馬鈴薯渣酸水解工藝條件的研究

李昆鵬，馬建忠，王玉麗，王永剛

（蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

馬鈴薯渣酸水解工藝條件的研究

李昆鵬，馬建忠*，王玉麗，王永剛

（蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

針對馬鈴薯渣中不溶性的碳水化合物，采用硫酸熱水解法使其中的淀粉、纖維素、半纖維素等成分在以硫酸做催化劑的條件下水解成還原性糖。在酸濃度、酸固比、水解時間、水解溫度四個單因素實驗基礎上，采用正交實驗設計優化工藝條件。結果表明，在酸濃度為32%，酸固比為3∶1，水解時間為1h，水解溫度為90℃下，1g馬鈴薯渣經水解上清液中總還原糖重量最高為0.5213g。

馬鈴薯渣，酸水解，工藝條件，總還原糖

雖然我國是世界上最大的馬鈴薯種植國，但馬鈴薯加工業的綜合利用率卻很低，除了食用和飼用，馬鈴薯產量的將近一半都用于馬鈴薯淀粉加工業。馬鈴薯渣是在馬鈴薯淀粉生產過程中產生的工業廢渣。馬鈴薯渣主要含有水、細胞碎片、殘余淀粉顆粒和薯皮細胞或細胞結合物。其化學成分包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、寡肽、多肽和灰分，其中干基中殘留淀粉含量高達37%，纖維素含量為17%，半纖維素含量為14%[1]。F.Mayer和J.O.Hillebrandt通過培養基篩選，發現薯渣中的自帶菌共15類33種菌種，其中28種細菌、4種霉菌和1種酵母菌[2]。大量的馬鈴薯渣長期露天堆砌，由于自生微生物作用而腐敗變質造成極大的浪費。目前被利用的馬鈴薯渣多直接用做飼料喂豬，由于馬鈴薯渣蛋白含量低，因而飼料品質低，近年來，相繼有用馬鈴薯渣做培養基用于固體發酵的報道，但其利用率還是不太理想。本文旨在了解硫酸水解馬鈴薯渣中的淀粉、纖維素和半纖維素等有效成分生成還原糖的影響因素以及這些因素的優化，以期為工業發酵過程和基因工程菌的大規模發酵提供優質廉價的碳源，盡可能地降低工業化大規模發酵的成本，提高馬鈴薯渣的工業附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯渣 取自甘肅興達淀粉工業有限責任公司，將新鮮的馬鈴薯渣于90℃烘箱烘干，粉碎過40目篩，粉碎后的馬鈴薯渣置于干燥箱中備用；98%濃硫酸、濃鹽酸、3，5-二硝基水楊酸（DNS）、酒石酸鉀鈉、結晶酚等 均為分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；葡萄糖標準品 購于天津市百世化工有限公司。

電子天平（0.001g） 賽多利斯；HH-S數顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市醫療儀器廠；萬用電爐 北京科偉永興儀器有限公司；Cary50分光光度計 瓦里安；PHS-3D雷磁pH計 上海精密科學儀器有限公司；TG16-WS高速臺式離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄糖標準曲線制作 參照DNS法準確配制1mg/mL標準葡萄糖溶液和3，5-二硝基水楊酸試劑。將葡萄糖置于4℃備用。3，5-二硝基水楊酸試劑置于棕色試劑瓶常溫放置一周后備用。按DNS法加入各試劑，水浴后定容，在540nm波長下測定吸光度值，并以吸光度值為縱坐標，葡萄糖濃度為橫坐標，制作標準曲線。得到標準曲線回歸方程為Y=13.61555X-0.01321，R2=0.99836。

1.2.2 總還原糖的計算方法 精確吸取2mL定容過的水解液于25mL比色管中，加入1.5mL DNS搖勻，在沸水浴中加熱5min，取出后立即冷卻至室溫，再以蒸餾水定容至25mL，混勻后取2mL于試管中，加入10mL蒸餾水做測定樣。水解后上清中總還原糖濃度測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[3]進行測定。在540nm波長下，用以蒸餾水代替上清水解液的0號管調零，讀取其吸光度值。在葡萄糖標準曲線上換算成其濃度C（mg/mL），則1g馬鈴薯渣經水解上清液中總還原糖重量計算如下：

1.2.3 馬鈴薯渣的水解及上清中總還原糖的測定準確稱取1g干馬鈴薯渣放入50mL小燒杯中，加入4mL水攪拌成糊狀，控制影響馬鈴薯渣水解的酸濃度、酸固比、水解時間、水解溫度，用封口膜封住燒杯以防水解過程中水過度蒸發。水解完成后用6mol/L NaOH調pH7.0，6000r/min離心兩次，合并上清于100mL三角瓶中，然后將上清收集于100mL容量瓶中。用蒸餾水定容至刻度，混勻，測定上清液中還原糖重量。

1.2.3.1 酸濃度對馬鈴薯渣水解上清總還原糖重量的影響 分別向馬鈴薯糊狀液中加入體積分數為0%、3%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的硫酸5mL（酸固比為5∶1），于100℃水浴鍋中水浴2h。測定上清中還原糖濃度，計算其上清中還原糖的重量。

1.2.3.2 酸固比對馬鈴薯渣水解上清總還原糖重量的影響 分別向馬鈴薯糊狀液中加入酸固比為1∶1、3∶1、5∶1、8∶1、10∶1的30%硫酸溶液，于100℃水浴鍋中水浴2h。測定上清中還原糖濃度，計算水解上清液中總還原糖的重量。

