马铃薯渣的降解及应用研究进展

梁瑞雪，侯艳，茹义博，蒙岩冰，陈丽梅，刘晓飞

哈尔滨商业大学食品工程学院（哈尔滨 150028）

马铃薯是全世界四大粮食农作物之一，同时也是我国粮食系统的主要构成部分。我国的马铃薯资源丰富，是世界生产马铃薯第一大国，为我国马铃薯产品加工产业的发展提供充足的原料供应和保障。马铃薯渣作为马铃薯产品加工产业中含量最多的副产物，每生产1 t马铃薯淀粉会有6.5～7.5 t的马铃薯渣产生量[1]。在我国，每年会产生4×106～6×106t的薯渣副产物。新鲜的马铃薯渣废弃物中因含有种类、数量繁多的微生物而容易发霉变质，发出刺鼻气味，危害人体健康。用传统污水处理方法处理马铃薯渣难度很大，且污染环境[2]。薯渣处理费用高，成为企业的包袱。马铃薯渣废弃物的有效处理已是制约其产业链发展的障碍[3]，也间接导致马铃薯淀粉、马铃薯全粉等马铃薯制品价格居高不下，严重影响马铃薯在食品工业中的应用和马铃薯主粮化战略的具体实施。当前，马铃薯加工产业的发展正进入兴旺发达阶段，马铃薯的副产物薯渣的产出量持续增加，寻求将其高效转化和增值利用的方法已是当务之急。

1 马铃薯渣的降解

1.1 物理化学法降解

物理化学法降解马铃薯渣操作简单方便、投入成本小，但产品易有残存试剂、残留异味等弊端。物理化学法降解马铃薯渣有蒸汽爆破法、酸水解法等多种降解方式。黄崇杏等[4]利用蒸汽爆破的方式，使得马铃薯渣中的膳食纤维实现功能化。马铃薯渣中的半纤维素、纤维素和聚戊糖等化学组分含量的水平有所差异。经过离解，原料变成细小的纤维物质。半纤维素和纤维素经过水解，变为能溶解的糖类物质，并且在降解产物中发现香草乙酰、紫丁香基和愈创木基丙烷三种物质。Lenihan等[5]在135 ℃的高温条件下用10%的磷酸水解马铃薯渣，使薯渣在短短8 min内被快速分解成糖类，并得到转化率比理论值82.5%还高的糖类物质。Klingspohn等[6]采用稀硫酸法初步降解马铃薯渣，得到淀粉、果胶、半纤维素以及纤维素等物质，然后通过甲醇或丙酮将其中的果胶和淀粉成分分离出来，同时利用酶解法获取其中的纤维素和半纤维素组分，用在后续的纤维素酶类等物质的生产当中。Bhattacharyya等[7]通过稀硫酸法加上超声辅助操作水解马铃薯渣，将薯渣中糖类物质的产量升高30%。蒸汽爆破和各种酸水解等物理化学法都可以有效降解马铃薯渣，使其被转化利用。

1.2 酶法降解

酶解法降解马铃薯渣的作用条件相对温和，工业上对设备的要求较低。酶及其反应物大多没有毒性，对产品不会造成污染，安全性较高。但酶类物质难以渗透进入纤维结晶区，对纤维结合较为紧密的蛋白质成分的去除效果差。而且同其他降解方法相比，酶类物质的价格较高、生产成本较大。杜静[8]采用果胶酶处理马铃薯渣中的果胶组分，使得果胶的脱出率高达98.48%。Vetting等[9]报道了一株根癌土壤杆菌，其分泌的环异构酶对马铃薯渣中的果胶具有较强的降解作用。Thomassen等[10]采用α-耐高温淀粉酶在较低的温度（70 ℃）和较长的时间（超过65 min）条件下处理马铃薯渣，并结合膜耦合反应器，彻底去除马铃薯渣中的淀粉组分，但这种处理方式过于复杂，无法在工业上得到推广和应用。Camire等[11]采用酶解法降解马铃薯渣中的淀粉组分，并对其产物展开探索研究。研究发现，当温度为55 ℃时，2 h内薯渣中的淀粉成分能够全部水解成葡萄糖。目前，使用酶类物质可以降解马铃薯渣，但针对此种方法的研究太少，因而为马铃薯渣的降解提供了一条新方向。

