马铃薯淀粉加工的副产物及资源化利用现状

张煜欣，刘慧燕，方海田*，李海峰，马江涛，谢玉芬，周会宁

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.宁夏食品微生物应用技术与安全控制重点实验室，宁夏银川 750021；3.宁夏工业学校，宁夏银川 753000）

马铃薯含有丰富的淀粉，淀粉产品广泛应用于各个领域。但是，随着马铃薯淀粉加工企业数量和规模的不断扩增，马铃薯淀粉加工中产生的副产物如薯渣、废水等也越来越多。因副产物中含有大量的糖类、蛋白质、纤维素等有机营养物质，直接排放不仅会对环境造成污染，还会造成资源的浪费。如何减轻环境污染且有效利用资源，实现环境效益双赢，研究开发简便高效的废水处理方法和资源化利用方法意义重大。本文介绍了马铃薯淀粉的特性、用途、加工过程中副产物的来源，对目前马铃薯淀粉加工副产物处理方法及资源化利用现状进行了综述。

1 马铃薯淀粉的特性及生产工艺

1.1 马铃薯淀粉的特性及应用

淀粉是一种高分子聚合物，由多个葡萄糖聚合而成，是植物贮存能量的一种形式。马铃薯淀粉是植物淀粉的一种，因其具有独特的性质而区别于其他植物淀粉，被广泛应用于医药、纺织、食品、化工等多个领域。马铃薯淀粉中含有大量的直链淀粉和支链淀粉，其中直链淀粉占17%左右，支链淀粉占80%左右[3-4]。直链淀粉和支链淀粉性质不同，表现也存在很大差异。直链淀粉经熬煮不易成糊，冷却后呈凝胶体，其大分子结构上，葡萄糖分子排列整齐。支链淀粉易成糊，粘性较大，但冷却后不能呈凝胶体，且葡萄糖分子排列不整齐。支链淀粉赋予了马铃薯淀粉较高的黏性，而直链淀粉与马铃薯淀粉中含有的0.06%～0.08%磷酸存在酯化作用[5]，加上马铃薯中的磷酸基电荷间相互排斥，增加了马铃薯淀粉的膨胀性[6]。马铃薯淀粉糊化温度相较于其他植物淀粉要低，平均糊化温度仅需要56，且糊化后透明度高[3]。马铃薯淀粉的这些特性使其被广泛应于各个领域并起着重要的作用。

马铃薯淀粉应用在食品工业上，能增加糖果的黏弹性，增加面条的弹性和韧性，减少肉制品在烹调过程中的水分损失，延缓面包的保质期，防止面包变硬等。应用于造纸业，可改善纸质性能和质量。在纺织业上，马铃薯淀粉可作经纱上浆剂、印染浆料和加工辅料。马铃薯本身具有药用价值，将马铃薯淀粉应用于医药行业，可作糖衣、药品辅料。应用于化工行业，添加到聚氨酯塑料中起填充、交联作用，增加塑料的强度、硬度和抗磨性[3]。

1.2 马铃薯淀粉生产的周期性

根据马铃薯的栽培条件和自然生长条件，按照南北气候和生活习惯的差异，我国马铃薯在南方和北方的播种及采收时间均不同，但我国马铃薯的最大种植区集中在北方，这里主要以北方马铃薯的播种和采收时间为主。北方地区于4 月末5 月初播种马铃薯，8 月末9 月上旬采收。由于马铃薯储存会造成淀粉和营养物质等的流失，因此马铃薯淀粉加工企业生产时间基本在当年的9 月至次年的3 月，考虑到成本和其他因素的影响，这样阶段性的生产不利于马铃薯淀粉加工废水及薯渣的阶段性处理，因此，马铃薯淀粉加工企业一般会建设配套的污水处理站，将本阶段生产的废水、薯渣存放在一起集中处理。处于当年的9 月至次年的3 月，天气基本转凉，生产厂区相对温度低，因此，马铃薯淀粉加工废水、薯渣处理时的温度基本在-5～20。

