的疗效，也能提高机体的免疫功能。因此，它对于一些与人体免疫功能下降有关的疾病如慢性支气管炎、哮喘、慢性肝炎、黄疸型肝炎以及癌症等有显著的疗效。虽然免疫核糖核酸在国内外都已用于临床治疗，但是其作用机理尚不清楚，在生产工艺及活性测定等方面仍然存在一定的问题，给推广使用带来了一定的难度。除了可以直接用于临床药物外，核糖核酸经过加工、修饰或改造，可以有目标性地抑制DNA复制或阻断蛋白质合成，干扰基因正常表达，从基因水平上控制肿瘤或病毒的繁殖与扩散。近年来，反义核酸的研究更加引人瞩目，通过对核酸骨架、核糖、碱基及在末端引入各种基团，使其能高效准确地作用于靶细胞，抑制肿瘤或病毒细胞基因的转录与翻译，用量少，作为新型肿瘤治疗药物，具有广泛的应用前景。
核糖核酸还是生产核苷酸、核苷、碱基的前体物质。它们自身及衍生物的应用很广泛。自然结构核苷酸、核苷、碱基结构的类似物或聚合物等核酸类药物是当今治疗病毒，肿瘤，艾滋病的重要手段，也是产生干扰素、产生免疫抑制功能的临床药物。例如可以用于合成抗病毒药物三氮唑核苷、阿昔洛韦等，这些新合成的药物有望成为继磺胺类药物、抗生素之后的又一类新型的抗病毒、抗肿瘤药物。核酸及核苷类药物具有扩张末端血管、增加红细胞及白细胞数、增加血红蛋白浓度、减轻浮肿、抗病毒和肿瘤等作用。核酸类制品能够延缓机体衰老过程并协调机体内部营养平衡，对冠心病、脑血管病、糖尿病和肿瘤均有积极作用。四种核苷酸的混合制剂含有对体内合成代谢起重要作用的物质，因此可以促进受损肝细胞的修复和白细胞的生成，用于治疗急慢性肝炎及原发性肾性高血压等，对于非特异血小板减少、白细胞下降等症状的缓解也有良好的效果。具有天然结构的核酸类物质，有助于改善机体的物质代谢和能量平衡，加速受损组织的修复，促进缺氧组织恢复正常生理机能。临床上用于放射病、血小板减少症、急慢性肝炎、心血管疾病、肌肉萎缩等代谢障碍，如肌苷、ATP、辅酶A、脱氧核苷酸、肌苷酸等。
（2）食品行业上的应用
人体的衰老与体内合成核糖核酸能力的高低密切相关。随着年龄的增加，合成核糖核酸的能力会逐渐减弱，造成体内核糖核酸及组成成分的不足，产生人体各种衰老现象，如皮肤衰老、机体疲劳、记忆力下降等。如果人体核酸摄入量不足，就会导致核酸缺乏症，引起人体免疫功能的退化和老化，损害人体的免疫功能，会造成严重的后果。把核糖核酸及其他核酸类物质添加到食品中制成功能性食品，或者相配合制成保健品，有利于人体补充核酸，使核酸代谢处于旺盛状态，可以达到抵抗衰老、提高人体免疫功能及治疗疾病的目的。近几年，随着核苷酸生物作用的开发，核苷酸类产品在食品行业中已扩展成为具有提高生物体免疫功能的功能性食品添加剂，可以添加在饼干、面包等食品中，尤其是核苷酸在奶粉中的使用效果非常明显。胞苷酸二钠和尿苷酸二钠是核酸经酶转化得到的两种衍生物，其作用主要是补充牛乳中的核酸，以生产出接近人乳的母乳化牛奶，能增强婴儿的免疫力，加入量为0.0015%。日本20世纪80年代初就把核酸广泛地应用于保健品、饮食服务、食品加工及家庭烹调上，核酸类物质的广泛使用使日本人的体质大大增强，平均寿命也有所提高。
现有的核酸口服液，经药理学实验证明，有调节机体免疫功能的作用，而且无明显毒副作用，使用安全；新的核酸膳食治疗高血脂症，对降低高血压、高血脂，改善动脉粥样硬化病效果较明显，而且该疗法从生成蛋白质的核酸入手，加以合理营养平衡膳食的方法，从根本上解决了问题。这类保健品的开发与推广，大大推动了我国保健行业的飞速发展。核酸经酶转化可得到5’-肌苷酸二钠（STMP）和5’-鸟苷酸二钠（5’-GMP），是强力助鲜剂，二者均为无色至白色结晶或白色结晶性粉末，可用于午餐肉、火腿、咸肉等腌制肉类，将二者用于混合味精，其鲜味比不加鲜味剂的味精高出40～100倍，而且风味更好。据专家预测，今后10年将是这种鲜味剂发展的黄金时期。
在食品中添加呈味核苷酸不仅能增强鲜味，而且能大大增强食品固有的味道，还能消除或抑制异味。呈味核苷酸用于某些风味食品如牛肉干、肉松、鱼干片中，能减少苦涩味；应用于酱类中，能改善生酱味；应用于制作肉类罐头中，能抑制淀粉味和铁锈味。我国在20世纪80年代中期，先后推出了添加呈味核苷酸的固态汤料、鱼干、调味料等，为呈味核苷酸的应用开辟了广阔的前景。20世纪90年代初，我国的一些大城市如北京、上海也开始研制核酸类保健品及调料。北京南方生物资源研究所开发的4种来福核酸调味品，即食品添加剂——美味素、美味增强剂、超级调料及生命素既是划时代创新的美味调料，也是新一代的保健食品。这些核酸类食品的研制成功标志着我国营养保健品从传统的补品和目前的氨基酸型、微量元素型及维生素型等单一型发展成为以核酸类物质为主体的全营养剂型，同时标志着调味品从单一谷氨酸钠型转变成核酸-核苷酸-氨基酸型的全剂型。核酸在食品领域可制成食物助鲜剂、营养添加剂等；在食品加工过程中，可以改善食品口味，使其具时尚风味，易于被人体吸收；在人体保健方面，可以增强和提高人体的免疫能力，并能促进皮肤蛋白质合成，从而达到美容保健的作用。核酸营养机制不是针对某一症状、某一疾病，而是通过使细胞活力增强提高机体各系统的自身功能和自我调节能力，来达到最佳综合状态和生理平衡，所以它具有广泛而稳定的营养、保健作用[28]。
（3）农业及环保
在农业生产上，核酸和核苷酸是制造天然细胞分裂素、激动素、玉米素等腺嘌呤衍生物的原料，适当使用能对农作物的生长、发育有很好的促进作用，是不可多得的生长素，能使农作物早熟、优质、增产。此外，核糖核酸及其降解物核苷酸的衍生物可以作为用于防治植物病菌的抗菌素，对植物起到了很好的效果。啤酒厂废酵母及废液生产农用核苷酸是目前农用核苷酸提取的主要途径。
在保护环境方面，核糖核酸及其降解物的衍生物作为抗菌素可用于防治植物病菌的农药，这类农药对人体无毒害，对环境无污染。在环境污染日趋严重的当今，对这类农药的开发与大规模的推广利用十分具有社会价值。
4.5.2 氨基酸类物质概述
4.5.2.1 氨基酸的结构性质