1.3 微生物法降解

国内外学者积极研究微生物降解薯渣的方法，利用黑曲霉、白地霉、枯草芽孢杆菌等作为微生物菌种来降解马铃薯渣，并研究出适合的降解方法和合理的菌种组合。董佳程[12]利用黑曲霉的两种菌株（原菌株及其突变菌株H3），在同样生长环境中，各自接种于马铃薯半固体培养基，发酵4 d，之后进行单独检测。结果发现，与原菌株对纤维素39.25%的降解率相比，突变株H3可使纤维素的降解率高达80.54%。白梦娇等[13]利用10株不同的微生物菌种（产朊假丝酵母、扣囊复膜酵母、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、植物乳酸杆菌、米曲霉、康宁木霉、黑曲霉、绿色木霉和X霉菌）进行马铃薯渣发酵试验。结果发现，马铃薯渣的粗纤维成分均能够被这10种菌部分降解。在这10种菌株中，黑曲霉、植物乳酸杆菌和康宁木霉对薯渣中粗纤维的降解超过50%。在菌种组合当中，扣囊复膜酵母和康宁木霉组合、酿酒酵母和黑曲霉组合对粗纤维的降解率均多于50%。Wang等[14]采用果胶酶和纤维素酶对马铃薯渣进行预处理，然后接种白地霉、乳酸菌和酵母菌对其进行固态发酵，其发酵产物中粗纤维的含量显著减小。孙雪颖[15]利用黑曲霉发酵法降解马铃薯渣中的果胶，使其降解率提高到39.90%。利用各种细菌、霉菌等微生物可以有效降解马铃薯渣。

2 马铃薯渣的应用

2.1 制备膳食纤维

马铃薯渣中含有极其丰富的膳食纤维，占其干基质量的50%左右[16]，因此可作为良好的膳食纤维获取来源之一。薯渣膳食纤维的生理活性较好，具有良好的安全性能，且价格低廉。程力等[17]通过纤维素酶法改良马铃薯渣性能，酶解去除了淀粉的覆盖效果，获得的可溶性膳食纤维的相对分子质量及黏度相对较高，但其胰脂肪酶活力的抑制力相对较低。姚琦等[18]通过联合酶法获取马铃薯渣中的膳食纤维成分，再通过正交试验的设计方法，得到α-淀粉酶和糖化酶共同处理的最优酶解条件。在最优酶解条件下，通过酶解得到的膳食纤维，其质量分数可达76.92%。与马铃薯渣相比，其持水性和持油性均明显提高。吕金顺等[19]通过水蒸气爆破法与氧化剂法共同降解马铃薯废渣，提取薯渣中的膳食纤维，而且对所得物质的结构特征进行分析。结果发现，在生物体内马铃薯渣中的膳食纤维对致病物质的吸附作用较强，还可以吸附体内的胆固醇。Klingspohn等[20]采用稀硫酸法水解马铃薯淀粉渣，再利用离心机对其进行离心分离，将薯渣中的淀粉及果胶成分从纤维素、半纤维素中分离获得，之后将得到的纤维素、半纤维素以及马铃薯废汁液作为混合培养基，接种里氏木霉制备纤维素酶。马铃薯渣可为加工和制备膳食纤维提供足够的原料保障和来源，有很大的开发利用空间。

2.2 制备果胶

马铃薯渣中有含量较为丰富的胶质，占其干基质量的17%左右。果胶是一类具有亲水性质的植物胶，有着良好的凝胶作用及乳化作用，通常用在食品包装膜、生物培养基和食品添加剂等方面。以马铃薯渣为原料获取其中的果胶，不仅开拓了马铃薯渣的应用范围，还增加了果胶的原料来源。利用马铃薯渣生产果胶有微波法、沉淀法、酸法和酶提取法等，而且所得果胶的纯度较高。王文霞等[21]分别采取4种不同方法对马铃薯渣中的果胶进行提取。结果显示，柠檬酸法和盐酸法获取果胶的含量分别可达56.33%和55.62%，复合盐法提取的果胶含量为52.56%，碱性磷酸盐法的提取含量最低，为32.31%。杨金姝[22]通过超声波-微波辅助盐酸法对马铃薯渣中的果胶进行提取，在最佳提取条件下，果胶提取率为22.86%，而且薯渣中果胶乳化液的乳化性能相对较佳。高金波[23]使用耐高温α-淀粉酶以及高转化率糖化酶提取马铃薯渣中的果胶，使用上述两种酶进行组合优化，在最佳优化条件下，薯渣中的果胶纯度高于80%。Byg等[24]利用多聚半乳糖醛酸酶对马铃薯渣进行预处理，获取其中的I型果胶，然后利用深层过滤和超滤的方法对Ⅰ型果胶进行纯化处理。结果发现，与化学萃取法相比，这种方法能够获得相对分子质量更大的产物，提取效果较好。Meyer等[25]通过响应曲面法优化马铃薯渣中果胶的获取条件。结果表明，在62.5 ℃、pH 3的条件下，添加戊聚糖酶反应1 h，果胶的收集时间更短，提取率更高。

