新鲜马铃薯渣的高效利用*

2012-01-12吴海燕钟振声盖春慧

食品与发酵工业 2012年1期

吴海燕，钟振声，盖春慧

(华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640)

马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中产生的一种主要成分，是水、细胞碎片和残余淀粉颗粒的副产物。鲜薯渣含水量高达90%，不宜储存、运输，由于生产季节集中在夏秋季节，气温较高，大量的薯渣堆积，若不及时处理，几天内即腐败产生恶臭，造成环境污染［1］。若烘干处理，能耗非常高。因此，采用最经济的方法处理薯渣，消除环境污染，同时使之产生一定的经济效益，对于马铃薯淀粉厂来说是亟待解决的重要课题。

对于薯渣的利用，国内外学者做了多方面的尝试，其中包括用薯渣来生产酶、乙醇、饲料、提取果胶、制作醋、酱油、白酒，制备膳食纤维等。在上述利用途径中，只利用薯渣的部分物质，这不但是对资源的浪费，降低经济效益，而且不能消除污染。

本文将马铃薯渣进行双酶解法液化降解和糖化处理，使分子质量相对低的碳水化合物进入溶液状态，分子质量相对高的碳水化合物保持固体状态，通过简单的过滤把两者分离。液态物质再经过发酵转化为含量较高的膳食蛋白，固态物质通过分离和改性成为具有营养价值的膳食纤维。经过上述处理，可以将马铃薯渣中的生物质基本利用完毕，增加马铃薯加工产业的经济效益，减除薯渣对环境造成污染的压力。

1 材料和方法

1.1 材料

新鲜马铃薯渣，来自吉林四平现代天丰公司马铃薯淀粉厂，在线取样，固体含量7% ～11%。耐高温α-淀粉酶和糖化酶，诺维信公司工业品。无水乙醇、乙腈、3，5-二硝基水杨酸、无水亚硫酸钠等，均为分析纯试剂。热带假丝酵母、异常汉逊酵母、黄曲酶、绿色木酶，冻干种，广东微生物研究所购买。

1.2 主要设备及仪器

TGL-16gR冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂;pHS-25型精密pH计，上海精科仪器厂;85－2型恒温磁力搅拌装置，上海闵行虹浦仪器厂;SW-CJ-1D型单人净化工作台，苏州净化设备有限公司;Rapid N cube杜玛斯定氮仪，德国elementar公司;SPX-1505-Ⅱ生化培养箱，上海新苗医疗器械制造有限公司;Scient2-10N冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司;U3010紫外-可见分光光度计，日本HITACHI公司;高效液相色谱，美国Waters。

1.3 测定方法

水分、灰分、还原糖、淀粉、蛋白质、膳食纤维、脂肪的测定，参照相关的中华人民共和国国家标准规定的方法进行测定［2～8］。

1.3.1 膳食纤维持水力测定

称取0.100 0 g纤维样品加入适量蒸馏水，在25℃下搅拌24 h，悬浮液在4 000 r/min条件下离心20 min，将上清液倒出，甩干。吸水率计算［9］:

1.3.2 膳食纤维持油力测定

称取0.100 0 g纤维样品加入适量花生油，在25℃下搅拌24 h，转移至离心管，在4 000 r/min条件下离心20 min，取出，将上清液倒出，甩干，称重。吸油率计算［9］:

1.3.3 单细胞蛋白氨基酸检测分析

美国Waters高效液相色谱，PICO.TAG氨基酸分析柱，38℃，检测波长254 nm，流速1 mL/min。

1.4 试验方法

1.4.1 工艺流程

1.4.2 双酶法制备发酵基础培养基和膳食纤维

取新鲜马铃薯渣，加水统一调整到固体含量6%～7%。调整 pH=5～6，按0.1%比例加入 α-淀粉酶，在105℃喷射液化。降温到56℃，按照0.5%(W/W)的比例加入糖化酶，反应到DE值不再升高为终点。用150目纱布抽滤，分别收集液体和固体做下一步处理。

1.4.3 蛋白发酵试验

用1.4.2制备的溶液做培养液，调初始pH=4，28～30℃，接菌种，摇床转速250 r/min下培养若干时间。通过改变底物浓度、培养时间、接种量等单因素实验，确定适宜的发酵工艺参数。

1.4.3 纤维后处理

取1.4.2步骤处理后得到的固体样品20 g(干基计)，加水200 mL，调 pH=10，加5%H2O2溶液9mL，在70℃漂白3 h，干燥，粉碎得产品。

2 结果和讨论

2.1 新鲜马铃薯渣主要成分测定值

经本课题研究实验测定，新鲜马铃薯渣的平均组分比例见表1。

表1 新鲜马铃薯渣的主要组成成分平均值

测定结果表明，在鲜马铃薯渣中可利用的碳水化合物占干基总量的95.87%，生物质类型高度集中，方便作为碳源循环利用。脂肪只有0.42%，即使全部进入产物中对产物的营养用途基本上不产生影响，无需特别处理。灰分以可溶性无机盐的形式存在，可以用离子交换等简单工艺予以去除。

