甘薯残渣纤维素酶解工艺研究

王树宁，冯龙斐，黄滢洁 梁新红，郭炎朋，李文豪

（河南科技学院食品学院，河南 新乡 453003）

甘薯渣为甘薯淀粉加工过程中产生的废渣，约占鲜薯的10%～14%[1]，湿薯渣或被作为废物丢弃，或直接作为饲料利用，不仅造成环境污染，而且造成生物质资源的浪费。薯渣主要成分为淀粉和纤维素，而纤维素含量占薯渣干重的40%左右，其中不溶性膳食纤维达36.26%[2]，因此开发利用甘薯渣生物质资源特别是纤维资源利用已成为甘薯加工工业急需解决的问题。

甘薯渣的开发利用已有报道，王贤等[3]和Watanabe 等[4]采用α-淀粉酶和糖化酶对甘薯渣进行同步糖化生产酒精，但两种酶仅对甘薯渣中残留的淀粉进行了分解，纤维素物质并没有很好的利用；董向艳等[5]应用β-葡聚糖酶和多聚半乳糖醛酸酶酶解甘薯废渣制备复合寡糖，但薯渣中纤维素未能充分水解；刘玉婷等[6]以甘薯废渣为原料生产乳酸，鼠李糖乳杆菌也仅仅是利用了薯渣中的淀粉。目前，对甘薯渣中纤维素的应用未见报道。

纤维素酶是降解纤维素生成可发酵性还原糖重要的酶[7-9]，但纤维质原料中木质纤维素致密的结构使其直接利用效率极低，纤维素酶解前需对其进行预处理[10-13]。梁新红等对甘薯渣预处理进行了研究，首先对甘薯渣进行了去除淀粉的研究[14]，然后对其进行果胶提取[15]，提取果胶后的甘薯残渣中主要含有纤维素、半纤维素等，并且此部分纤维质经过高温的作用，纤维素结晶度降低，木质素和半纤维素结合层被破坏，如果能将甘薯渣开发成生产可发酵糖的新原料，不仅能增加薯类加工的附加值、丰富可发酵糖的原料来源，而且有利于保护自然生态环境。

本研究以提取果胶后的甘薯残渣为原料，对其纤维素酶酶解条件进行研究，通过单因素试验和正交试验进行纤维素酶水解甘薯渣工艺条件。研究对甘薯进一步精深加工，增加其附加值具有理论及实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

甘薯：商薯19，河南科技学院甘薯试验田；甘薯渣：提取了淀粉酶，分离了淀粉，除去渣中淀粉，提取果胶后的残渣。本研究中的甘薯渣以干基计。

1.1.2 试剂

纤维素酶（50 000 U/g）：杰诺生物酶有限公司；盐酸：洛阳昊华化学试剂有限公司；氢氧化钠：天津市德恩化学试剂有限公司；葡萄糖、酒石酸钾钠：天津市光复科技发展有限公司；3，5-二硝基水杨酸：国药集团化学试剂有限公司；苯酚：郑州派尼化学试剂有限公司；亚硫酸盐：天津市光复精细化工研究所。

1.2 试验方法

1.2.1 甘薯渣制备工艺流程

新鲜甘薯→洗净→粉碎→淀粉分离→滤渣→去除淀粉→果胶提取→甘薯残渣

1.2.2 甘薯渣制备

具体去除淀粉及果胶提取步骤参考文献[14]和[15]。

1.2.3 甘薯残渣纤维素酶酶解方法

准确称取甘薯残渣1 g 于250 mL 三角瓶中，按要求加入一定量的水，调节pH 值，加入纤维素酶，在一定的温度下恒温培养，测定酶解液中还原糖量。纤维素转化率公式如下。

1.2.4 单因素试验方法

1）固液比的确定：甘薯残渣醪液pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃下恒温培养18 h 的条件下，考察固液比为 1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35（g/mL）时，对酶解反应的影响。

2）温度的确定：甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在恒温下培养 18 h 的条件下，考察温度为 40、45、50、55、60 ℃时，对酶解反应的影响。

3）pH 值的确定：甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒温下培养18 h的条件下，考察 pH 值为 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 时，对酶解反应的影响。

4）时间的确定：甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒温培养的条件下，考察时间为 0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 h 时，对酶解反应的影响。

1.2.5 正交试验设计

对纤维素酶水解甘薯渣的工艺参数进行优化，在单因素试验基础上，对其进行正交试验，因素、水平设置如表1。

表1 正交试验因素试验设计Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 测定方法

还原糖的测定：采用3，5-二硝基水杨酸法（3，5-dinitrosalicylic acid method，DNS method）即 DNS 法[16]。

1.4 数据处理

每组试验重复3 次，以平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 固液比对酶解反应的影响

甘薯残渣醪液pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣。在50 ℃下恒温培养18 h，考察固液比对酶解反应的影响，结果见图1。