2.3 生产动物饲料

马铃薯渣中的蛋白质以及粗纤维的含量十分丰富。提取得到的蛋白质可用作饲料添加剂，其营养功效及作用与脱脂奶粉相当。粗纤维的营养功效及作用与能量饲料相同，可以作为动物饲料使用，在反刍动物中的应用比较广泛。Sugimoto等[26]用马铃薯渣对肉牛进行投喂。结果显示，肉牛中瘤胃氨态氮的浓度得到提高，从而形成更多的瘤胃蛋白，有助于肉牛体重增加。将马铃薯渣作为蛋白质原料，通过固态或半固态的发酵方式制备单细胞蛋白饲料，已成为动物高蛋白饲料最有发展远景的一个探究领域。周芳[27]利用单一菌种以及复合菌群对马铃薯渣进行发酵试验。结果表明，与单菌和三株不同菌组合相比，两株不同菌组合发酵的薯渣中粗蛋白含量最高。通过微生物的方法发酵蛋白饲料可以有效地获得高产率的饲料。史琦云等[28]通过单株菌生料、熟料发酵和多株菌协生固态发酵等多种技术，制备马铃薯渣菌体蛋白饲料，并对使用不同发酵方法发酵前后的蛋白质、淀粉等营养组分含量进行定量检测。结果表明，蛋白质含量分别提高13.45%，18.53%和22.16%。杨希娟等[29]利用白地霉、热带假丝酵母和黑曲霉，通过固态发酵的方式处理马铃薯渣，用以获取菌体蛋白饲料。经过验证可知，与固态发酵前相比，发酵后产物中的粗蛋白含量明显增加。综上所述，以马铃薯渣为原料制备动物蛋白饲料，是一种使废弃物得到循环使用的有效可实施方法。

2.4 用作发酵培养基

马铃薯渣来源普遍、成本较低、营养成分繁多且含量丰富，因此可以代替葡萄糖等碳源作为廉价、绿色环保的固态或半固态发酵培养基。Haas等[30]将经糖化的马铃薯渣作为碳源，接入菌种R. eutroph NCIMB 11599，生产聚羟基丁酸脂，提供了一种新型的性价比超高的碳源来源。利用马铃薯渣生产柠檬酸和柠檬酸钙，原料价廉易得、生产技术简便、经济效益显著。Toru等[31]利用α-淀粉酶和葡萄糖酶糖化马铃薯渣，将糖化后得到的果糖当作碳源，发酵制备细菌纤维。Dishisha等[32]以甘油为底物，将马铃薯渣当作维生素源以及氮源，通过高密度发酵的方法制取丙酸。卢嘉宝[33]通过马铃薯渣培养基，发酵培养得到3种侧耳属食用菌：凤尾菇、姬菇、小白侧耳。研究得出3种食用菌的最适培养条件并预测了其产量。魏洁茹[34]利用马铃薯渣发酵制取乳酸菌肽，而且改进了薯渣水解液当中不同物质的最优组合方式，将乳酸菌肽的效价提升到4635.00 IU/mL。马铃薯渣用作发酵培养基是一种废弃利用的可行举措。

2.5 制备可食性包装膜

可食性包装膜，即一种无污染的新型材料，已变成食品包装领域炙手可热的研究方向。马铃薯渣中淀粉、纤维素、蛋白质和果胶等绿色可食性组分的含量十分丰富，可作为制作可食性膜的良好原料。其能够应用在调味料、粉剂、油料、液态剂等食品绿色包装领域，以及其他可食性包装材料方面。李俊芳[35]对马铃薯渣制成的可食性膜进行了相关研究，把这种膜应用在方便面油料包的包装当中，使用此膜包装的方便面油料，在温度45 ℃、相对湿度60%的状态下，完好搁置保存30 d，没有出现渗油现象。将其置于沸水中煮3～4 min可以被完全溶解。曹龙奎等[36]将马铃薯渣作为原料，通过流延法制备可食性膜，这种膜不但符合麦片、豆奶等食品的包装标准，而且不会改变食品的固有风味。对马铃薯渣进行改性处理，不仅能够增加膜体系的黏稠度和透明度，还可以增强该体系的空间网状结构。周睿等[37]将改性后的羧甲基马铃薯渣作为原料，同时加入可以增加塑性、增高强度的改良助剂，再通过交联共聚反应，研究制得一种新型的可食性包装膜，此膜表面光滑均一，触感软绵细致并不易折断，其机械、封合、阻隔与溶解功能很好。制备可食性包装膜为绿色无污染开拓了新的探究方向。