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，赋予蛋白质特定的分子结构形态，使它的分子具有生化活性。在蛋白质中发现的20种氨基酸都是α-氨基酸，含有连接于同一个碳原子的一个羧基和一个氨基，以及结构、大小和带电性不同的侧链（或称R基团）。根据R基团的极性可以将氨基酸进行分类：非极性氨基酸、极性不带电荷氨基酸、极性带正电荷氨基酸、极性带负电荷氨基酸。
氨基酸具有重要的光学性质。20种氨基酸在可见光区域均无光吸收，在远紫外区域均有光吸收，在近紫外区只有3种氨基酸具有光吸收能力：苯丙氨酸最大光吸收在259nm、酪氨酸在278nm、色氨酸在279nm。而一般蛋白质都含有这3种氨基酸残基，所以最大光吸收在大约280nm波长处，因此可以利用分光光度法简单测定蛋白质含量。另外氨基酸同时具有酸碱性质，为两性电解质。氨基酸的带电情况与环境中的pH值相关，通过调整环境中的pH值可以将氨基酸调整为净电荷为零的两性离子状态，此时的pH值为该溶液的等电点。位于等电点的氨基酸和蛋白质的溶解性会降低，容易析出，因此可以利用等电点法来提取纯化蛋白质。
4.5.2.2 氨基酸的功能及应用
众所周知，蛋白质是生命的物质基础，而氨基酸作为蛋白质的小分子组成成分，则是生命代谢的物质基础。在胃肠道中经过多种消化酶的作用，将高分子蛋白质分解为低分子的多肽或氨基酸后，在小肠内被吸收，沿着肝门静脉进入肝脏。一部分氨基酸在肝脏内进行分解或合成蛋白质；另一部分氨基酸继续随血液分布到各个组织器官，任其选用，合成各种特异性的组织蛋白质。人体内缺乏任何一种必需氨基酸，都会导致生理功能异常。充足的氨基酸能够增强人体免疫功能，加强营养吸收能力，且对于人体的肝脏、肾脏以及肠胃功能都会有良好的改善。多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。另外，它还在人体内参与构成酶、激素、部分维生素。
（1）医药行业
洛斯氮平衡理论的确立与人类发现在正常代谢组织蛋白中缺乏某一种即会导致整个有机体代谢紊乱的事实，使氨基酸成为维持人体营养和治疗很多疾病的医疗药物。医药是氨基酸相对用量不大但品种最多的一个部门。氨基酸在医药上主要用来制备复方氨基酸注射液，也用作治疗药物和合成多肽药物。目前世界上用作药物的氨基酸及氨基酸衍生物的品种达100多种，其中包括构成蛋白质的氨基酸20种和构成非蛋白质的氨基酸100多种。
由多种氨基酸组成的复方制剂在现代静脉营养输液以及“要素饮食”疗法中占有非常重要的地位，对维持危重病人的营养，抢救患者生命起积极作用，成为现代医疗中不可缺少的医药品种之一。
氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，直接参与生物体内的新陈代谢和其他生理活动，在医药方面可发挥营养剂、代谢改善剂、抗溃疡、防辐射、抗菌、治癌、催眠、镇痛以及为特殊病人配制人工合成膳食等作用。以氨基酸为原料的激素、抗菌素、酶抑制剂、抗癌药等生物活性多肽也不断出现，已在工业上生产的多肽有谷胱甘肽、促胃液素、催产素、促ACTH、降钙素等。谷氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、胱氨酸、L-多巴等氨基酸能够单独作用治疗一些疾病，主要用于治疗肝病、消化道疾病、脑病、心血管病、呼吸道疾病以及用于提高肌肉活力、儿科营养食物和解毒等。如氨基酸混合液可供病人注射用，氨基酸混合粉可作宇航员、飞行员的补品，精氨酸药物用于治疗由氮中毒造成的脑昏迷；丝氨酸药物用作疲劳恢复剂；蛋氨酸、半胱氨酸用于治疗脂肪肝；氨基酸衍生物作为治疗药用于临床目前相当活跃，无论在治疗肝性疾病、心血管疾病，还是溃疡病、神经系统疾病、消炎等方面都已广泛使用，用于治疗的氨基酸衍生物不下数百种。如4-羟基脯氨酸在治疗慢性肝炎、防止肝硬化方面很有效。N-乙酰-L-谷酰胺铝、二羟基铝-L-组氨酸、组氨酸-维生素u-蛋氨酸、N-乙酰色氨酸的铝、钛、铋均为抗溃疡病有效药物。N-二甲基氨基-乙基-N-乙酰谷氨酸能缓解疲劳、治疗抑郁症和脑血管障碍引起的运动失调。L-α-甲基-β-酪氨酸与胼基苯丙氨酸脱羟酶的合剂，D-3-巯基-2-甲基丙酰基-L-脯氨酸和利尿药合剂，都是很好的抗高血压药。精氨酸阿司匹林、赖氨酸阿司匹林，既保持了阿司匹林镇痛作用，又能降低副作用。N-乙酰半胱氨酸甲酯盐酸对支气管炎有很好的疗效。此外氨基酸衍生物在癌症治疗上出现了希望。
谷胱苷肽（由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸构成的三肽）具有参加肝细胞内的氧化还原反应及对SH酶的激活和提高Fe2+酶活性的作用，谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ-羧基与半胱氨酸的α-氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。它作为肝脏病与药物中毒的治疗药物，已经商品化。
（2）食品工业
人类应用的第一个氨基酸是谷氨酸的钠盐（味精），从1908年日本投入工业化生产到现在已有近百年历史。以后人们又发现甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸、脯氨酸、天冬氨酸也有调味功能，于是陆续将其应用在食品中。现有8种氨基酸被用作食品调味剂。植物蛋白的氨基酸不平衡影响其蛋白效价，因此在大米、面粉、高粱等粮食中添加氨基酸成为联合国粮农组织和世界卫生组织最关心的问题之一。添加氨基酸方法可使粮食的蛋白质利用率提高1～3倍，对解决世界13亿人口与粮食不足的矛盾将具有深远意义。
