甘薯殘渣纖維素酶解工藝研究

王樹寧，馮龍斐，黃瀅潔 梁新紅，郭炎朋，李文豪

（河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

甘薯渣為甘薯淀粉加工過程中產(chǎn)生的廢渣，約占鮮薯的10%～14%[1]，濕薯渣或被作為廢物丟棄，或直接作為飼料利用，不僅造成環(huán)境污染，而且造成生物質(zhì)資源的浪費。薯渣主要成分為淀粉和纖維素，而纖維素含量占薯渣干重的40%左右，其中不溶性膳食纖維達(dá)36.26%[2]，因此開發(fā)利用甘薯渣生物質(zhì)資源特別是纖維資源利用已成為甘薯加工工業(yè)急需解決的問題。

甘薯渣的開發(fā)利用已有報道，王賢等[3]和Watanabe 等[4]采用α-淀粉酶和糖化酶對甘薯渣進(jìn)行同步糖化生產(chǎn)酒精，但兩種酶僅對甘薯渣中殘留的淀粉進(jìn)行了分解，纖維素物質(zhì)并沒有很好的利用；董向艷等[5]應(yīng)用β-葡聚糖酶和多聚半乳糖醛酸酶酶解甘薯廢渣制備復(fù)合寡糖，但薯渣中纖維素未能充分水解；劉玉婷等[6]以甘薯廢渣為原料生產(chǎn)乳酸，鼠李糖乳桿菌也僅僅是利用了薯渣中的淀粉。目前，對甘薯渣中纖維素的應(yīng)用未見報道。

纖維素酶是降解纖維素生成可發(fā)酵性還原糖重要的酶[7-9]，但纖維質(zhì)原料中木質(zhì)纖維素致密的結(jié)構(gòu)使其直接利用效率極低，纖維素酶解前需對其進(jìn)行預(yù)處理[10-13]。梁新紅等對甘薯渣預(yù)處理進(jìn)行了研究，首先對甘薯渣進(jìn)行了去除淀粉的研究[14]，然后對其進(jìn)行果膠提取[15]，提取果膠后的甘薯殘渣中主要含有纖維素、半纖維素等，并且此部分纖維質(zhì)經(jīng)過高溫的作用，纖維素結(jié)晶度降低，木質(zhì)素和半纖維素結(jié)合層被破壞，如果能將甘薯渣開發(fā)成生產(chǎn)可發(fā)酵糖的新原料，不僅能增加薯類加工的附加值、豐富可發(fā)酵糖的原料來源，而且有利于保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境。

本研究以提取果膠后的甘薯殘渣為原料，對其纖維素酶酶解條件進(jìn)行研究，通過單因素試驗和正交試驗進(jìn)行纖維素酶水解甘薯渣工藝條件。研究對甘薯進(jìn)一步精深加工，增加其附加值具有理論及實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

甘薯：商薯19，河南科技學(xué)院甘薯試驗田；甘薯渣：提取了淀粉酶，分離了淀粉，除去渣中淀粉，提取果膠后的殘渣。本研究中的甘薯渣以干基計。

1.1.2 試劑

纖維素酶（50 000 U/g）：杰諾生物酶有限公司；鹽酸：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉：天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖、酒石酸鉀鈉：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；3，5-二硝基水楊酸：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；苯酚：鄭州派尼化學(xué)試劑有限公司；亞硫酸鹽：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘薯渣制備工藝流程

新鮮甘薯→洗凈→粉碎→淀粉分離→濾渣→去除淀粉→果膠提取→甘薯殘渣

1.2.2 甘薯渣制備

具體去除淀粉及果膠提取步驟參考文獻(xiàn)[14]和[15]。

1.2.3 甘薯殘渣纖維素酶酶解方法

準(zhǔn)確稱取甘薯殘渣1 g 于250 mL 三角瓶中，按要求加入一定量的水，調(diào)節(jié)pH 值，加入纖維素酶，在一定的溫度下恒溫培養(yǎng)，測定酶解液中還原糖量。纖維素轉(zhuǎn)化率公式如下。

1.2.4 單因素試驗方法

1）固液比的確定：甘薯殘渣醪液pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃下恒溫培養(yǎng)18 h 的條件下，考察固液比為 1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35（g/mL）時，對酶解反應(yīng)的影響。

2）溫度的確定：甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在恒溫下培養(yǎng) 18 h 的條件下，考察溫度為 40、45、50、55、60 ℃時，對酶解反應(yīng)的影響。

3）pH 值的確定：甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒溫下培養(yǎng)18 h的條件下，考察 pH 值為 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 時，對酶解反應(yīng)的影響。

4）時間的確定：甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒溫培養(yǎng)的條件下，考察時間為 0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 h 時，對酶解反應(yīng)的影響。

1.2.5 正交試驗設(shè)計

對纖維素酶水解甘薯渣的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在單因素試驗基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行正交試驗，因素、水平設(shè)置如表1。

表1 正交試驗因素試驗設(shè)計Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 測定方法

還原糖的測定：采用3，5-二硝基水楊酸法（3，5-dinitrosalicylic acid method，DNS method）即 DNS 法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組試驗重復(fù)3 次，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 固液比對酶解反應(yīng)的影響