2.6 生产新型吸附材料

近几年，工业废水中重金属超标以及环境污染等问题逐渐严重，对人类的健康及生活都造成了极大的威胁，日益受到关注。与处理重金属的传统方法相比，生物絮凝吸附剂可有效规避成本高、周期长和二次污染等问题，被广泛应用在水污染的处理方面。马铃薯渣也可作为原料生产吸附材料应用于污染治理方面。鹿宝鑫[38]将羧甲基化后的马铃薯渣作为原料，采用醚化改性的工艺，获得一种绿色环保型的马铃薯淀粉渣吸附剂，利用其去除水溶液中的Pb2+，去除率可达95%，回收率可达90.4%。马铃薯渣也可用于高吸水树脂的制取方面，李继萍等[39]以马铃薯渣为原料合成高吸水树脂，特异性吸附Pb2+。研究发现，与静态吸附相比，此种高吸水树脂的动态吸附速度较快，该结论为以后合成高吸水树脂的研究提供可靠的参考数据。吴海霞等[40]将羧甲基化后的马铃薯渣当作原料，进行高吸水树脂的合成。结果发现，当高吸水树脂吸附Pb2+达到饱和状态时，高吸水树脂吸附和解吸Pb2+达到平衡。在透射电镜下，能够看到类似蜂窝形状。说明经聚合与交联，形成了结构繁琐的三维多孔网状结构，可应用在对离子材料的吸附方面。王小芳等[41]通过酶法处理制备马铃薯渣膳食纤维，探究其对Hg2+、Pg2+、Cd2+的吸附动力学，结果发现其对金属离子展现出很好的吸附效果。Zhang等[42]将马铃薯渣进行碳化处理，并应用在吸附亚甲基蓝染料方面。很多研究表明，酶法处理和微细化处理可以进一步提高膳食纤维类物质的吸附能力，将这些技术应用于马铃薯渣改性处理，有望进一步推动薯渣在制备吸附材料领域中的应用。

2.7 生产能源

马铃薯渣中的膳食纤维、淀粉和蛋白质等具有较高的燃烧热值，可利用一些手段使其转变成生物质能源，从而促进薯渣的转化利用。以马铃薯渣为原料生产生物质能源一直是薯渣综合应用领域的研究热点。目前，已有许多研究人员利用不同微生物发酵薯渣，从而制备出燃料酒精、氢气等产品[43]。杨丽英[44]将马铃薯渣作为底物，建立单双相厌氧发酵系统。结果发现：与单相厌氧系统相比，双相厌氧系统在甲烷的生产潜力、产出率、比产甲烷效率和能量回收效率方面均展现出更优良的性能，可达到较高的效率，有效提高能量的回收。Marihart[45]最早评估了利用马铃薯渣生产酒精的可行性，并认为通过合适的预处理提高糖化效率是该利用方式的关键。代淑梅等[46]对马铃薯渣发酵生产乙醇进行了探究。采用不同的预处理方式和不同的酶系复配比例，进行优化后，乙醇的生产量可以达到9.06% vol。苏槟楠等[47]在水果和蔬菜等多种产品样本中筛选出1株菌株Z40，该菌株可利用马铃薯渣发酵生产酒精，并对其酒精发酵能力进行研究。结果表明，优化发酵条件后酒精产率可达到333.3 mL/kg。综上，马铃薯渣可应用在生产生物质能源方面，从而降低其对环境的污染，提高薯渣的利用率和经济价值。

3 结语与展望

马铃薯是世界上常见的农作物之一，我国的马铃薯资源极其丰富，被大面积种植。到2015年为止，我国的马铃薯耕种面积占全世界耕种总面积的25%，产量占世界总产量的20%[48]。产业结构不断整改的同时，马铃薯加工产业也在快速成长，薯渣的产量也连年增加。马铃薯渣价格低廉且来源普遍，营养物质含量丰富，研究潜能巨大，具有良好的市场发展预期。如今，我国在研究和应用马铃薯渣方面比较局限，缺乏高效的利用方式[49]，因此目前主要的研究方向是如何更好地开发利用马铃薯渣以及如何提升马铃薯渣的综合利用率，其中包括改善马铃薯渣中营养物质的提取工艺、利用马铃薯渣制备高蛋白动物饲料、生产化工原料及燃料气体等。综上所述，合理高效地利用马铃薯渣，既可有效地提高自然能源的利用率，又能够避免其对环境的污染，具有很高的经济价值以及社会效益。