在谷物为主的食品中添加一定量的赖氨酸，可以提高蛋白质的吸收率和营养价值。一般谷物蛋白质中赖氨酸的含量为150mg/g蛋白质氮，而理想的标准值之比为150/340=0.44，距离理想值相差甚远，因此谷物食品若不补充赖氨酸，其营养价值和利用率较动物蛋白质要低得很多。尤其是儿童对蛋白质中赖氨酸的需求量要比成人高1.3～2.4倍。我国广西壮族自治区对112名儿童食品添加0.3%赖氨酸，半年后与对照组相比，平均身高增长1.26cm、体重增加0.51kg、血红蛋白增加1.05g。
氨基酸衍生物已广泛用作食品调味剂、添加剂和抗氧防腐剂，如6-氮色氨酸的甜度比蔗糖高1300倍，低热量的二肽甜味剂（L-天门冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯）比蔗糖甜150倍。我国研制的L-天门冬氨酰氨基丙二酸甲葑酯的甜度超过蔗糖（2～3）万倍。补钙食品——氨基酸螯合钙和天门冬氨酸钙已商品化。
（3）饲料业
世界上最大的氨基酸消费市场是饲料添加剂，氨基酸作为饲料添加剂，主要有4个方面的功效：a.促进动物生长发育；b.改善肉质，提高产奶、产蛋量；c.节省蛋白质饲料，使饲料得到充分利用；d.降低成本，提高饲料利用率。目前用于饲料添加剂的有蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸7种氨基酸。其中主要是蛋氨酸和赖氨酸，占饲料工业的95%以上，其功效主要是：促进动物生长发育；改善肉质，提高畜禽生产能力，增加产量；提高饲料利用率，节省蛋白质饲料；降低成本。如蛋氨酸主要用于鸡饲料，亦可用于猪、牛的混合饲料。赖氨酸具有增强畜禽食欲、提高抗病能力、促进外伤愈合的作用；其次是苏氨酸和色氨酸。
（4）化妆品工业
氨基酸及其衍生物容易被皮肤吸收，使老化和硬化的表皮恢复弹性，延缓皮肤衰老。在日用化工上的应用已有取代化工原料的趋势。氨基酸和高级脂肪酸制成的表面活性剂、抗菌剂已成为最高效的添加剂而被广泛使用。精氨酸或甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸的碳酸盐、聚天门冬氨酸或聚谷氨酸盐、胱氨基盐或半胱氨酸盐等制成的护发剂、染发剂、永久型烫发剂已成为时兴商品供应市场。添加丝氨酸、酰基谷氨酸钠或酰基-丙氨酸钠及月桂酰肌氨酸钠、焦谷氨酸、碱性氨基酸制成的护肤用品已被大众使用，人们已从各类商业广告宣传中了解到了氨基酸的各种功能。
（5）农业
农药对环境的污染已构成严重的社会问题，人们一致希望能有不会构成公害的农药问世。氨基酸农药即是无害农药，其具有易被微生物分解、无毒性、不污染环境、增强植物抗菌能力的特点。一些氨基酸在体外并无杀菌功能，但它们能干扰植物与病原菌之间的生化关系，使植物的代谢及抗病能力发生变化，从而达到杀菌的目的。使用这种功能的主要品种有杀虫剂、杀菌剂、除草剂、农药稳定剂、植物生长促进剂、脱叶剂等。例如苯丙氨酸和丙氨酸可用于治疗苹果疮痂病。美国一家公司用甘氨酸制成了除草剂，这类农药易被微生物分解，不易造成环境污染。
（6）其他
聚谷氨酸和聚丙氨酸正被研制成有良好保温和透气性能的人造皮革和高级人造纤维；半胱氨酸等正被开发成新的保护剂；亮氨酸、胱氨酸等正作为发酵工业中多种氨基酸生产菌的添加物而被开发应用；N-脂酰氨基酸作为抗噬菌体污染的优良抑制剂在发酵工业中被应用；在贵金属提取和电镀工业方面，已开发了天门冬氨酸、组氨酸、丝氨酸在熔金培养液中的应用，使熔金能力比对照组提高100～200倍；谷氨酸等用于电镀工业的电解溶液；胱氨酸用于铜矿探测；氨基酸烷基酯用于海上流油回收[29]。
4.5.3 核苷酸、氨基酸类物质的生产现状
4.5.3.1 核苷酸类物质生产现状
目前，虽然啤酒酵母产量很大，但是由于从啤酒发酵罐中回收的啤酒酵母中核糖核酸含量通常在4%～6%，商业上作为提取核糖核酸的原料，其核糖核酸的含量是不够的。所以，在工业生产上，我国生产核糖核酸和核苷酸的企业利用的酵母原料仍是经诱变得到的高核假丝酵母，并且要对该酵母进行多级扩大培养与处理才能达到规模生产的要求。我国的核糖核酸类产品大多依靠进口，并且价格昂贵，这些都严重影响了我国核酸类及相关行业的发展。
4.5.3.2 核苷酸类物质常见生产方法
从20世纪60年代日本最先开始进行核苷酸工业化生产以来，经过几十年的研究，已经有多种方法生产核苷酸及其衍生物。归纳起来核苷酸类物质生产主要有化学合成法、微生物发酵法、提取法、自溶法及RNA酶解法5种，这5种方法生产的工艺及产品均有很大的差别。工业上，发酵法和酶法的应用较为广泛，但是，如果想要同时获得组成RNA的各种核苷酸，则酶法水解RNA具有较大优势。酶解之后的核苷酸经过分离纯化得到单核苷酸纯品。
4.5.3.3 氨基酸类物质生产现状
据估计现在全世界氨基酸产量已不低于120万吨。其中作为调味品及食品添加剂的约占50%，饲料添加剂约30%，药用、保健、化妆品及其他用途的氨基酸约为20%，但世界市场总需求量至少为200万吨。由于氨基酸需求量大，价格贵，世界各大氨基酸生产国的厂商积极发展氨基酸生产技术，抢占世界市场，竞争十分激烈。
日本是氨基酸生产大国。目前，日本的世界市场占有率为35%，销售额占50%。日本除谷氨酸、赖氨酸和蛋氨酸外，小品种氨基酸占总产量的12%，大多数是氨基酸输液原料，控制着世界氨基酸输液原料的一大部分市场。欧美厂商一方面巩固和维持自己的传统市场，一方面积极研究开发新技术。法国Rhone-Poulene公司和德国Degussa公司在家畜补充饲料市场上占有最大份额的蛋氨酸市场，它们以化学合成法年产20万吨，近年开始从事发酵法生产氨基酸。
我国已成为氨基酸原料生产的大国。其中味精（谷氨酸）年产量120多万吨，产销量居世界第一位，胱氨酸和半胱氨酸产销量也居世界第一位，赖氨酸生产居世界前列。但我国氨基酸生产技术总体水平距国际先进水平较大，尤其表现在菌种产酸率低、生产效益差，高质量、高价值的氨基酸少。药用氨基酸发酵水平及生产技术还较低。许多氨基酸研制仅停留在实验室阶段，有的品种只停留在公斤级，与生产能力相比，我国氨基酸产品的市场可谓非常庞大。