1.3 马铃薯淀粉的加工工艺

1.3.1 加工工艺

马铃薯淀粉加工工艺为洗涤→磨碎→筛分→流槽去杂→淀粉清洗回收→脱水干燥→马铃薯淀粉。

1.3.2 主要工艺介绍

（1）洗涤

洗涤是去除马铃薯表面的泥沙。这一过程会产生大量的废水，这部分废水含有大量的泥沙，通常可在生产过程中增添少许设备，经简单的沉淀处理后便可循环使用。

（2）磨碎

将清洗干净的马铃薯送入磨碎机磨碎，可得到马铃薯糊。

（3）筛分

得到的马铃薯糊采用离心筛分的方法将薯渣与淀粉乳分离，得到的薯渣可作为饲料，筛分的淀粉乳进一步清洗分离。

（4）去杂

将上一步筛分的淀粉乳先在流槽内分离蛋白质等杂质，此过程中得到的废水主要来自马铃薯自身的含水量，即细胞液，该废水中的蛋白质含量较高，不能循环使用。

（5）淀粉回收

在清洗槽内对淀粉进行清洗回收。从流槽中分出带有淀粉的黄浆水送入流槽回收淀粉，再经清洗槽得到次淀粉，此生产过程中对水质的要求高，在淀粉清洗提取时会产生大量的废水，也称为工艺废水。该废水中主要含有淀粉、蛋白质等有机物，COD（化学需氧量）、BOD（生物需氧量）浓度非常高。

（6）干燥

通过上述渠道得到的淀粉含水量较高，通过干燥后得到所需淀粉。

2 马铃薯淀粉加工的副产物及资源化利用

2.1 马铃薯淀粉加工的副产物

废水是马铃薯淀粉加工的主要副产物，它主要来源于马铃薯清洗自身的细胞液以及淀粉的提取清洗等过程。废水当中含有大量的悬浮物、淀粉、蛋白质和纤维素等有机物，是一种高浓度的有机废水，无毒无害，但废水中的COD 值一般在10 000 mg/mL 以上，如果将废水直接排放，不仅会造成资源浪费，还会对环境造成很大影响。薯渣中含有大量的蛋白质、果胶、纤维素等营养物质，含水量高且难以运输和储存，直接作为饲料饲喂效果不是很好。可以通过合适的方法对副产物中的蛋白质等营养物质进行提取，有效利用。副产物中的营养物质是微生物生长发育很好的养料，利用微生物对废水、薯渣进行发酵，可大幅度降低废水中有机物含量，将副产物变废为宝，转化成可利用资源应用于农业灌溉或者其他领域。

2.2 薯渣处理及其资源化利用现状

薯渣是马铃薯淀粉加工的又一副产物。薯渣营养丰富，对其加以发酵或理化方法处理能实现高值化利用。目前对于薯渣的处理主要以发酵为主，理化法提取有益物质为辅。利用不同微生物对薯渣进行发酵，不仅能将薯渣降解且能制备成各种资源如动物饲料、沼气、酒精等加以利用；其中的蛋白质、果胶、纤维素等有益物质也可通过理化法得以提取。霉菌、酵母菌、细菌等微生物具有较强的降解能力，能够将马铃薯渣中的淀粉和纤维素降解为简单的糖类[7]，并且能够对有机物进行转化利用，从而使薯渣转变成可利用资源。牛嘉[8]利用“短小芽孢杆菌+产朊假丝酵母+黑曲霉+绿色木霉+哈茨木霉+康氏木霉”菌剂对马铃薯渣进行发酵，144 h 后发酵液中的COD 去除了66%。

2.2.1 制作饲料

薯渣含水量高、适口性差、不易储存，因此直接饲用价值较低，但发酵后的马铃薯渣作为饲料却具有很好的饲喂效果。王君[9]研究表明，发酵后的薯渣中蛋白质和必需氨基酸含量大幅度提高，粗纤维含量降低，龙葵素含量减少。用作饲料，不仅能提高动物的日增重，降低料重比和生产成本，还能改善动物瘤胃内环境，提升肉品质。

2.2.2 制作沼气

以薯渣为原料制备沼气尤为可行。付博锐等[10]以薯渣为原料，替换牛粪制备沼气，稳定后的发酵体系平均日产气量达10.39 L，COD 去除率为50%～55%。杨丽英等[11]将马铃薯渣作为底物，建立两相厌氧系统，实现了氢气和甲烷的同步回收，且两相厌氧系统相较于单相厌氧系统来说，提高了能量的回收率。

2.2.3 制备酒精

薯渣可以用来制备酒精，一般采用糖化法发酵制成。杨敏等[12]以薯渣为原料，料水比为1:3.5、接种0.4%的酵母、初始pH 为4.5、添加160 U/g 糖化酶、10 U/g 的-淀粉酶和纤维素酶，在32下进行发酵，酒精度达8%vol以上。