甘薯殘渣醪液pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣。在50 ℃下恒溫培養(yǎng)18 h，考察固液比對酶解反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，固液比對酶解反應(yīng)影響顯著。當(dāng)固液比值由 1∶15（g/mL）增至 1∶25（g/mL）時，纖維素轉(zhuǎn)化率逐漸增加，固液比為1∶25（g/mL）時纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值（4.53±0.11）%。隨著加水量的增加，纖維素轉(zhuǎn)化率下降，固液比為1∶35（g/mL）時纖維素轉(zhuǎn)化率降至（1.15±0.11）%，因此確定最佳固液比為 1∶25（g/mL）。

圖1 固液比對酶解反應(yīng)的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on enzymatic hydrolysis

2.2 溫度對酶解反應(yīng)的影響

甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在恒溫下培養(yǎng)18 h，考察酶解溫度對纖維素轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 溫度對酶解反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of temperature on enzymatic hydrolysis

由圖2 可知，當(dāng)溫度由40 ℃升至50 ℃，纖維素轉(zhuǎn)化率隨溫度上升而逐漸升高，50 ℃達(dá)到最大值（4.58±0.11）%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，纖維素轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢，溫度升至60 ℃時，纖維素轉(zhuǎn)化率下降到（2.06±0.13）%。這可能是因為升高溫度能夠提高反應(yīng)體系的活化能，但太高的溫度又會使酶鈍化或失活，因此，纖維素酶的酶解最適溫度選擇為50 ℃。

2.3 pH值對酶解反應(yīng)的影響

甘薯殘渣固液比1∶25（g/mL），纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在 50 ℃恒溫下培養(yǎng) 18 h，考察 pH 值對酶解反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 pH 值對酶解反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of pH on enzymatic hydrolysis

由圖3可知，當(dāng) pH 值為 4.0～5.0 時，纖維素轉(zhuǎn)化率隨著pH 值的增加而逐漸升高，當(dāng)pH 值為5.0 時，纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值（4.48±0.14）%；繼續(xù)增加醪液pH 值，當(dāng)pH 值大于5.0 后纖維素轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢，當(dāng) pH 值為6.0 時，纖維素轉(zhuǎn)化率下降到（0.85±0.10）%。因此，確定pH 5.0 為酶解反應(yīng)的最適pH 值。

2.4 時間對酶解反應(yīng)的影響

甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纖維素酶加入量75 U/g 甘薯渣，在50 ℃恒溫下培養(yǎng)，考察酶解時間對酶解反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 時間對酶解反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of time on enzymatic hydrolysis

由圖4 可知，隨著酶解時間的延長，纖維素轉(zhuǎn)化率顯著增加；當(dāng)酶解14 h 時，纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值（4.50±0.12）%；隨著酶解時間繼續(xù)增加，纖維素轉(zhuǎn)化率變化不顯著。確定14 h 為酶解時間。

2.5 加酶量對酶解反應(yīng)的影響

甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，在50 ℃恒溫下培養(yǎng)14 h，考察加酶量對酶解反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 加酶量對酶解反應(yīng)的影響Fig.5 Effect of enzyme addition on enzymatic hydrolysis

由圖5 可知，當(dāng)加酶量為0～50 U/g 時，隨著加酶量的增加，纖維素轉(zhuǎn)化率由（2.07±0.13）%上升到（4.52±0.15）%；隨著加酶量的繼續(xù)增加，纖維素轉(zhuǎn)化率增加不顯著。因此，選擇最適加酶量50 U/g。

2.6 正交試驗結(jié)果與分析

選用L9（34）對纖維素酶水解甘薯殘渣的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗結(jié)果及分析見表2。

表2 正交試驗結(jié)果分析（n=3）Table 2 Analysis of orthogonal experiment results（n=3）

由表2 可知，各因素對纖維素酶解反應(yīng)影響的先后次序為B＞D＞C＞A，即酶解溫度對酶解反應(yīng)影響最大，其次依次是酶解pH 值、加酶量和酶解時間。正交試驗得出纖維素酶水解甘薯渣最佳工藝條件為A3B2C2D2，即酶解最終時間16 h，酶解溫度50 ℃，加酶量50 U/g，酶解pH 5.0。對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3。

表3 正交試驗結(jié)果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal experiment results

由表3 正交試驗結(jié)果的方差分析可知，對纖維素酶解反應(yīng)的影響因素中，酶解時間為顯著因素，酶解溫度、酶解pH 值、加酶量均為極顯著因素，表明這4個因素對纖維素酶解反應(yīng)均有較大影響。

按照最佳工藝參數(shù)對甘薯殘渣進(jìn)行酶解試驗，結(jié)果表明纖維素轉(zhuǎn)化率為（4.52±0.14）%，纖維素轉(zhuǎn)化率較高，與正交試驗優(yōu)化結(jié)果相符。

3 結(jié)論

以提取了淀粉酶，分離了淀粉，除去渣中淀粉，提取果膠后的殘渣為原料，對甘薯殘渣的纖維素酶解工藝進(jìn)行研究，甘薯殘渣纖維素酶解最佳工藝為：甘薯殘渣固液比 1∶25（g/mL），醪液 pH 5.0，纖維素酶加入量50 U/g 甘薯渣。在50 ℃下恒溫培養(yǎng)16 h。由正交試驗結(jié)果的方差分析可知，對纖維素酶解反應(yīng)的影響因素中，加酶量和酶解時間均為極顯著因素。