4.5.3.4 氨基酸类物质常见生产方法
传统的氨基酸生产方法：世界氨基酸工业从1908年开始，先后开发了蛋白质水解抽提法、化学合成法、微生物发酵法和酶法等氨基酸生产方法，其中，蛋白质水解法是最传统的氨基酸生产方法。近年来，随着遗传学、生物化学和生物工程技术的发展，发酵法已成为目前生产氨基酸的主要方法。另外，还可以通过基因工程手段生产氨基酸，通过基因突变和重组选育的大批优良菌株，不仅提高了传统产品的产量，而且开发了新产品。应用DNA重组，基因定向诱变，可进行生产菌的定向育种，并能打破种种界限，集中不同菌株的优点，从而选育出高产、优质、易于自动化生产的基因工程菌。运用基因工程手段生产氨基酸将成为未来的趋势。
4.5.4 核苷酸、氨基酸类物质的生产工艺
4.5.4.1 基本工艺流程
啤酒废酵母→洗涤、过筛、分离→预处理→离心（4000r/min，10min）→酵母泥→配制成10%酵母悬浮液→提取→灭酶→冷却离心→上清除蛋白质→沉淀RNA→冷冻干燥→RNA干粉
4.5.4.2 关键技术
啤酒发酵后的酵母含有麦芽壳、酒花沉淀、蛋白质沉淀等物质，同时在酿造过程中，由于一些酒花及代谢产物的吸附，酵母呈淡咖啡色，带有苦味与令人不愉快的酵母味，因此酵母泥必须经过洗涤、脱杂、脱苦等处理。在啤酒废酵母应用于提取核糖核酸前，必须进行预处理，首先研究确定啤酒废酵母的预处理工艺路线[30，31]。
（1）灭菌与调配技术
基于废酵母本身极易腐败变质的特性，首先需要灭菌。针对不同应用目标对所需酵母细胞、pH值、营养和风味补充剂浓度等进行调配。
（2）脱苦、脱涩、脱臭技术
具有苦味的为酒花树脂和多酚物质。酒花树脂主要是α-酸和β-酸，性质活泼，易被氧化及还原。α-酸在水中的溶解度很低，在弱碱性溶液中生成异α-酸，苦味更加强烈；β-酸的氧化物也具有强烈的苦味。多酚物质易溶于热水、丙酮和稀酒精，其水溶液有苦涩味。酵母泥中残存的啤酒花苦味必须除去，否则会给最后产品带来苦味。去除苦味需对啤酒废酵母进行预处理，同时也可使细胞壁组织疏松，便于破壁提取。乙醇和NaHCO3对去除酵母苦味和异味有明显的效果。因NaHCO3用量少、成本低，可使啤酒花成分皂化，除去苦味。采用0.5%（质量分数）NaHCO3低速搅拌1.5h脱除啤酒废酵母的苦味。脱苦之后4000r/min离心10min得纯净的酵母泥。
（3）废酵母破壁方法
啤酒废酵母细胞的细胞壁较厚，结构十分坚硬牢固，很难破除，必须利用外力破坏细胞外围，使胞内物质释放出来，在破壁过程中应防止其变性或被细胞内的酶水解，因此，在研究核糖核酸等功效物质提取分离的工艺前，必须设计与优化一种理想的破壁方法[32]。从啤酒废酵母中提取核糖核酸是基于改变酵母细胞膜的通透性，使细胞内的核糖核酸释放出来。为了简化核糖核酸的后纯化工序，应尽量减少细胞内其他物质的渗出，因此就要控制酵母细胞壁的破坏程度，尽量不让酵母细胞完全破裂，只是改变酵母细胞壁的通透性[33]。
超声波破壁技术的工作原理是利用超声波的“空化作用”产生局部高温高压，并形成强大的冲击波，使细胞破碎。同时，高速射流可对细胞组织产生物理剪切力，使之变形、破裂并释放出内含物，这就大大加速了细胞破碎的过程，更加有利于核糖核酸的溶出。
高压脉冲电场（High-Voltage Pulsed Electrc Field，简称HPEF和PEF）杀菌技术是一项处于国际研究热点的非热加工高新技术。通过增加细胞膜通透性，减弱细胞膜强度，最终导致细胞膜被破坏，膜内细胞物质外流，膜外物质渗入。PEF适合几乎所有可以流动的物料的杀菌和加工处理，而且投资相对较少，运行费用较低，特别适合大规模工业化和连续化生产。
高压脉冲电场多用于杀菌、灭酶等领域。利用其作为破壁细胞的方法进行胞内物质提取是一个新突破，目前这方面的研究多限于实验室范围内对活酵母的破壁研究，提取工艺不完善[34]。
高压脉冲电场技术的机理是已经被广泛接受的“电穿孔”理论。“电穿孔”是指在电场脉冲作用下，在细胞膜脂双层上形成微孔，使细胞膜的通透性和膜电导率增大，细胞膜电位混乱，造成细胞新陈代谢紊乱，细胞的必需生长组分泄漏，最后导致细胞死亡。高压脉冲电场破壁方法具有耗能少、处理时间短、效率高、不易引起蛋白质和核酸变性的优点，因此成为回收细胞内物质的理想途径。韩玉珠、殷永光等应用高压脉冲电场处理啤酒酵母细胞，使其释放蛋白质及其分解产物氨基酸。结果表明：高压脉冲电场可以破壁啤酒酵母细胞并释放其中蛋白质与氨基酸，且在一定范围内随着处理温度增高、电场强度和脉冲数增加，啤酒酵母细胞的蛋白质和氨基酸溶出量增大。
高压脉冲电场法提取细胞内物质的优势在于：生产成本低廉（用水做提取介质）；预处理简单省时；处理过程中产生的热能少；可连续处理，处理批量大；后处理简单方便，胞内物质释放的同时不会产生细胞碎片，PEF处理后通过离心就可以很方便地去除细胞残余物，处理过程没有任何污染；比起化学提取法和酵母自溶法需要的时间短，又不会像机械破壁法使细胞结构完全破坏，可以更好地保持蛋白质和酶原有的生物活性，方便后续的处理。
自溶破壁是利用酵母菌本身含有的各种酶（各种蛋白酶、葡聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶等）的综合作用分解细胞壁。自溶一般分为诱导自溶和自然自溶。采用各种物理、化学或生物学方法处理引起微生物自溶，称为诱导自溶；非人为因素引起的自溶则为自然自溶。根据起主要作用的自溶酶类及自溶发生的主要部位的不同，又可将自溶过程分为外自溶型和内自溶型两种。在酵母自溶过程中导致生物大分子降解的酶类主要是蛋白酶、核酸酶和葡萄糖酶，在特定条件下这些酶原被激活与相应的底物作用，使细胞内的生物大分子降解，并在细胞内积累，当生物大分子被水解成能通过细胞壁的小分子时，水解产物则扩散进入胞外介质。随着自溶作用的进行，水解酶类也发生自身消化，水解活性随之下降，最后趋于零，此时自溶作用也随之结束。酵母细胞自溶就始于细胞膜，细胞壁成分基本不水解，自溶最后常剩下细胞外壳。