2.2.4 提取生物活性物质

薯渣中含有较丰富的蛋白质、果胶、纤维素等，通过酶解法、碱解法等理化法可从中提取出来加以利用。姚琦等[13]利用联合酶解法从马铃薯渣中提取膳食纤维，在最佳的提取条件下得到的膳食纤维高达76.92%。张世仙等[14]用碱解法从薯渣中提取水溶性蛋白，当NaOH 浓度为0.6%、固液比1:17 时，65提取50 min 可得粗蛋白40%。薯渣中含有丰富的果胶，其含量最高可达30%，是生产商品果胶的优良原料[15]，一般可用沉淀、酸碱、微波等方法提取。张燕等[16]用微波辅助法从薯渣中提取果胶，发现当料液比为1:24 时，加入405 滋L 饱和硫酸铝，微波加热15 min 时，果胶提取率达到13.79%。

2.2.5 制备高吸水性树脂

李继萍等[17]研究表明，以薯渣为原料制备成高吸水性树脂可吸附重金属离子，如Pb2+，且当Pb2+含量增加时，树脂对Pb2+的吸收量也会随之增加。

2.2.6 制备液体地膜及土壤保水剂

包鸿慧等[18]以薯渣作为基料，加以各种功能制剂，制备成多功能可降解液体地膜，地膜的应用不但改良了土壤环境，还可较好地进行生物降解。尤美云等[19]以薯渣和水为原料合成羧甲基马铃薯渣，作为土壤保水剂，在最佳比例下形成的产品干燥15 h 后，保水率仍能保持在68%而不再下降。

2.3 废水处理方法及资源化利用现状

马铃薯淀粉加工副产物中有大量废水，为减少对环境的污染，必须对废水进行处理。目前对马铃薯淀粉加工废水处理的方法有化学法、物理法、生物法及综合处理法，其中生物处理法多样且应用最广，相较于其他处理方法效果好且成本低。

2.3.1 废水处理方法

（1）化学处理

化学处理方法主要以催化氧化法和化学絮凝剂处理为主。利用高级催化氧化法处理马铃薯淀粉加工废水能够使废水处理效率得以提高。董志龙等[20]研究高级催化氧化法处理马铃薯淀粉加工废水，能够使废水达标排放。以锅炉煤渣为载体加入多种活性组分复合组成高效催化剂，在常温常压下将H2O2快速分解形成大量的HO·自由基，提高了反应速度和反应效果。其反应最优条件为H2O2投加量650 mg/L，反应时间100 min，pH 为4。此条件不仅能降低费用，还能使马铃薯淀粉废水得以快速处理。采用絮凝法处理马铃薯淀粉加工废水效果较好。谭啸[21]采用自制的季铵型阳离子淀粉处理马铃薯淀粉加工废水，研究发现，当以6:1 的比例将阳离子淀粉与氯化钙混合时，得到的絮凝效果最好，并将絮凝条件加以优化，混凝剂投加量为800 mg/L、pH 为5、搅拌7 min 时，COD去除率可达65.8%。

（2）生物处理

生物处理法主要是利用微生物发酵处理、单独的厌氧或好氧处理、以及厌氧好氧综合处理的方法来处理马铃薯淀粉加工废水。厌氧微生物处理方法是利用厌氧微生物在马铃薯淀粉加工废水中分解代谢有机物的一种处理方法，在处理过程中不仅能降解废水中的有机物，还能产出可利用的甲烷气体，回收后可作燃烧能源。目前常用的厌氧处理方法有升流式厌氧污泥床、厌氧填料床、垂直折流厌氧污泥床等[22]。好氧处理法是利用好氧微生物处理马铃薯淀粉加工废水，对其中的有机物进行分解利用从而达到处理废水的目的，目前常用的好氧处理方法有接触氧化法、生物氧化塘法、SBR（序批式活性污泥法）等[22]。采用厌氧好氧综合方式对马铃薯淀粉加工废水处理不仅效果好且成本低。李东伟等[23]研究表明，采用UASB-SBR（升流式厌氧污泥—序批式活性污泥法）相结合的工艺处理马铃薯淀粉加工废水，能够有效地去除淀粉废水中的有机污染物和悬浮物，同时还能获得较高的植物蛋白回收率。毛海亮等[24]以UASB-SBR 工艺处理淀粉废水。通过UASB 处理工艺将废水中大部分有机物降解，再利用SBR 工艺进一步降解废水中残余的有机物，使得最终出水COD 小于100 mg/L。此处理工艺不仅效果好，而且运行成本低。