1.2.3.3 水解時間對馬鈴薯渣水解上清總還原糖重量的影響 分別向馬鈴薯糊狀液中加入體積比為30%的硫酸溶液3mL（酸固比為3∶1），分別于100℃水浴鍋中水浴0.5、1、1.5、2、2.5、3h。測定上清中還原糖濃度，并計算其水解上清液中總還原糖的重量。

1.2.3.4 水解溫度對馬鈴薯渣水解上清總還原糖重量的影響 分別向馬鈴薯糊狀液中加入體積比為30%的硫酸溶液3mL（酸固比為3∶1），使其在50、60、70、80、90、100℃水浴鍋中水浴1.0h。測定上清中還原糖濃度，計算其水解上清液中總還原糖的重量。

2 結果與分析

2.1 單因素對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的影響

2.1.1 酸濃度對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的影響 由圖1可知，硫酸濃度在20%～30%時，馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量最高。硫酸濃度在30%以前，隨酸濃度增加馬鈴薯渣上清液中總還原糖重量迅速提高，且隨酸濃度增加到達水解終點的時間逐漸縮短。但在30%酸濃度后，隨酸濃度增加上清液中總還原糖重量反而下降。這是因為隨酸濃度增加樣品碳化現象更嚴重。且在工業生產中高濃度的硫酸濃度會提高原料費用和對設備造成很大的腐蝕，在酸濃度為30%時馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量最高。

圖1 酸濃度對馬鈴薯渣上清液中總還原糖重量的影響

2.1.2 酸固比對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的影響 由圖2可知，酸固比在3∶1時馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量最高，隨酸固比的增大，其水解上清液中總還原糖重量有所增加，但隨著酸固比的增大，硫酸引起的碳化作用也越來越明顯，所以當酸固比超過3∶1時，其水解上清液中總還原糖重量反而有所下降。

圖2 酸固比對馬鈴薯渣上清液中總還原糖重量的影響

2.1.3 水解時間對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的影響 從圖3可知，隨水解時間的延長，馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量呈上升的趨勢。水解時間在1h前，其水解上清液中總還原糖重量隨水解時間變化顯著，1h后其水解上清液中總還原糖重量雖隨水解時間上升變化不顯著。從工業生產節能角度考慮，應選擇1h作為最適宜的水解時間。

圖3 水解時間對馬鈴薯渣上清液中總還原糖重量的影響

2.1.4 水解溫度對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的影響 從圖4可以看出，90℃時馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量最高，90℃前隨溫度升高其總還原糖重量提高，但當溫度超過90℃其總還原糖重量持平甚至有下降的趨勢。一方面，馬鈴薯渣水解反應是吸熱反應，提高溫度有利于提高硫酸分子與馬鈴薯渣分子的碰撞頻率，加快反應速率；另一方面，高溫也使體系中得到的還原糖碳化現象加快。

圖4 溫度對馬鈴薯渣上清液中總還原糖重量的影響

2.2 正交實驗確定馬鈴薯渣最佳水解條件

在單因素實驗結果基礎上，以酸濃度、酸固比、水解時間、水解溫度四個因素，選取L9（34）正交實驗，以確定馬鈴薯渣水解的最優工藝條件。正交實驗因素水平如表1，結果見表2。

表1 正交實驗因素水平表

表2 正交實驗結果分析表

由表2得知，影響馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量的四因素最優組合為A3B2C2D3，即當硫酸濃度為32%，酸固比為3∶1，水解時間為60min，水解溫度為100℃時，其水解上清液中總還原糖重量最高。四因素對馬鈴薯渣水解上清總還原糖重量影響的主次順序為B＞C＞A＞D，即酸固比對馬鈴薯渣水解上清液中總還原糖重量影響最大，而溫度對其水解上清液中總還原糖重量影響最小。從工業生產中能耗的角度考慮，選擇90℃作為水解溫度較合適。

3 結論與討論

經過正交實驗確定了馬鈴薯渣硫酸水解的最優工藝條件為：硫酸濃度為32%，酸固比為3∶1，水解時間為1h，水解溫度為90℃。以此最佳工藝條件水解馬鈴薯渣，得出馬鈴薯渣最高水解上清液中總還原糖重量為0.5213g。

目前，關于馬鈴薯渣綜合利用的報道很多，一方面是馬鈴薯渣中殘留的有用物質的提取，其工藝路線復雜，成本高，產量也較低；另一方面是以馬鈴薯渣為主要固體培養基，配以輔料接種酵母或霉菌進行固體發酵，提高菌體蛋白含量的研究。這種工藝生產成本低能耗低，但染菌幾率高，發酵過程不好控制，且容易產生毒素。由于馬鈴薯渣的蛋白質含量較低、粗纖維含量較高、營養物質缺乏，且微生物發酵可直接利用的糖源較少。因此，本文旨在摸索馬鈴薯渣硫酸水解條件使馬鈴薯渣的中的淀粉、纖維素和半纖維素等有效成分水解成還原性糖，為高產基因工程菌的發酵罐高密度液體發酵提供其主要的優質而廉價的碳源的研究奠定基礎，該工藝可以在很大程度上提高馬鈴薯渣的利用率，增加其工業附加值。

[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.基礎生物化學實驗[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 * 通訊聯系人

李昆鵬（1983-），男，碩士，研究方向：生物化學與分子生物學。

蘭州理工大學博士啟動基金（SB08200603）。