（4）分离纯化
经盐法和β-葡聚糖酶法得到的RNA提取液虽然经过了加热等方法除去了一些蛋白质，但是还有一定量的蛋白质存在，需进一步除去才能得到纯度较高的RNA。沉淀蛋白质的方法很多，如等电点沉淀、饱和硫酸铵沉淀和蛋白酶沉淀。在不同的蛋白沉淀方法中，以直接添加中性蛋白酶效果为最好，RNA的损失率最小，而且蛋白质降解的最多。
目前，我国工业用来分离与纯化氨基酸的常用方法有沉淀剂分离法、离子交换法、膜分离法、吸附法、萃取法等。
1）沉淀剂分离法 沉淀法分离氨基酸主要有特殊试剂沉淀法、等电点沉淀法和有机溶剂沉淀法。特殊试剂沉淀法是最早应用于混合氨基酸分离的方法之一。某些氨基酸可以与一些有机化合物或无机化合物结合，形成结晶性衍生物沉淀，达到与其他氨基酸分离的目的。等电点沉淀法是根据氨基酸的等电点不同，在等电点时，氨基酸分子的净电荷为零，有利于氨基酸分子的彼此吸引而形成结晶体沉淀下来。有机溶剂沉淀法是利用某种有机溶剂使需要提取的物质在溶液中的溶解度降低而形成沉淀。
该法具有简单、方便、经济和浓缩倍数高的优点，广泛应用于氨基酸工业提取中。目前较成熟的工艺有：苯甲醛缩合提取精氨酸；邻-二甲苯-4-磺酸沉淀提取亮氨酸；氯化汞沉淀提取组氨酸；从生产半胱氨酸的废母液中回收胱氨酸；用等电点沉淀法提取谷氨酸。
2）离子交换法 该法是利用离子交换树脂对不同的氨基酸吸附能力的差异对氨基酸混合物进行分组或实现单一成分的分离。离子交换法是氨基酸工业中应用最广泛的分离与纯化方法之一。氨基酸是一种两性电解质，在酸溶液中，氨基酸以阳离子状态存在，因而能被阳离子交换树脂交换吸附；在碱性溶液中，氨基酸能以阴离子的状态存在，因而能被阴离子交换树脂吸附。由于氨基酸的性质，如酸碱度、极性和相对分子量的大小彼此不同，离子交换树脂对各种氨基酸的交换吸附能力也不同。其一般的规律如下。
①强酸性或强碱性离子交换树脂，对H+或OH-的亲和力比较小，即使在较低或较高的pH值时，也不抑制其解离。强酸性阳离子交换树脂的游离酸型能交换吸附全部的氨基酸，氨基酸的等电点值越大，亲和力越大，交换吸附能力越强。当氨基酸溶液的pH值在中性氨基酸的等电点范围内时，强酸性阳离子交换树脂的游离酸型优先地交换吸附碱性氨基酸；强酸性阴离子交换树脂的盐型只吸附碱性氨基酸。
②强碱性阴离子交换树脂的游离碱型对等电点pH值大于10.0的精氨酸交换吸附能力弱；对等电点值小于10.0的氨基酸交换吸附能力较强，等电点值越小，交换吸附能力越强。当氨基酸溶液的pH值在中性氨基酸的等电点范围内时，强碱性阴离子交换树脂的游离碱型优先地交换吸附酸性氨基酸；强碱性阴离子交换树脂的盐型只交换吸附酸性氨基酸。
③弱酸性或弱碱性离子交换树脂，对H+或OH-的亲和力大，即使在微酸性或微碱性环境中，也会抑制其解离。因此一般用其盐型，但是，在特殊情况下，例如，酸碱中和时，则需用其游离酸型或碱型。
总之，根据氨基酸分子中既有氨基又有羟基的两性电离特性，根据分子中侧链基团（R）的性质和等电点的范围，调节氨基酸混合液的pH值，选择恰当的离子交换树脂，配合相应的交换基团，可以从混合氨基酸中分离出酸性、碱性和中性氨基酸。
3）膜过滤法 该法可以实现混合溶液的分离是因为在膜和溶液的界面处存在以下机理：由于亲水性等原因所引起的选择性透过；筛分效应——待分离物质分子的直径大于膜孔的直径，将被截留，反之则透过；电荷效应（Donnan效应）——若膜表面与待分离物质同种电荷，则会产生静电排斥作用，反之则会产生吸引作用。国外膜分离工艺已应用于乳制品工业，如采用反渗透浓缩乳清，使用超滤法从乳清中制备浓缩蛋白质，使用微米膜分离乳清中的蛋白质，去除脱脂乳中的细菌，使用纳滤膜去除乳清中的矿物质。近些年，学术界又开始研究膜过滤分离蛋白质、肽和氨基酸的可行性。在人体的新陈代谢过程中存在大量生物膜渗透现象，研究氨基酸的膜分离不仅可以找出有效的生物分离技术，而且有助于加深对这些新陈代谢过程的了解。
4）吸附法 该法是利用恰当的吸附剂，在一定的pH值条件下，使混合液中氨基酸被吸附剂吸附，然后再以适当的洗脱剂将吸附的氨基酸从吸附剂上解吸下来，达到浓缩和提纯的目的。常用的吸附剂有活性炭、高岭土、氧化铝、酸型白土等无机吸附剂。
吸附法一般具有以下优点：a.不用或少用有机溶剂；b.操作简便、安全，设备简单；c.吸附过程pH值变化小。
但是吸附法的选择性差，收率低，特别是一些无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大，尤其是活性炭影响环境卫生。所以吸附法曾有一段时间很少采用，几乎被其他方法所代替。但随着大孔网状聚合物吸附剂的合成和不断发展，吸附法又重新被人们重视。
5）萃取法 氨基酸的萃取分离方法主要有溶剂萃取法、反向微胶团萃取法、液膜萃取法。
①溶剂萃取法。溶剂萃取法是用一种溶剂将某种物质从另一种溶剂中提取出来的方法，这两种溶剂不能互溶或只部分互溶，能形成便于分裂的两相。溶剂萃取法可分为物理萃取和化学萃取，物理萃取法的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡规律。近些年来先后开发了化学萃取法分离提取氨基酸，其中有机胺类和磷酸应用最多。
②反向微胶团萃取法。反向微胶团是溶在有机溶剂中的表面活性剂自发形成的纳米级的一种聚体，表面活性剂的极性尾在外与非极性的有机溶剂接触，而极性头则排列在内形成极性核，极性核溶于水后形成了“水池”。当含有氨基酸的水溶液与反向微胶团的有机溶剂混合时，氨基酸以带电离子状态进入反向微胶团的“水池”内或微胶团球粒的界面分子膜内而被分离。国外关于反向微胶团萃取氨基酸的研究主要集中在萃取机理方面，而且主要是对于单一氨基酸。至今尚未有对于混合氨基酸分离的报道。
③液膜萃取法。液膜萃取是将第三种液体展成膜状以便隔开两个液相，利用液膜的选择透过性，使料液中的某些组分透过液膜进入接受液，然后将三者各自分开，从而实现料液组分的分离。萃取法是一种具有工业应用前景的分离提纯氨基酸的新方法。
