甘薯渣的資源狀況及其資源化利用技術研究進展

趙天奇， 錢世軍， 吳非凡， 王嘉盛， 王夢芝*

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.江蘇省惠隆資產管理有限公司，江蘇南京 210003）

甘薯 （Dioscorea esculenta（Lour.） Burkill）是旋花科植物，又名番薯、甜薯、地瓜、白薯、紅薯，普遍種植于北緯40°以南地區。我國甘薯種植區域分布廣，種植集中，主要分為南方薯區、北方薯區和長江流域薯區三大薯區，種植面積及產量均居世界首位（齊萌萌等，2017）。據聯合國糧食及農業組織 （FAO）統計，2016年我國甘薯總產量7079.3704萬t，占世界甘薯總產量（10541.3261萬t）的67%，是我國僅次于水稻、小麥、玉米的第四大重要糧食作物。近年來，我國甘薯用作淀粉加工的比例逐漸提高，現已達到其總量的45%～50%（馬代夫等，2013），全國甘薯淀粉加工廠已累計達到800多家。其中，南方薯區、北方薯區和長江中下游薯區淀粉加工廠所占比例分別為31.3%、58.7%和 44.4%（馬代夫等，2012）。 據統計，2015年我國年產甘薯淀粉150萬t，產甘薯廢渣約500萬t（徐夢瑤，2017）。廢渣除了少部分被加工利用外，大多都被隨意廢棄，產生資源浪費和環境污染等問題。因此，如何科學地資源化利用甘薯渣變得尤為重要。本文就甘薯渣資源狀況及其利用技術研究進展進行綜述，以期為甘薯渣資源化利用和緩解環境壓力提供一些參考。

1 甘薯渣的資源現狀

甘薯渣是甘薯淀粉提取加工過程中的主要副產物，質量占甘薯鮮重的45%～60%，有豐富的淀粉、蛋白質和膳食纖維等營養物質（邢文會等，2016）。甘薯渣水分含量可達80%以上，由于果膠類物質將其包裹，因此很難通過過濾等簡單方法干燥水分（曾小峰等，2017），再加上長時間堆積極易發生腐敗變質，很多企業往往將其隨污水排放處理。但甘薯渣廢水中富含大量H2S、NH3等氣體和氮、磷等營養物質，總氮和總磷分別達到69.0、9.50 mg/L（Guo等，2015），化學需氧量高達 25.0 g/L（Mishra等，2004），造成極大的環境負荷。受現階段加工工藝的限制，甘薯渣中還存在大量可利用的淀粉和膳食纖維。研究表明，甘薯渣中淀粉含量為43%～61%，膳食纖維含量為16%～27%，而膳食纖維中纖維素占26%～36%，果膠占9%～23%（Mei等，2010）。因此，如果對甘薯渣資源加以合理利用，可提高甘薯加工體系的整體利用率。

2 甘薯渣的資源化利用概況

目前，甘薯渣資源化利用方式主要集中在果膠和膳食纖維的提取，動物飼料化以及利用甘薯渣制備低聚糖、生物吸附劑等方面。

2.1 甘薯渣中果膠的利用 果膠是一種天然的植物膠體，具有良好的膠凝、穩定作用，既可以作為膠凝劑、穩定劑用于食品工業中；也可以作為藥物制劑基質，用于防治腹瀉、腸癌、肥胖等疾病；還可以作為吸附劑，用于吸附重金屬。木泰華等（2007）比較了甘薯果膠、蘋果果膠和柑橘果膠的物化特性，得出甘薯果膠葡萄糖及半乳糖醛酸的含量偏高，且穩定性、溶解度、黏度頗優的結論。田亞紅等（2010）試驗表明，甘薯渣中提取的果膠可以作為米酒的穩定劑，添加量為0.15%時，米酒產品質地均勻，口感良好；作為凝固型酸奶的穩定劑，添加量為0.2%時口感醇厚。

在從甘薯渣中提取果膠的技術方面，國內目前主要采取的方法有酸法、堿法、鹽法、微波法、離子交換樹脂法和微生物發酵法。田亞紅和劉輝（2013）對甘薯果膠的提取進行研究，確定了酸法（溫度 90 ℃、pH 2.0、時間 1.5 h）、微波法（料液比1：20、pH 2.0、微波功率 400 W、微波時間 3 min）和微生物發酵法（發酵溫度35℃、pH 5.0、發酵時間48 h、接種量15%）提取果膠的最佳工藝條件。果膠提取率分別為微波法 （13.33%）＞酸法（10.19%）＞微生物發酵法 （6.55%）。梁新紅等（2013）研究發現，使用草酸鹽法提取工藝時，提取液pH 7、提取溫度90℃、提取時間2.0 h、草酸銨質量濃度5.0 mg/mL時，甘薯果膠提取率可理論上最高達到11.36%，純度可達79.68%。劉倩倩（2013）采用超聲波輔助鹽法，在提取液質量濃度3.95 mg/mL、液料比 20：1、提取溫度 66℃、pH 2.0、提取時間1.7 h、超聲波功率375 W的提取工藝條件下，果膠提取率可達15.48%。曲昊楊等（2014）以蘋果渣為試驗原料，發現堿法提取的果膠單一性差，且產生的廢液易造成環境污染。張燕等（2003）以柑橘皮為原料發現，離子交換樹脂法與酸提取法相比，提高了果膠的質量和提取率。

