马铃薯渣酸水解工艺条件的研究

李昆鹏，马建忠，王玉丽，王永刚

（兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050）

马铃薯渣酸水解工艺条件的研究

李昆鹏，马建忠*，王玉丽，王永刚

（兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050）

针对马铃薯渣中不溶性的碳水化合物，采用硫酸热水解法使其中的淀粉、纤维素、半纤维素等成分在以硫酸做催化剂的条件下水解成还原性糖。在酸浓度、酸固比、水解时间、水解温度四个单因素实验基础上，采用正交实验设计优化工艺条件。结果表明，在酸浓度为32%，酸固比为3∶1，水解时间为1h，水解温度为90℃下，1g马铃薯渣经水解上清液中总还原糖重量最高为0.5213g。

马铃薯渣，酸水解，工艺条件，总还原糖

虽然我国是世界上最大的马铃薯种植国，但马铃薯加工业的综合利用率却很低，除了食用和饲用，马铃薯产量的将近一半都用于马铃薯淀粉加工业。马铃薯渣是在马铃薯淀粉生产过程中产生的工业废渣。马铃薯渣主要含有水、细胞碎片、残余淀粉颗粒和薯皮细胞或细胞结合物。其化学成分包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、游离氨基酸、寡肽、多肽和灰分，其中干基中残留淀粉含量高达37%，纤维素含量为17%，半纤维素含量为14%[1]。F.Mayer和J.O.Hillebrandt通过培养基筛选，发现薯渣中的自带菌共15类33种菌种，其中28种细菌、4种霉菌和1种酵母菌[2]。大量的马铃薯渣长期露天堆砌，由于自生微生物作用而腐败变质造成极大的浪费。目前被利用的马铃薯渣多直接用做饲料喂猪，由于马铃薯渣蛋白含量低，因而饲料品质低，近年来，相继有用马铃薯渣做培养基用于固体发酵的报道，但其利用率还是不太理想。本文旨在了解硫酸水解马铃薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素等有效成分生成还原糖的影响因素以及这些因素的优化，以期为工业发酵过程和基因工程菌的大规模发酵提供优质廉价的碳源，尽可能地降低工业化大规模发酵的成本，提高马铃薯渣的工业附加值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯渣 取自甘肃兴达淀粉工业有限责任公司，将新鲜的马铃薯渣于90℃烘箱烘干，粉碎过40目筛，粉碎后的马铃薯渣置于干燥箱中备用；98%浓硫酸、浓盐酸、3，5-二硝基水杨酸（DNS）、酒石酸钾钠、结晶酚等 均为分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；葡萄糖标准品 购于天津市百世化工有限公司。

电子天平（0.001g） 赛多利斯；HH-S数显恒温水浴锅 江苏省金坛市医疗仪器厂；万用电炉 北京科伟永兴仪器有限公司；Cary50分光光度计 瓦里安；PHS-3D雷磁pH计 上海精密科学仪器有限公司；TG16-WS高速台式离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 葡萄糖标准曲线制作 参照DNS法准确配制1mg/mL标准葡萄糖溶液和3，5-二硝基水杨酸试剂。将葡萄糖置于4℃备用。3，5-二硝基水杨酸试剂置于棕色试剂瓶常温放置一周后备用。按DNS法加入各试剂，水浴后定容，在540nm波长下测定吸光度值，并以吸光度值为纵坐标，葡萄糖浓度为横坐标，制作标准曲线。得到标准曲线回归方程为Y=13.61555X-0.01321，R2=0.99836。

1.2.2 总还原糖的计算方法 精确吸取2mL定容过的水解液于25mL比色管中，加入1.5mL DNS摇匀，在沸水浴中加热5min，取出后立即冷却至室温，再以蒸馏水定容至25mL，混匀后取2mL于试管中，加入10mL蒸馏水做测定样。水解后上清中总还原糖浓度测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法[3]进行测定。在540nm波长下，用以蒸馏水代替上清水解液的0号管调零，读取其吸光度值。在葡萄糖标准曲线上换算成其浓度C（mg/mL），则1g马铃薯渣经水解上清液中总还原糖重量计算如下：

