馬鈴薯渣的降解及應用研究進展

梁瑞雪，侯艷，茹義博，蒙巖冰，陳麗梅，劉曉飛

哈爾濱商業大學食品工程學院（哈爾濱 150028）

馬鈴薯是全世界四大糧食農作物之一，同時也是我國糧食系統的主要構成部分。我國的馬鈴薯資源豐富，是世界生產馬鈴薯第一大國，為我國馬鈴薯產品加工產業的發展提供充足的原料供應和保障。馬鈴薯渣作為馬鈴薯產品加工產業中含量最多的副產物，每生產1 t馬鈴薯淀粉會有6.5～7.5 t的馬鈴薯渣產生量[1]。在我國，每年會產生4×106～6×106t的薯渣副產物。新鮮的馬鈴薯渣廢棄物中因含有種類、數量繁多的微生物而容易發霉變質，發出刺鼻氣味，危害人體健康。用傳統污水處理方法處理馬鈴薯渣難度很大，且污染環境[2]。薯渣處理費用高，成為企業的包袱。馬鈴薯渣廢棄物的有效處理已是制約其產業鏈發展的障礙[3]，也間接導致馬鈴薯淀粉、馬鈴薯全粉等馬鈴薯制品價格居高不下，嚴重影響馬鈴薯在食品工業中的應用和馬鈴薯主糧化戰略的具體實施。當前，馬鈴薯加工產業的發展正進入興旺發達階段，馬鈴薯的副產物薯渣的產出量持續增加，尋求將其高效轉化和增值利用的方法已是當務之急。

1 馬鈴薯渣的降解

1.1 物理化學法降解

物理化學法降解馬鈴薯渣操作簡單方便、投入成本小，但產品易有殘存試劑、殘留異味等弊端。物理化學法降解馬鈴薯渣有蒸汽爆破法、酸水解法等多種降解方式。黃崇杏等[4]利用蒸汽爆破的方式，使得馬鈴薯渣中的膳食纖維實現功能化。馬鈴薯渣中的半纖維素、纖維素和聚戊糖等化學組分含量的水平有所差異。經過離解，原料變成細小的纖維物質。半纖維素和纖維素經過水解，變為能溶解的糖類物質，并且在降解產物中發現香草乙酰、紫丁香基和愈創木基丙烷三種物質。Lenihan等[5]在135 ℃的高溫條件下用10%的磷酸水解馬鈴薯渣，使薯渣在短短8 min內被快速分解成糖類，并得到轉化率比理論值82.5%還高的糖類物質。Klingspohn等[6]采用稀硫酸法初步降解馬鈴薯渣，得到淀粉、果膠、半纖維素以及纖維素等物質，然后通過甲醇或丙酮將其中的果膠和淀粉成分分離出來，同時利用酶解法獲取其中的纖維素和半纖維素組分，用在后續的纖維素酶類等物質的生產當中。Bhattacharyya等[7]通過稀硫酸法加上超聲輔助操作水解馬鈴薯渣，將薯渣中糖類物質的產量升高30%。蒸汽爆破和各種酸水解等物理化學法都可以有效降解馬鈴薯渣，使其被轉化利用。

1.2 酶法降解

酶解法降解馬鈴薯渣的作用條件相對溫和，工業上對設備的要求較低。酶及其反應物大多沒有毒性，對產品不會造成污染，安全性較高。但酶類物質難以滲透進入纖維結晶區，對纖維結合較為緊密的蛋白質成分的去除效果差。而且同其他降解方法相比，酶類物質的價格較高、生產成本較大。杜靜[8]采用果膠酶處理馬鈴薯渣中的果膠組分，使得果膠的脫出率高達98.48%。Vetting等[9]報道了一株根癌土壤桿菌，其分泌的環異構酶對馬鈴薯渣中的果膠具有較強的降解作用。Thomassen等[10]采用α-耐高溫淀粉酶在較低的溫度（70 ℃）和較長的時間（超過65 min）條件下處理馬鈴薯渣，并結合膜耦合反應器，徹底去除馬鈴薯渣中的淀粉組分，但這種處理方式過于復雜，無法在工業上得到推廣和應用。Camire等[11]采用酶解法降解馬鈴薯渣中的淀粉組分，并對其產物展開探索研究。研究發現，當溫度為55 ℃時，2 h內薯渣中的淀粉成分能夠全部水解成葡萄糖。目前，使用酶類物質可以降解馬鈴薯渣，但針對此種方法的研究太少，因而為馬鈴薯渣的降解提供了一條新方向。