利用微生物对马铃薯淀粉废水进行发酵处理从而使废水得以有效处理。廖立钦等[25]研究发现2%的青霉菌与3%拟内孢霉酵母菌混合，接入50 mL 马铃薯淀粉加工废水中，25培养6 d，COD 去除率达62.38%，且接种量与COD 去除率有相关性。

（3）物理处理

物理处理方法一般以吸附剂吸附和膜技术分离为主。采用吸附法处理马铃薯淀粉加工废水虽能有效降低废水COD，但对总糖处理效果不理想。徐腾[26]采用凹凸棒土作为吸附剂，当投加量为8 g，pH 为5，温度为10条件下，吸附20 min 发现对马铃薯淀粉加工废水COD 和蛋白质有较好的处理效果，对于总糖的处理效果较差。利用膜技术分离马铃薯淀粉加工废水可使废水中悬浮物及有机物被有效分离实现达标排放的目的。王应平等[27]在马铃薯淀粉废水经前期絮凝沉淀的基础上，运用超滤膜分离与反渗透相结合的膜集成技术进行深度处理，在25、压力0.15 MPa 条件下运行，超滤膜对COD 的去除率为15%～25%，对SS（悬浮物）的去除率>99%；超滤出水经反渗透膜处理后，COD 可降低至86 mg/L，去除率逸98.8%，处理后的废水水质达到淀粉工业水污染物排放标准的要求，可实现达标排放。

（4）综合处理

综合处理方法是将生物处理方法和物理或者化学处理方法相结合来处理废水，以达到降低COD、回收蛋白的目的。孙红娟等[28]在淀粉厂原有的厌氧好氧-絮凝沉淀组合工艺的基础上进行改进，将工艺改成气浮-絮凝-厌氧好氧组合来处理马铃薯淀粉加工废水，处理后的废水COD 去除率可达97.67%，BOD5去除率达到98.97%，处理后的水可达标排放，此工艺不仅能降低废水COD，还能去除废水悬浮物，回收植物蛋白，具有良好的经济效益。

2.3.2 废水资源化利用现状

马铃薯淀粉废水营养丰富，是很好的培养微生物的养料，目前对废水主要处理方法是将废水作为培养基培养功能性微生物或是通过发酵生产絮凝剂、肥料、油脂、普鲁兰多糖等产品。除此之外，还可利用废水生产可回收性蛋白。

（1）生产絮凝剂

利用废水发酵微生物生产的絮凝剂，相较于化学絮凝剂具有絮凝成本低、处理效果好、工艺简单等优点。张宝茸[29]研究表明，利用马铃薯淀粉废水培养从污泥当中提取出的根霉M9 和M17 产生的复合型微生物絮凝剂，对高岭土悬液的絮凝率达到了92.67%，提高了絮凝率，并且培养微生物之后的废水COD 去除率达到93.60%，处理后的废水可与净水混合后作为灌溉用水。颜东方等[30]发现假丝酵母能够在马铃薯淀粉加工废水中良好生长，在不灭菌的废水中，按照10%接种量接种假丝酵母，28、摇床转速为150 r/min 条件下发酵48 h，发酵液对高岭土悬浊液的絮凝率可达94.6%，原废水COD 去除率达到93.7%。熊星滢[31]将分离得到黑曲霉A18 按照10%接种量接种于不灭菌的废水中发酵30 h。投加量为2 mL/L 发酵液对高岭土悬浊液的絮凝率可达93.4%，原废水COD 去除率达到90.33%。

（2）制做肥料

淀粉废水可通过厌氧处理制备肥料。王双龙[32]将甘薯淀粉加工废水在室温条件下经厌氧折流板工艺（ABR）处理，得到的水可以替代化肥作为一种绿色有机肥而应用于蔬菜的种植。当ABR 出水为200 mL 时，能够显著增加蔬菜的产量和质量；且ABR 出水处理的土壤也具有较低的氮淋湿风险和较低的N2O 排放通量。宁夏科技部门通过3 年的研究发现，在控制氮肥、增加磷肥、不施钾肥的基础上，使用马铃薯淀粉加工废水进行灌溉，可以使土壤孔隙度和肥力增加，从而改良土壤理化性质，并且使农作物增产超过25%[33]。

（3）培养解淀粉芽孢杆菌

马铃薯淀粉废水在合适的条件下可培养解淀粉芽孢杆菌。关晓欢[34]研究发现，在马铃薯淀粉废水中只添加基础培养基，按5%的接种量将种子液接入废水培养基中，调节初始pH 为7.0～7.5，摇瓶机转速200 r/min，在36下培养24 h，得到解淀粉芽孢杆菌活菌数可达到2.2109CFU/mL。