2.2 双酶法制备发酵基础培养液和膳食纤维的试验结果

作为马铃薯渣制备膳食蛋白的基础，本试验先采用通用的双酶水解法将马铃薯渣中部分碳水化合物降解为糖类化合物。不溶性的膳食纤维与糖类化合物分别处于固态和液态，使用简单的过滤工艺便可实现两者分离，分别加以利用。试验结果归纳于表2。

表2 双酶水解法处理鲜马铃薯渣的结果

马铃薯渣干物质中的75.3%转化为发酵基础培养液，其中主要是糖类物质，还有部分的可溶性膳食纤维、果胶、半纤维素、无机盐等。由于采用150目纱布过滤，一部分蛋白和细微的纤维以悬浮液或乳液的形态进入培养液内。薯渣中19.8%的干物资以膳食纤维的形式得到回收。以上2项加起来达到95.1%，马铃薯渣里面的固型物基本都得到回收利用。

2.3 蛋白发酵菌种的筛选

用1.4.2制备的溶液做培养液，分别接入热带假丝酵母、异常汉逊酵母、绿色木酶，在初始pH值为4、温度28℃、摇床转速250 r/min、时间为72 h的条件下，通过摇瓶培养产生单细胞蛋白，分别测定菌种的蛋白产率。结果见表3。

表3 不同菌种的蛋白产率

实验结果表明，热带假丝酵母产率最高，以下试验中均采用该酵母。

2.4 蛋白培育的条件优化

用1.4.2制备的溶液做培养液，调初始pH=4，28～30℃，接热带假丝酵母菌种，摇床转速250r/min下培养。通过改变底物浓度、培养时间、接种量等单因素实验，确定适宜的发酵工艺参数。结果分别见图1、图2 和表4。

图1 糖液浓度与蛋白产量的关系

图2 菌种接入量对蛋白产量的影响

从图1可见，糖液浓度对蛋白产量影响很大。起始浓度过低时培养一次单细胞蛋白(SCP)后的糖液不可再被利用，为使所制糖液能充分利用，不使剩余糖液中的糖含量过多，应使用高浓度糖液培养，以达到循环利用的目的。在本试验条件下，采取OD值为6 mg/mL的糖液浓度作为一个培养蛋白的起始浓度是合适的。

由图2可见，蛋白产量基本与接入酵母的量成正比。在实际工作中考虑到工作量的问题，采取接入5环是适合的，由此得到的蛋白产量0.3050SCP/g也较高。

表4 培养时间对酵母产量的影响

实验结果表明，时间延长则蛋白产量升高，但超过72 h酵母产量反而降低。有可能是酵母发酵时间过长时会生成乙醇等副产物，降低蛋白的产量。故采用发酵时间72 h为佳。

2.5 蛋白质氨基酸检测分析结果

本实验得到的蛋白样品经6 mol/L HCl在110℃下水解24 h后用HPLC进行氨基酸成分分析，结果见表5。

表5 单细胞蛋白的氨基酸组分分析结果

表5结果表明本试验制备的蛋白主要是由17种氨基酸组成，含量最高的是谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸。其中极性氨基酸有天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、赖氨酸、组氨酸、半胱氨酸和精氨酸，总含量为18.74 g/100 g;其他的为非极性氨基酸，总含量为18.57 g/100 g。样品中蛋白质总含量为12.65 g/100 g，即氨基酸含量为37.31%。经本实验从马铃薯渣中产生的蛋白质营养价值比较高。

2.6 膳食纤维的后处理及性能

1.4.2 中抽滤后收集的固体主要是脱除淀粉、蛋白、水溶性多糖的膳食纤维。经过双氧水漂白、干燥和粉碎后得到产品，提取率为26.6%。分别测定其主要成分、白度、持水性、膨胀力和持油力，所得数据见表6和表7。

表6 膳食纤维产物主要组分 %

表7 膳食纤维产物的部分性能

经过1.4.2处理步骤之后，马铃薯渣中的多糖，半纤维素、蛋白质、淀粉、果胶等物质已经被淀粉酶和糖化酶有效降解进入培养液中，过滤后分离得到的非水溶性纤维达到比较高的纯度。膳食纤维的含量超过86%(干基计算)，白度达到23.5。

持水性、膨胀力和持油力是评价不溶性膳食纤维生理性能的重要指标。从表7数据可以看出，经过本实验工艺流程得到的膳食纤维的显著特点是持水力特别强，达到9.06 g/g。其吸水性远远超过谷类、豆类加工的副产品(小麦皮6.4～6.6 g/g(干重);燕麦麸5.5 g/g(干重);大豆粕4.1 g/g(干重)。)，持水性完全能满足食品制造商的基本要求(2.0 g/g(干重))。植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和果胶等，在本工艺流程中经过两种酶的处理，使细胞壁发生不同程度的改变，如软化、膨胀和崩溃等，从而可改变细胞壁的通透性，有利于提高其持水性。