4.5.4.3 制备核苷酸类物质的原理、方法和影响因素
（1）盐法提取
酵母细胞经高浓度盐溶液处理，可增大其细胞渗透压，并使酵母细胞失水质壁分离，在加热条件下改变细胞壁的通透性，使核酸从细胞内释放出来。同时盐还能破坏核蛋白中核酸与蛋白质之间的氢键，使核蛋白失稳解离，蛋白质变性形成沉淀，RNA形成钠盐而具有较高的溶解度。利用核酸不溶于乙醇的性质，使其从溶液中沉淀下来，离心收集核糖核酸。近年，盐法研究已有所进步，但RNA得率和纯度方面还有待进一步提高。
（2）酶法提取
鉴于酵母细胞壁中有大量的葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质成分，对支撑酵母细胞壁的结构起着十分重要的作用。因此，在破碎细胞壁时加入葡聚糖酶和中性蛋白酶，改变细胞壁通透性，使核酸从细胞内释放出来。利用其不溶于乙醇的特点，使其从溶液中沉淀，离心收集核糖核酸。
酶解法生产核苷酸时，不仅核酸酶水解能力的大小是影响核苷酸产率的主要因素，同时水解的效果对下一步的核苷酸分离也有影响。酶解的效果越好，得到的4种核苷酸越多，核苷酸纯度越高，后续的分离越容易，最后收率越大，生产成本越低。因此，通过对核酸水解工艺的研究，提高酶解的效率，有利于整个工艺水平的提高。我们采用了从麦芽根提取的磷酸二酯酶来水解从酵母中提取的核糖核酸，生产4种5’-核苷酸的混合物，通过对酶解工艺条件的研究，摸索出磷酸二酯酶水解核糖核酸的最优条件，得到高浓度的5’-核苷酸混合物。
（3）碱法提取
碱主要是影响构成酵母细胞壁的葡聚糖层，构成酵母细胞壁的葡聚糖有两层，一层是可以被碱水解的，另一层则不溶于碱。当利用碱溶液对酵母进行处理时，碱可以溶解掉酵母细胞壁中的碱可溶性葡聚糖层，同时溶解部分脂类，从而使酵母细胞壁的通透性变大，细胞内物质容易析出。葡聚糖层处于细胞壁的内层，紧邻细胞膜，对维持细胞结构起着关键的作用，葡聚糖的破坏，对细胞膜的透性影响最大，因此，碱法提取核糖核酸，可以使细胞内的核糖核酸及其他杂质更容易渗透出来。
RNA在酸或碱中不稳定，故若需获得未降解状态的RNA，应尽量避免使用酸或碱，该方法抽提的终点很难控制，但是该法的优点是成本低、耗能少。
4.5.4.4 制备氨基酸类物质的原理、方法和影响因素
（1）氨基酸复合液
1）盐法提取 取适量前处理好的酵母，放入烧杯中，加蒸馏水配成一定浓度的酵母悬浮液，加入一定量NaCl，用NaOH和HCl调pH值，在一定温度下自溶。自溶结束后升温到80℃灭酶20min，以中止反应。在5000r/min下离心分离，收集上清液，得到酵母蛋白水解液。
酵母细胞的自溶是由于在一定的条件下触动了能消化自身细胞结构的酶的分解作用，一般分为诱导自溶和自然自溶。在酵母自溶过程中，起主要作用的是蛋白酶、核酸酶和葡聚糖水解酶，其中最重要的是蛋白酶，因此蛋白质的酶促降解是酵母自溶过程中最重要的生化反应，是整个自溶作用的关键。
2）酶法水解提取 酶水解是通过酶制剂使蛋白质降解为多肽、游离氨基酸等。酶法水解克服了酸法、碱法的缺点，工艺条件温和，产品纯度高，而且由于蛋白酶具有水解专一性，可以有选择性水解某些特定的氨基酸肽键，避免了酸法、碱法对环境产生的污染[35，36]。
啤酒废酵母的细胞壁较厚，胞内酶的活性较低，单纯依靠酵母体内的酶系既不能使酵母细胞壁降解，也不能使细胞内的大分子物质充分降解，此时要外加酶来促进酵母自溶。取适量前处理好的酵母，放入烧杯中，加蒸馏水配成一定浓度的酵母悬浮液，加入一定量NaCl，用NaOH和HCl调pH值，加入一定量蛋白酶，在适宜温度下酶解。酶解结束后升温到80℃灭酶20min，中止反应。然后在5000r/min下离心分离，收集上清液，得到酵母蛋白酶解液[37]。
3）酸法水解提取 酸法水解通常温度较高，水解过程中会产生一些有毒有害物质，而且水解程度难以控制，所以活性肽含量较低[38，39]。
4）碱法提取 碱法水解虽然成本较低，但是水解程度也低，专一性差，属于一种不规则水解，水解过程中容易产生尿素，会使氨基酸脱氨而造成胱氨酸、半胱氨酸等氨基酸的损失，还会导致氨基酸消旋，营养成分损失等问题。
（2）谷胱甘肽
谷胱甘肽（GSH）是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的天然三肽，又称为还原型谷胱甘肽，广泛存在于生物体内，是重要的抗氧化剂，参与细胞内的多种反应，又是多种酶反应的辅酶，对生物分子上的巯基起保护作用。此外，还有防止脂质氧化、解毒、防止白内障发展和保护皮肤等作用，临床用于中毒性肝炎和感染性肝炎治疗，癌症辐射和化疗的保护，对于肺纤维化、肝癌、卵巢癌、艾滋病也是有益的联合用药。谷胱甘肽在食品、医药、化妆品等领域具有广泛的应用价值。啤酒发酵工业产生了大量的废酵母，价格低廉，可以充分利用这些资源来提取生产谷胱甘肽，提高啤酒废酵母的附加值。用啤酒废酵母提取谷胱甘肽的工艺流程为：
啤酒废酵母→洗涤、过筛→醋酸抽提→离心→分离纯化→成品
邱雁临等研究利用壳聚糖作为吸附剂，采用吸附层析的方法从啤酒废酵母中提谷胱甘肽，研究结果证明此方法可行。
（3）氨基酸
1）谷氨酸的分离纯化 谷氨酸的等电点为3.22，在水溶液中为两性电解质，它以GA+、GA±、GA-、GA=四种离子方式存在，绝大部分以偶极离子（GA±）状态存在，其分子内部正负电荷相等，并含有等量的带不同电荷的阳离子（GA+）和阴离子（GA=），因此溶液中总静电荷等于零。由于谷氨酸分子之间相互碰撞，再通过静电引力的作用，结合成较大的聚合体而被沉淀析出，所以处于等电点时GA的溶解度最小。由于温度对GA的溶解度影响很大，温度越低溶解度越小，生产上多采用0～4℃进行分离纯化。根据晶体的自范性、各向异性和均匀性可知，在谷氨酸结晶操作时，由于谷氨酸的溶解度与其他氨基酸的溶解度不同，使谷氨酸结晶而其他氨基酸留在溶液中；即使两者的溶解度相差不大，亦会由于晶格不同而彼此分离[40]。