目前存在的提取方法各有優劣，酸法因成本低、見效快、提取率相對較高，是國內目前果膠提取中使用較為普遍的方法，但經酸法提取的產品品質低下，生產器材耗損嚴重且產生的廢渣難以處理，極易造成環境污染。超聲波法和微波法通過超聲波的空化效應和微波的熱效應，可使細胞壁破裂并加快分子活化，促進萃取物擴散，因此提取率高、質量好，而且環境污染小，但需要特殊設備，成本高，卻難以推廣。相對來說，微生物提取法污染低、質量高，但提取率偏低，適應綠色發展前景，有一定發展潛力。

2.2 甘薯渣中膳食纖維的利用 膳食纖維是七大營養素之一，在保持消化系統健康、延長壽命、預防心血管疾病和癌癥等方面有重要作用。國內對甘薯渣膳食纖維的利用主要以加工低熱代餐食品和保健類產品為主。梁新紅等（2018）將甘薯渣粉以6%的質量分數添加到低筋面粉中制餅干，賈玉華（2018）通過在小麥粉中添加9%以下的甘薯渣粉，皆得到感官良好、高膳食纖維的面制食品。目前我國市面上的膳食纖維產品主要從玉米皮、小麥麩、大豆皮、蘋果渣中提取，需求上仍有一定空缺。甘薯渣膳食纖維含量高，產量大，提取比例可達25%（徐夢瑤，2017），如果能合理提取利用，將為甘薯渣的價值再創造提供一定新方向。

目前甘薯渣中膳食纖維的提取方法主要有物理法（篩法、微波、超粉碎、擠壓爆破）、化學法（強酸、強堿、酸堿結合）和生物法（酶法、發酵）。鄔建國等（2005）研究藥用真菌液態發酵甘薯渣制取膳食纖維的優化工藝，發現甘薯渣9%、麩皮0.8%的培養基在搖床水平發酵4 d后，發酵液中的膳食纖維含量可達29.63 g/L，產量較優化前有很大提高，且可溶性和不可溶性膳食纖維比值也有所提高。趙英虎等（2012）通過單因素試驗和正交試驗，研究酶解法提取甘薯渣膳食纖維的最優工藝條件，確定了糖化酶添加量是影響提取率的主要因素。當相關酶的添加量為糖化酶5.0 mL/g、胰蛋白酶0.5 mL/g、α-淀粉酶1.4 mL/g時，在提取溫度60℃、提取時間40 min、初始pH為4.5的條件下，膳食纖維提取率高達81.6%，可溶性膳食纖維提取率也達到了25.7%。全桂靜等（2012）研究酶法、篩法和酶堿法三種不同提取工藝對甘薯膳食纖維提取率的影響發現，提取率酶法>篩法>酶堿法，且通過酶法取得的薯渣膳食纖維的持水性、膨脹性及吸油性均較好。趙二勞等（2017）研究發現，提取玉米皮膳食纖維時，在生物處理法和化學處理法的基礎上采取微波、超聲波等物理手段，將有效提高膳食纖維的提取率，與孫健等（2014）利用超聲波輔助酶法的研究結果一致。王田林（2017）研究蒸汽爆破技術對甘薯渣膳食纖維的影響發現，經爆破后提取的甘薯渣膳食纖維的持油持水力、葡萄糖吸收能力、陽離子交換能力、α-淀粉酶和脂肪酶的抑制能力都有提升。

2.3 甘薯渣飼料化 甘薯渣中主要成分是纖維和淀粉，木質化程度高，蛋白質含量僅有3.10%～5.26%，單獨飼喂不能滿足畜禽的營養均衡需要和適口性需求，需要配合其他飼料飼用。鄒志恒等（2015）研究發現，將甘薯渣以2%～4%的比例替代玉米，豬的日采食量和日增重呈上升趨勢，生長激素含量呈提高趨勢，但如果豬的日糧中甘薯渣比例超過20%，則會因蛋白質過少引起仔豬生長發育慢，母豬產畸形兒比例上升等各種問題（劉惠知等，2013）。王苑等（2015）研究蛋雞日糧時發現，甘薯渣等比例替代玉米添加量小于4%時，對雞生產性能、蛋品質及血清激素含量無顯著影響。Pandi等（2016）在研究肉雞飼料的配料時發現，甘薯渣添加量可達30%。同時，在奶牛飼養中，甘薯渣適當代替高價的苜蓿干草，對奶牛產奶量和乳成分無顯著影響 （陳宇光等，2009）；在養羊生產中，也可飼用經切碎加工處理后的甘薯渣 （包健等，2014）。可見，甘薯渣飼料化在實際的養殖中能夠切實可行，在豬、禽、反芻動物等其他動物飼料中都可以添加利用。全價顆粒料的營養全面、平衡，而且養分分布均勻，可有效避免挑食帶來的營養不均衡。但目前甘薯渣顆粒料在生產上的使用并不普遍。余望貽等（2007）曾研究用甘薯藤粉代替苜蓿草粉以解決南方兔生產飼料供應的問題發現，其可滿足家兔配合飼料中的粗纖維需求，且對兔的生長發育和生理生化指標無顯著影響。相信利用甘薯渣制作全價顆粒料將會提升甘薯渣的飼料化使用。