1.3 微生物法降解

國內外學者積極研究微生物降解薯渣的方法，利用黑曲霉、白地霉、枯草芽孢桿菌等作為微生物菌種來降解馬鈴薯渣，并研究出適合的降解方法和合理的菌種組合。董佳程[12]利用黑曲霉的兩種菌株（原菌株及其突變菌株H3），在同樣生長環境中，各自接種于馬鈴薯半固體培養基，發酵4 d，之后進行單獨檢測。結果發現，與原菌株對纖維素39.25%的降解率相比，突變株H3可使纖維素的降解率高達80.54%。白夢嬌等[13]利用10株不同的微生物菌種（產朊假絲酵母、扣囊復膜酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、植物乳酸桿菌、米曲霉、康寧木霉、黑曲霉、綠色木霉和X霉菌）進行馬鈴薯渣發酵試驗。結果發現，馬鈴薯渣的粗纖維成分均能夠被這10種菌部分降解。在這10種菌株中，黑曲霉、植物乳酸桿菌和康寧木霉對薯渣中粗纖維的降解超過50%。在菌種組合當中，扣囊復膜酵母和康寧木霉組合、釀酒酵母和黑曲霉組合對粗纖維的降解率均多于50%。Wang等[14]采用果膠酶和纖維素酶對馬鈴薯渣進行預處理，然后接種白地霉、乳酸菌和酵母菌對其進行固態發酵，其發酵產物中粗纖維的含量顯著減小。孫雪穎[15]利用黑曲霉發酵法降解馬鈴薯渣中的果膠，使其降解率提高到39.90%。利用各種細菌、霉菌等微生物可以有效降解馬鈴薯渣。

2 馬鈴薯渣的應用

2.1 制備膳食纖維

馬鈴薯渣中含有極其豐富的膳食纖維，占其干基質量的50%左右[16]，因此可作為良好的膳食纖維獲取來源之一。薯渣膳食纖維的生理活性較好，具有良好的安全性能，且價格低廉。程力等[17]通過纖維素酶法改良馬鈴薯渣性能，酶解去除了淀粉的覆蓋效果，獲得的可溶性膳食纖維的相對分子質量及黏度相對較高，但其胰脂肪酶活力的抑制力相對較低。姚琦等[18]通過聯合酶法獲取馬鈴薯渣中的膳食纖維成分，再通過正交試驗的設計方法，得到α-淀粉酶和糖化酶共同處理的最優酶解條件。在最優酶解條件下，通過酶解得到的膳食纖維，其質量分數可達76.92%。與馬鈴薯渣相比，其持水性和持油性均明顯提高。呂金順等[19]通過水蒸氣爆破法與氧化劑法共同降解馬鈴薯廢渣，提取薯渣中的膳食纖維，而且對所得物質的結構特征進行分析。結果發現，在生物體內馬鈴薯渣中的膳食纖維對致病物質的吸附作用較強，還可以吸附體內的膽固醇。Klingspohn等[20]采用稀硫酸法水解馬鈴薯淀粉渣，再利用離心機對其進行離心分離，將薯渣中的淀粉及果膠成分從纖維素、半纖維素中分離獲得，之后將得到的纖維素、半纖維素以及馬鈴薯廢汁液作為混合培養基，接種里氏木霉制備纖維素酶。馬鈴薯渣可為加工和制備膳食纖維提供足夠的原料保障和來源，有很大的開發利用空間。

2.2 制備果膠

馬鈴薯渣中有含量較為豐富的膠質，占其干基質量的17%左右。果膠是一類具有親水性質的植物膠，有著良好的凝膠作用及乳化作用，通常用在食品包裝膜、生物培養基和食品添加劑等方面。以馬鈴薯渣為原料獲取其中的果膠，不僅開拓了馬鈴薯渣的應用范圍，還增加了果膠的原料來源。利用馬鈴薯渣生產果膠有微波法、沉淀法、酸法和酶提取法等，而且所得果膠的純度較高。王文霞等[21]分別采取4種不同方法對馬鈴薯渣中的果膠進行提取。結果顯示，檸檬酸法和鹽酸法獲取果膠的含量分別可達56.33%和55.62%，復合鹽法提取的果膠含量為52.56%，堿性磷酸鹽法的提取含量最低，為32.31%。楊金姝[22]通過超聲波-微波輔助鹽酸法對馬鈴薯渣中的果膠進行提取，在最佳提取條件下，果膠提取率為22.86%，而且薯渣中果膠乳化液的乳化性能相對較佳。高金波[23]使用耐高溫α-淀粉酶以及高轉化率糖化酶提取馬鈴薯渣中的果膠，使用上述兩種酶進行組合優化，在最佳優化條件下，薯渣中的果膠純度高于80%。Byg等[24]利用多聚半乳糖醛酸酶對馬鈴薯渣進行預處理，獲取其中的I型果膠，然后利用深層過濾和超濾的方法對Ⅰ型果膠進行純化處理。結果發現，與化學萃取法相比，這種方法能夠獲得相對分子質量更大的產物，提取效果較好。Meyer等[25]通過響應曲面法優化馬鈴薯渣中果膠的獲取條件。結果表明，在62.5 ℃、pH 3的條件下，添加戊聚糖酶反應1 h，果膠的收集時間更短，提取率更高。