将活性炭柱吸附苯丙氨酸和酪氨酸后的流出液减压浓缩，浓缩温度控制在60～70℃之间，浓缩体积为5～7倍。用6mol/L HCl溶液准确调浓缩液pH值3.22，于0℃冰箱中放置24h，析出谷氨酸晶体后，过滤，得谷氨酸粗品及母液。粗品加适量蒸馏水，加热至60～70℃，按粗品重1.5%加入活性炭脱色，搅拌，保温35min，趁热过滤，滤液于0℃冰箱中放置2d，间或搅拌，过滤，用无水乙醇洗涤，80℃以下干燥，即得成品，纸层析检查为单一斑点。
2）碱性氨基酸的分离纯化 随着现代科学对氨基酸研究的不断深入，碱性氨基酸在医药食品和饲料等领域获得广泛的应用。赖氨酸是人体及动物自身不能合成的一种必需氨基酸，可用于治疗营养缺乏症、发育不全及氮平衡失调症，同时还是重要的食品及饲料强化剂。精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制剂（明诺芬）是主治梅毒、病毒性黄疸等病的有效药物。组氨酸可用于生产治疗心脏病、贫血、风湿性关节炎和消化道溃疡等的重要药物，临床上应用越来越广。
我国碱性氨基酸工业生产技术与国外先进水平相比，在分离收率等方面差距较大，碱性氨基酸的分离方法主要有结晶沉淀法、有机溶剂抽提法、电渗析法和离子交换法等，国内外大多数厂家都采用离子交换法分离碱性氨基酸。
目前，用732强酸性阳离子交换树脂分离制备碱性氨基酸的报道较多。本实验将树脂处理成N
型，发现比传统的H+型树脂吸附及分离效果更好。研究结果表明，碱性氨基酸与中性氨基酸之间交叉部分较小，而且碱性氨基酸之间也获得了较好的分离。本方法既简化了提取工艺，又缩短了操作时问，大大提高了氨基酸的分离效果，这对从啤酒酵母中提取分离碱性氨基酸具有很好的指导意义。
3）苯丙氨酸和酪氨酸的分离纯化 苯丙氨酸与酪氨酸提取方法很多，主要有等电中和法、有机溶剂萃取法以及离子交换法等，但这些提取方法提取收率偏低，或设备投资高。根据活性炭对L-苯丙氨酸与L-酪氨酸的选择性吸附特性，利用活性炭吸附啤酒酵母提取液中的苯丙氨酸与酪氨酸，使之与别的氨基酸分离，然后分别用氨水、乙醇洗脱，再经浓缩结晶得到成品。该路线具有工艺简单，操作方便和收率高的优点。啤酒酵母提取液经活性炭吸附后，色素含量已很少，可更有效地进行下步的氨基酸分离。
蛋白质水解液常常含有很多深色化合物，这些化合物分子通常具有苯环结构，它们在活性炭上较易吸附，因而现常用活性炭来进行水解液的脱色处理。但在活性炭脱色过程中，不可避免地也吸附了一定量的苯丙氨酸与酪氨酸，有研究表明苯丙氨酸与酪氨酸在不同pH值溶液中活性炭上的吸附情况不同，pH值较低时，活性炭较易吸附色素，pH值较高时，较易吸附目标氨基酸。
4.5.5 废酵母生产核苷酸、氨基酸类物质的应用
啤酒酵母由于含有多种氨基酸、核酸、维生素、酶类和其他生物活性物质，因而在生物制药行业中具有广阔的开发前景。据说古埃及时代，人们就已经知道用陶瓷啤酒罐底部的沉淀物（啤酒酵母泥）来医治某些疾病。17世纪时，欧洲人发现啤酒酵母有强身健体的作用。20世纪下半叶，科学家们对啤酒酵母进行了广泛的研究，取得了惊人的成果。我国对啤酒废酵母的回收利用起步于20世纪80年代，最初仅限于少量的回收，简单的加工，其用途多集中在饲料业及酵母制剂的生产。随着科学技术的进步和对啤酒酵母研究的深入，人们才逐渐认识到啤酒废酵母的真正价值及其开发利用的前景。
4.5.5.1 食品工业
利用废酵母可以生产富含多种氨基酸、多肽、呈味核苷酸、维生素、多种微量元素的调味品，产品不仅滋味鲜美，而且营养丰富，是当今市场较流行的集调味、营养功能于一体的天然食品。利用啤酒废酵母生产营养酱油，其方法有两种：一种是利用废酵母自溶液和豆粕按一定比例发酵而成；另一种是将废酵母自溶液和不同鲜味剂调配而成[4]。在啤酒酵母泥中添加一定的双歧因子可发酵生产双歧酵母保健食品。最近较多利用啤酒废酵母泥生产营养果醋，发酵酸奶饮料，生产营养蛋白粉等[41～45]。
利用啤酒废酵母水解制得酵母抽提物来生产酱油、调味料、酸奶和蛋白粉等营养保健食品，是优化资源利用、保护环境、提高企业综合效益的有效途径之一[46～48]。
啤酒废酵母菌体含有丰富的蛋白质，是获取天然氨基酸调味料的最佳资源[49]。废酵母蛋白质经降解后的产物是肌苷酸和鸟苷酸的复合物，可作为鲜味蛋白质广泛应用于肉类、水产品、酱油等食品工业，对改善产品风味，提高产品质量，降低生产成本等方面起到积极的作用[50]。日本朝日啤酒公司利用废酵母开发出了新的发酵型调味料HA，这是一种独特的调味剂，本身有发酵香气成分，能掩盖植物蛋白及鱼肉的不良味道，诱导出食品原料本身的风味，提高调味效果，可广泛用于浸渍食品、鱼类食品的制作[51]。
日本札幌啤酒公司两年前开发出了一款减肥食品——啤酒干酵母食品。他们将啤酒干酵母与酸牛奶混合起来做成一种减肥食品，不仅能美容而且能瘦身，一举两得。这种减肥食品受到爱美女性的青睐，十分畅销。
4.5.5.2 医药行业
啤酒酵母由于含有多种氨基酸、核酸、维生素、酶类和其他生物活性物质，因而在生物制药行业中具有广阔的开发前景[52]。啤酒废酵母含有丰富的核糖核酸（RNA），主要分布在细胞质内，经过提取纯化的RNA及其降解产物核苷酸，目前主要用于药用干酵母、核酸及其衍生物、果糖二磷酸钠、谷胱甘肽、辅酶A、B族维生素等产品的生产和开发[53，54]。
有资料报道，啤酒废酵母经过深加工可提取超氧化物歧化酶，这种酶制剂广泛应用于食品、医药、化妆品行业。这种酶以前仅能从动物血液中提取，成本高，质量不稳定，当科技人员研究出从废酵母中提取这种酶制剂的工艺技术后，便使生产成本大幅度下降，且品质更有保证。
一些科学家正致力于从啤酒废酵母中提取多肽及寡肽，这两种化学物质能调节人体植物神经，有活化细胞免疫功能、改善心血管机能、延缓衰老的作用。发酵法是生产谷胱甘肽最具潜力的方法，而啤酒发酵工业产生了大量的废酵母，价格十分低廉，若能利用这些资源来生产谷胱甘肽，就有可能大幅度降低生产成本[55]。