由图1 可知，固液比对酶解反应影响显著。当固液比值由 1∶15（g/mL）增至 1∶25（g/mL）时，纤维素转化率逐渐增加，固液比为1∶25（g/mL）时纤维素转化率达到最大值（4.53±0.11）%。随着加水量的增加，纤维素转化率下降，固液比为1∶35（g/mL）时纤维素转化率降至（1.15±0.11）%，因此确定最佳固液比为 1∶25（g/mL）。

图1 固液比对酶解反应的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on enzymatic hydrolysis

2.2 温度对酶解反应的影响

甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在恒温下培养18 h，考察酶解温度对纤维素转化率的影响，结果如图2 所示。

图2 温度对酶解反应的影响Fig.2 Effect of temperature on enzymatic hydrolysis

由图2 可知，当温度由40 ℃升至50 ℃，纤维素转化率随温度上升而逐渐升高，50 ℃达到最大值（4.58±0.11）%。当温度继续升高，纤维素转化率呈下降趋势，温度升至60 ℃时，纤维素转化率下降到（2.06±0.13）%。这可能是因为升高温度能够提高反应体系的活化能，但太高的温度又会使酶钝化或失活，因此，纤维素酶的酶解最适温度选择为50 ℃。

2.3 pH值对酶解反应的影响

甘薯残渣固液比1∶25（g/mL），纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在 50 ℃恒温下培养 18 h，考察 pH 值对酶解反应的影响，结果如图3 所示。

图3 pH 值对酶解反应的影响Fig.3 Effect of pH on enzymatic hydrolysis

由图3可知，当 pH 值为 4.0～5.0 时，纤维素转化率随着pH 值的增加而逐渐升高，当pH 值为5.0 时，纤维素转化率达到最大值（4.48±0.14）%；继续增加醪液pH 值，当pH 值大于5.0 后纤维素转化率呈下降趋势，当 pH 值为6.0 时，纤维素转化率下降到（0.85±0.10）%。因此，确定pH 5.0 为酶解反应的最适pH 值。

2.4 时间对酶解反应的影响

甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纤维素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒温下培养，考察酶解时间对酶解反应的影响，结果见图4。

图4 时间对酶解反应的影响Fig.4 Effect of time on enzymatic hydrolysis

由图4 可知，随着酶解时间的延长，纤维素转化率显著增加；当酶解14 h 时，纤维素转化率达到最大值（4.50±0.12）%；随着酶解时间继续增加，纤维素转化率变化不显著。确定14 h 为酶解时间。

2.5 加酶量对酶解反应的影响

甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，在50 ℃恒温下培养14 h，考察加酶量对酶解反应的影响，结果如图5 所示。

图5 加酶量对酶解反应的影响Fig.5 Effect of enzyme addition on enzymatic hydrolysis

由图5 可知，当加酶量为0～50 U/g 时，随着加酶量的增加，纤维素转化率由（2.07±0.13）%上升到（4.52±0.15）%；随着加酶量的继续增加，纤维素转化率增加不显著。因此，选择最适加酶量50 U/g。

2.6 正交试验结果与分析

选用L9（34）对纤维素酶水解甘薯残渣的工艺参数进行优化，正交试验结果及分析见表2。

表2 正交试验结果分析（n=3）Table 2 Analysis of orthogonal experiment results（n=3）

由表2 可知，各因素对纤维素酶解反应影响的先后次序为B＞D＞C＞A，即酶解温度对酶解反应影响最大，其次依次是酶解pH 值、加酶量和酶解时间。正交试验得出纤维素酶水解甘薯渣最佳工艺条件为A3B2C2D2，即酶解最终时间16 h，酶解温度50 ℃，加酶量50 U/g，酶解pH 5.0。对正交试验结果进行方差分析，结果如表3。

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal experiment results

由表3 正交试验结果的方差分析可知，对纤维素酶解反应的影响因素中，酶解时间为显著因素，酶解温度、酶解pH 值、加酶量均为极显著因素，表明这4个因素对纤维素酶解反应均有较大影响。

按照最佳工艺参数对甘薯残渣进行酶解试验，结果表明纤维素转化率为（4.52±0.14）%，纤维素转化率较高，与正交试验优化结果相符。

3 结论

以提取了淀粉酶，分离了淀粉，除去渣中淀粉，提取果胶后的残渣为原料，对甘薯残渣的纤维素酶解工艺进行研究，甘薯残渣纤维素酶解最佳工艺为：甘薯残渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纤维素酶加入量50 U/g 甘薯渣。在50 ℃下恒温培养16 h。由正交试验结果的方差分析可知，对纤维素酶解反应的影响因素中，加酶量和酶解时间均为极显著因素。