（4）生产微生物油脂

淀粉废水中的有机物能够被某些菌株吸收利用用于生长繁殖，生产微生物油脂，是低成本获得生物柴油的重要途径[35]。钟娜等[36]在淀粉废水中将粘红酵母多次驯化，其耐受淀粉废水COD 高达75 000 mg/L，利用流式细胞仪筛选得到一株粘红酵母，其油脂含量为25.7%。发酵培养后，粘红酵母生物量达25.3 g/L，菌体油脂含量为29.5%，废水COD 由初始的75 000 mg/L 降至5 600 mg/L，降解率为92.5%。

（5）生产普鲁兰多糖

普鲁兰多糖是一种由出芽短梗霉发酵产生的类似葡聚糖、黄原胶的胞外水溶性黏质多糖。因其具有良好成膜、成纤维、阻气、粘接、易加工、无毒等特性，已广泛应用于医药、食品、化工和石油等领域[35]。陈洁等[37]研究表明，出芽短梗霉在不同COD 浓度的淀粉废水生长不受影响，废水中有机物浓度随处理时间增长而降低，COD 去除程度随废水浓度升高而增大，而且普鲁兰多糖的量随废水浓度升高而增加。用出芽短梗霉对马铃薯淀粉废水进行生物处理，不仅实现了废水处理达到环境保护的目的，而且提高了经济效益。

（6）回收蛋白质

废水中可回收性蛋白质含量较高，通过发酵或理化法回收蛋白质，其回收率最高可达80%以上。

利用发酵法进行微生物发酵生产回收蛋白。田雅婕[38]将产朊假丝酵母、白地霉、热带假丝酵母以5:9:1 的比例进行复配，以12%的总接种量接入马铃薯淀粉加工废水中，在温度24，pH 为4.13，摇床转速200 r/min 条件下进行发酵，得到SCP（单细胞蛋白）产量为3.06 g/L，对废水COD 的去除率达到56.9%。周玉等[39]利用酿酒酵母、产朊假丝酵母和白地霉发酵马铃薯淀粉加工废水，发现白地霉在废水中生长最佳，COD 去除率达到了70.9%，且SCP 得率达1.932 g/L；产朊假丝酵母次之，COD 去除率达62.7%，SCP 得率为0.982 g/L；最后是酿酒酵母，COD 去除率达58.9%，SCP 得率为0.912 g/L。陈辉等[40]在添加了20%废渣的废水中接入10%热带假丝酵母在28下发酵72 h 后得到含蛋白37.40%的蛋白饲料，废水COD 降低了72.29%。

理化法回收蛋白质的方法主要有吸附法、等电点沉淀法、酸热法、超滤法等。马健等[41]研究发现采用具有超强吸附力的蒙脱土与等电点沉淀法相结合，当蒙脱土加入量为0.7 g 时，调节pH 为3.50，在温度为40的条件下振荡2 h，可以使得蛋白质的回收率达到77.63%，COD去除率达43.56%，浊度去除率达82.02%。将蒙脱土吸附法与等电点沉淀法相结合，不仅能提高经济效益还可以降低成本。易伟民[42]的研究表明，利用酸热法从马铃薯废水中回收蛋白质，当破碎料液比值为2 mL/g、pH4.5、温度35、沉降40 min 时，蛋白质回收率可达79.21%。陈钰等[43]利用超滤膜在最佳超滤条件下（操作压力为0.10 MPa、室温22、pH 5.8）经超滤回收蛋白质，其截留率高达80.46%，处理后废水的COD 值去除率达60%。利用0.05%的碱性蛋白酶对超滤膜进行清洗，超滤膜恢复系数高达99.55%，用0.5%的NaOH 水溶液对超滤膜进行清洗，超滤膜恢复系数达89.12%。

3 结语

通过对马铃薯淀粉加工副产物的处理方法及资源化利用现状的分析发现，无论是处理方法还是在资源化利用过程，相较于物理、化学方法而言，生物处理方法更简洁高效，成本相对更低，微生物在其中发挥了极其重要的作用。但马铃薯淀粉加工副产物的处理具有季节性，副产物的处理多处于春秋冬季，温度偏低，而微生物的最适生长温度在25～37，要确保微生物对马铃薯淀粉加工副产物的处理效果，就需要对副产物加热或保温，这无疑增加了副产物的处理成本。因此，改变菌种特性，筛选出低温条件下也能在副产物处理或资源化利用过程中发挥作用的菌种是未来马铃薯加工副产物处理的重点。