日本麒麟啤酒公司的酵母事业开发部，成功研制出了以啤酒酵母细胞壁为主要成分的新型食品、药品涂敷剂。所谓涂敷剂就是在某些食品或药片外表面，涂上一层薄膜状的外衣，形似药片的糖衣。它是食品或药品重要的保护层，不仅具有铝箔一样的阻氧、防潮、防粉状化的性能，还有增加强度使外表光洁鲜艳的作用；同时，它还有防止内容物香味逸散的良好效果。由于它无黏附性，所以外涂后的食品或药品相互间不会产生黏结；再者，由于它是以啤酒酵母为原料加工制成的，水溶性好，无毒副作用，故人们可放心食用。
4.5.5.3 饲料业
我国是一个饲料缺乏大国，尤其是高蛋白精饲料严重缺乏，每年花大量外汇从国外进口鱼粉和饲料酵母。利用啤酒酵母生产饲养原理是以啤酒糟为主要原料，采用曲霉和酵母混合发酵技术，使微生物体内的各种酶系协同作用。首先是曲霉将啤酒糟中禽畜不易消化吸收的成分转化成单糖和各种氨基酸，然后酵母菌利用以上的糖类和氨基酸合成营养价值高、适口性好的蛋白饲料。从而大幅度提高啤酒糟的蛋白质含量，降低粗纤维含量，改善了啤酒糟的品质，增加了饲料的利用率和消化率。用啤酒发酵废渣加工饲料技术已经非常成熟，而该方法需要将啤酒发酵废渣液进行脱水，用干废渣加工饲料，脱水后排出的废液也含有大量的有机物，仍然会造成严重的污染；而且饲料产品附加值低，大多啤酒厂免费提供给加工企业，没有对发酵废渣液进行有效的回用。
将酵母泥、糖化废麦糟、过酒后的废硅藻土分别进行压滤、干燥，再加入制麦所得废麦根进行混合粉碎。可制得颗粒混合饲料，产品广泛适用于饲料业。
4.5.5.4 其他
利用微生物菌体吸附水中重金属的方法，由于其价廉、节能和去除率高等优点而成为废水处理的研究热点[56～68]。啤酒酵母外侧有两层细胞壁，内侧还有细胞荚膜，其主要官能团包括—OH、—SH、—NH、—OP、C=O、P=O、S=O等，这些多糖中的氮、羧基、硫醇、醇、磷酸及其衍生物等与金属离子通过静电吸附、离子交换、络合和氧化还原等生化反应过程，使溶液中的金属离子被吸附[69，70]。目前，利用啤酒废酵母渣液生物吸附处理污水的方法尚处于实验室阶段，没有工业化的应用[71，72]。
β-羟基丁酸酯是一种具有生物降解性、生物相溶性等多种独特优点的新型高分子功能材料，它在医药、电子、农业生产、包装材料等领域应用广泛。以前由微生物合成，产品成本高，无法大规模生产，以致β-羟基丁酸酯供不应求。最新科研成果表明，用废酵母自溶液来制取β-羟基丁酸酯，不仅能大大降低成本，而且能规模化生产，可满足市场的需求。
日本札幌啤酒公司在2002年推出了以啤酒酵母为主要基料的美容剂，该产品在日本国内40多家美容化妆品商店有售，还有150多家美容厅在使用，颇受女性消费者的喜爱。
超氧化物歧化酶（SOD）是一种含有铜、锌、铁、锰的新型金属酶，1938年由Mann和Keilin首次从牛红细胞中分离出一种蓝色铜蛋白（最初定名为血铜蛋白Hemocuprein），而在1969年由Mccord和Fridovich发现其能够催化超氧阴离子自由基发生歧化反应而命名。SOD在生物体中普遍存在，是一种重要的氧自由基清除剂，该酶作用于底物超氧阴离子（O2），将其分解成O2和H2O2，H2O2再经过氧化物酶与过氧化氢酶的催化变成H2O，从而解除了超氧阴离子对生物体细胞的损伤，发挥着有效的清除作用和生理效用。因此，它对机体的防护和抗衰老、抗炎症、抗肿瘤、抗自身免疫疾病、抗辐射、抗休克、抗氧中毒等均有积极的作用，已受到国内外医药界和生物化学界的高度重视，同时它还被越来越多地应用于食品及化妆品添加剂等领域。如在化妆品市场上，像大宝、霞飞、奥琪、隆力琪等品牌都冠之为SOD面蜜。在食品领域，目前已面市的有SOD啤酒、SOD蛋黄酱、牛奶、可溶性咖啡、奶糖、酸牛奶等保健食品。可见，SOD具有广阔的应用前景[73]。
目前，国内SOD基本上是以动物血为原料制备，典型的制备工艺是先经溶血，再采用热变和有机溶剂处理提取，最后用柱层析纯化。这种方法的缺点是易受原料来源、产率、产品质量不稳定及安全性等方面的限制，而用微生物为原料制取SOD，具有原料便宜易得，可以规模化生产的优点。近年来，国外利用微生物发酵生产SOD的相关报道很多，其中发酵法生产SOD是一条经济可行的途径。国内对微生物SOD的研究主要集中于微生物细胞中SOD的含量、酯的活性测定及其提取方法等方面。研究表明，酵母细胞中含有较多的SOD，可作为生产SOD的材料来源之一，且具有繁殖快、代谢时间短、产率高、易培养、易大规模工业化生产、不受季节与自然条件的限制等优点[74]。
以酵母菌为例，因为SOD属于胞内酶，在提取SOD前必须对细胞进行破壁处理，通常采用的方法有细胞自溶法、酶法、甲苯法、异丙醇法和氯仿-乙醇法。在细胞破壁之后，要经过离心、盐析、透析、离子交换层析2～3次和凝胶层析等工艺，得到精制的SOD。国内西北大学化工学院的杨明琰等利用酿酒酵母CNU94经发酵培养后，离心收集菌体，将菌体用甲苯法破壁得到粗酶液，调节pH值，除杂蛋白，丙酮二次沉淀后，用DE-AE-32纤维素柱层析梯度洗脱，得到纯化的SOD，其比活为3500U/mg，收率为58.3%。PAGE电泳后的活性染色显示，酵母超氧化物歧化酶具有4条明显的同工酶。沈阳药科大学的苏昕用已筛选出的一株Y12酵母菌，对其在优化培养条件下发酵培养得到湿菌体，破壁抽提得SOD粗酶液，采用硫铵盐析、丙酮沉淀、Sephadex G100凝胶过滤和QAE-SephadexA-50离子交换柱层析，分离得到酵母SOD并测定其部分酶学性质。但是针对啤酒废酵母，必须先进行预处理，将回收的啤酒废酵母泥用2～3倍的无菌冷水洗涤，用80～100目的不锈钢孔板筛过滤，除去酒花树脂等杂质[75]。离心分离后，再用无菌冷水清洗1～2次，直到所有上层清液无色无味，酵母呈现纯白色为止。然后将处理过的酵母泥加入萃取剂进行破壁处理，离心后得到酵母SOD的粗酶液。然后经过除杂蛋白、有机溶剂沉淀、离子交换柱层析等工艺得到外观带淡蓝绿色的精品SOD[76]。