1.2.3 马铃薯渣的水解及上清中总还原糖的测定准确称取1g干马铃薯渣放入50mL小烧杯中，加入4mL水搅拌成糊状，控制影响马铃薯渣水解的酸浓度、酸固比、水解时间、水解温度，用封口膜封住烧杯以防水解过程中水过度蒸发。水解完成后用6mol/L NaOH调pH7.0，6000r/min离心两次，合并上清于100mL三角瓶中，然后将上清收集于100mL容量瓶中。用蒸馏水定容至刻度，混匀，测定上清液中还原糖重量。

1.2.3.1 酸浓度对马铃薯渣水解上清总还原糖重量的影响 分别向马铃薯糊状液中加入体积分数为0%、3%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的硫酸5mL（酸固比为5∶1），于100℃水浴锅中水浴2h。测定上清中还原糖浓度，计算其上清中还原糖的重量。

1.2.3.2 酸固比对马铃薯渣水解上清总还原糖重量的影响 分别向马铃薯糊状液中加入酸固比为1∶1、3∶1、5∶1、8∶1、10∶1的30%硫酸溶液，于100℃水浴锅中水浴2h。测定上清中还原糖浓度，计算水解上清液中总还原糖的重量。

1.2.3.3 水解时间对马铃薯渣水解上清总还原糖重量的影响 分别向马铃薯糊状液中加入体积比为30%的硫酸溶液3mL（酸固比为3∶1），分别于100℃水浴锅中水浴0.5、1、1.5、2、2.5、3h。测定上清中还原糖浓度，并计算其水解上清液中总还原糖的重量。

1.2.3.4 水解温度对马铃薯渣水解上清总还原糖重量的影响 分别向马铃薯糊状液中加入体积比为30%的硫酸溶液3mL（酸固比为3∶1），使其在50、60、70、80、90、100℃水浴锅中水浴1.0h。测定上清中还原糖浓度，计算其水解上清液中总还原糖的重量。

2 结果与分析

2.1 单因素对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的影响

2.1.1 酸浓度对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的影响 由图1可知，硫酸浓度在20%～30%时，马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量最高。硫酸浓度在30%以前，随酸浓度增加马铃薯渣上清液中总还原糖重量迅速提高，且随酸浓度增加到达水解终点的时间逐渐缩短。但在30%酸浓度后，随酸浓度增加上清液中总还原糖重量反而下降。这是因为随酸浓度增加样品碳化现象更严重。且在工业生产中高浓度的硫酸浓度会提高原料费用和对设备造成很大的腐蚀，在酸浓度为30%时马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量最高。

图1 酸浓度对马铃薯渣上清液中总还原糖重量的影响

2.1.2 酸固比对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的影响 由图2可知，酸固比在3∶1时马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量最高，随酸固比的增大，其水解上清液中总还原糖重量有所增加，但随着酸固比的增大，硫酸引起的碳化作用也越来越明显，所以当酸固比超过3∶1时，其水解上清液中总还原糖重量反而有所下降。

图2 酸固比对马铃薯渣上清液中总还原糖重量的影响

2.1.3 水解时间对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的影响 从图3可知，随水解时间的延长，马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量呈上升的趋势。水解时间在1h前，其水解上清液中总还原糖重量随水解时间变化显著，1h后其水解上清液中总还原糖重量虽随水解时间上升变化不显著。从工业生产节能角度考虑，应选择1h作为最适宜的水解时间。

图3 水解时间对马铃薯渣上清液中总还原糖重量的影响

2.1.4 水解温度对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的影响 从图4可以看出，90℃时马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量最高，90℃前随温度升高其总还原糖重量提高，但当温度超过90℃其总还原糖重量持平甚至有下降的趋势。一方面，马铃薯渣水解反应是吸热反应，提高温度有利于提高硫酸分子与马铃薯渣分子的碰撞频率，加快反应速率；另一方面，高温也使体系中得到的还原糖碳化现象加快。