鮮甘薯渣含水量可達80%以上，不易儲存且容易變質產生黃曲霉等有毒代謝產物。目前生產上將其進行烘干處理、發酵處理等，以便增加其貯存期和提高飼用價值。烘干后加工處理為緊實小巧的低水分薯渣顆粒，既方便了飼料的運輸儲藏，也減少了霉菌滋生，也方便后期配合飼料的加工，但其處理需要額外熱源，成本較高，而且甘薯渣養分流失較多。微生物發酵處理是目前使用較多的生物加工處理并可長期貯存的技術。邢文會等（2016）對甘薯渣進行微生物菌劑發酵，在接種量1.64%、發酵溫度29.79℃、初始pH 5.59的最佳工藝下使真蛋白含量提高近50%，達到22.95%，可以10%的最優比例添加到育肥豬飼料中。周曉容等（2016）結合豬的生產性能、經濟效益和甘薯渣的廢物利用、環境保護角度，認為豬日糧中可添加新鮮發酵甘薯渣33.8%及以上。夏軍等（2017）以甘薯渣為底物與麩皮等比混菌發酵，得到粗蛋白質含量16.8%、賴氨酸含量1.32%的菌體蛋白飼料。趙華等（2015）混菌發酵甘薯渣，發現發酵后粗蛋白質、粗脂肪、還原糖和粗纖維含量都有提升。鄭明利等（2015）添加乳酸菌接種處理甘薯飲料渣發現，甘薯飲料渣青貯品質隨乳酸菌接種劑中乳酸菌種類多樣性提升而提升，并延長了甘薯渣飼料的使用期限。此外，李劍楠等（2014）還發現，經青貯處理的甘薯渣在瘤胃中發酵72 h后，淀粉和干物質的有效降解率大大降低，影響牛奶品質的過瘤胃淀粉量也有所提高。可見通過微生物發酵等手段，可提高甘薯渣的飼料化利用程度和飼用價值。

2.4 其他利用方式 甘薯渣還可以用于制備低聚糖、乙醇、檸檬酸鈣、固體燃料，生產環保吸附劑，栽培菌類作物，制酒等。李燕（2014）利用甘薯渣中的淀粉與膳食纖維制備低聚糖，確定X1菌株是發酵低聚糖最優菌株，并通過試驗得到了當起始pH 5.20、發酵時間94.26 h、發酵溫度29.44℃時，低聚糖可以達到最高含量61.173 μg/mL的試驗結果。杜愛玲等（2003）通過甘薯渣栽培金針菇，認為甘薯渣栽培的金針菇，雖然產量偏低，但可以利用現蕾早、出菇快的特點用于低成本生產配方滿足不同需要。岳昌海等（2011）曾研究甘薯渣發酵生產乙醇相關工藝，發現在自然pH條件下，以時間180 h、水料比2：4、溫度 33℃、酒曲添加量0.9%的發酵工藝，酒精生產率可達到24%。Chen等（2018）通過水熱碳化將甘薯廢料轉化為固體燃料，在反應溫度180～300℃和反應時間0～120 min條件時，燃燒著火溫度、燃盡溫度和活化能均隨反應溫度和時間上升呈上升趨勢，薯渣燃料表現出較好的燃燒特性。Yokoi等（2001）在甘薯渣中添加丁酸梭狀芽孢桿菌并補充氮源來產氫。黃麗紅（2010）提出可用甘薯渣制檸檬酸鈣，每4.5 t原材料便可生產出1 t檸檬酸鈣。此外，甘薯渣經化學處理表面疏松多孔，可以制成生物吸附劑，吸附印染廢水中亞甲基藍（陳莉等，2016）、堿基塊綠（陳莉等，2019）等有害成分，緩解環境壓力。

3 結語

甘薯渣對于甘薯制粉企業而言屬于廢棄物，廢棄將加大環境生態保護的壓力。但眾所周知，甘薯渣中仍含有一定量的淀粉、纖維類物質等養分，棄之可惜但又用之無措。研發對甘薯渣科學利用技術，不僅可以解決企業薯渣處理難，廢渣污染環境等問題，而且可以提高企業薯類加工的附加值。目前我國甘薯渣的利用以提取果膠、膳食纖維和用作飼料等利用方式為主，利用程度和利用面也在不斷擴大，而且這幾種利用方式的技術研發上也有長足的進展。但客觀地看，目前還存在果膠提取率和提取純度低，飼料顆粒化程度低，對動物生產轉化效應和機制不明確等諸多技術上的問題，因此還需要對甘薯渣的貯存方法、飼料化配制技術和處理產品研發上進行研究，以提升甘薯渣資源化的利用技術水平，推進現代農業生態綠色發展的進程。