图4 温度对马铃薯渣上清液中总还原糖重量的影响

2.2 正交实验确定马铃薯渣最佳水解条件

在单因素实验结果基础上，以酸浓度、酸固比、水解时间、水解温度四个因素，选取L9（34）正交实验，以确定马铃薯渣水解的最优工艺条件。正交实验因素水平如表1，结果见表2。

表1 正交实验因素水平表

表2 正交实验结果分析表

由表2得知，影响马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量的四因素最优组合为A3B2C2D3，即当硫酸浓度为32%，酸固比为3∶1，水解时间为60min，水解温度为100℃时，其水解上清液中总还原糖重量最高。四因素对马铃薯渣水解上清总还原糖重量影响的主次顺序为B＞C＞A＞D，即酸固比对马铃薯渣水解上清液中总还原糖重量影响最大，而温度对其水解上清液中总还原糖重量影响最小。从工业生产中能耗的角度考虑，选择90℃作为水解温度较合适。

3 结论与讨论

经过正交实验确定了马铃薯渣硫酸水解的最优工艺条件为：硫酸浓度为32%，酸固比为3∶1，水解时间为1h，水解温度为90℃。以此最佳工艺条件水解马铃薯渣，得出马铃薯渣最高水解上清液中总还原糖重量为0.5213g。

目前，关于马铃薯渣综合利用的报道很多，一方面是马铃薯渣中残留的有用物质的提取，其工艺路线复杂，成本高，产量也较低；另一方面是以马铃薯渣为主要固体培养基，配以辅料接种酵母或霉菌进行固体发酵，提高菌体蛋白含量的研究。这种工艺生产成本低能耗低，但染菌几率高，发酵过程不好控制，且容易产生毒素。由于马铃薯渣的蛋白质含量较低、粗纤维含量较高、营养物质缺乏，且微生物发酵可直接利用的糖源较少。因此，本文旨在摸索马铃薯渣硫酸水解条件使马铃薯渣的中的淀粉、纤维素和半纤维素等有效成分水解成还原性糖，为高产基因工程菌的发酵罐高密度液体发酵提供其主要的优质而廉价的碳源的研究奠定基础，该工艺可以在很大程度上提高马铃薯渣的利用率，增加其工业附加值。

[1]Frank mayer.Potato pulp:properties，physical modification and applications[J].Ploymerdegradationandstability，1998，59:231-235.

[2]F Mayer，J O Hillebrandt.Potato pulp:microbiological characterization，physical modification，and application of this agricultural waste product[J].Appl Microbiol Biotechnol，1997，48:435-440.

[3]王秀奇，秦淑媛，高天慧，等.基础生物化学实验[M].北京:高等教育出版社，2006:139-142.

Study on technology conditions of acid hydrolysis of potato dregs

LI Kun-peng,MA Jian-zhong*,WANG Yu-li,WANG Yong-gang

（School of Life Science and Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，China）

The technology conditions of sulfuric acid hydrolysis of the insoluble carbohydrates in potato dregs were investigated.Effects of four single factors，acid concentration，acid to solid ratio，hydrolysis time and hydrolysis temperature were analyzed and then optimized according to orthogonal tests.The results showed that the highest yield of the total reducing sugar reached 0.5213g per gram dregs at 32%of the acid concentration，3∶1 of the acid to solid ratio，1h of the hydrolysis time，and 90℃ of the hydrolysis temperature，respectively.

potato dregs； acid hydrolysis； technological conditions； the total reducing sugar

TS209

B

1002-0306（2011）10-0305-03

2010－11－09 * 通讯联系人

李昆鹏（1983-），男，硕士，研究方向：生物化学与分子生物学。

兰州理工大学博士启动基金（SB08200603）。