2.3 生產動物飼料

馬鈴薯渣中的蛋白質以及粗纖維的含量十分豐富。提取得到的蛋白質可用作飼料添加劑，其營養功效及作用與脫脂奶粉相當。粗纖維的營養功效及作用與能量飼料相同，可以作為動物飼料使用，在反芻動物中的應用比較廣泛。Sugimoto等[26]用馬鈴薯渣對肉牛進行投喂。結果顯示，肉牛中瘤胃氨態氮的濃度得到提高，從而形成更多的瘤胃蛋白，有助于肉牛體重增加。將馬鈴薯渣作為蛋白質原料，通過固態或半固態的發酵方式制備單細胞蛋白飼料，已成為動物高蛋白飼料最有發展遠景的一個探究領域。周芳[27]利用單一菌種以及復合菌群對馬鈴薯渣進行發酵試驗。結果表明，與單菌和三株不同菌組合相比，兩株不同菌組合發酵的薯渣中粗蛋白含量最高。通過微生物的方法發酵蛋白飼料可以有效地獲得高產率的飼料。史琦云等[28]通過單株菌生料、熟料發酵和多株菌協生固態發酵等多種技術，制備馬鈴薯渣菌體蛋白飼料，并對使用不同發酵方法發酵前后的蛋白質、淀粉等營養組分含量進行定量檢測。結果表明，蛋白質含量分別提高13.45%，18.53%和22.16%。楊希娟等[29]利用白地霉、熱帶假絲酵母和黑曲霉，通過固態發酵的方式處理馬鈴薯渣，用以獲取菌體蛋白飼料。經過驗證可知，與固態發酵前相比，發酵后產物中的粗蛋白含量明顯增加。綜上所述，以馬鈴薯渣為原料制備動物蛋白飼料，是一種使廢棄物得到循環使用的有效可實施方法。

2.4 用作發酵培養基

馬鈴薯渣來源普遍、成本較低、營養成分繁多且含量豐富，因此可以代替葡萄糖等碳源作為廉價、綠色環保的固態或半固態發酵培養基。Haas等[30]將經糖化的馬鈴薯渣作為碳源，接入菌種R. eutroph NCIMB 11599，生產聚羥基丁酸脂，提供了一種新型的性價比超高的碳源來源。利用馬鈴薯渣生產檸檬酸和檸檬酸鈣，原料價廉易得、生產技術簡便、經濟效益顯著。Toru等[31]利用α-淀粉酶和葡萄糖酶糖化馬鈴薯渣，將糖化后得到的果糖當作碳源，發酵制備細菌纖維。Dishisha等[32]以甘油為底物，將馬鈴薯渣當作維生素源以及氮源，通過高密度發酵的方法制取丙酸。盧嘉寶[33]通過馬鈴薯渣培養基，發酵培養得到3種側耳屬食用菌：鳳尾菇、姬菇、小白側耳。研究得出3種食用菌的最適培養條件并預測了其產量。魏潔茹[34]利用馬鈴薯渣發酵制取乳酸菌肽，而且改進了薯渣水解液當中不同物質的最優組合方式，將乳酸菌肽的效價提升到4635.00 IU/mL。馬鈴薯渣用作發酵培養基是一種廢棄利用的可行舉措。

2.5 制備可食性包裝膜

可食性包裝膜，即一種無污染的新型材料，已變成食品包裝領域炙手可熱的研究方向。馬鈴薯渣中淀粉、纖維素、蛋白質和果膠等綠色可食性組分的含量十分豐富，可作為制作可食性膜的良好原料。其能夠應用在調味料、粉劑、油料、液態劑等食品綠色包裝領域，以及其他可食性包裝材料方面。李俊芳[35]對馬鈴薯渣制成的可食性膜進行了相關研究，把這種膜應用在方便面油料包的包裝當中，使用此膜包裝的方便面油料，在溫度45 ℃、相對濕度60%的狀態下，完好擱置保存30 d，沒有出現滲油現象。將其置于沸水中煮3～4 min可以被完全溶解。曹龍奎等[36]將馬鈴薯渣作為原料，通過流延法制備可食性膜，這種膜不但符合麥片、豆奶等食品的包裝標準，而且不會改變食品的固有風味。對馬鈴薯渣進行改性處理，不僅能夠增加膜體系的黏稠度和透明度，還可以增強該體系的空間網狀結構。周睿等[37]將改性后的羧甲基馬鈴薯渣作為原料，同時加入可以增加塑性、增高強度的改良助劑，再通過交聯共聚反應，研究制得一種新型的可食性包裝膜，此膜表面光滑均一，觸感軟綿細致并不易折斷，其機械、封合、阻隔與溶解功能很好。制備可食性包裝膜為綠色無污染開拓了新的探究方向。

2.6 生產新型吸附材料

近幾年，工業廢水中重金屬超標以及環境污染等問題逐漸嚴重，對人類的健康及生活都造成了極大的威脅，日益受到關注。與處理重金屬的傳統方法相比，生物絮凝吸附劑可有效規避成本高、周期長和二次污染等問題，被廣泛應用在水污染的處理方面。馬鈴薯渣也可作為原料生產吸附材料應用于污染治理方面。鹿寶鑫[38]將羧甲基化后的馬鈴薯渣作為原料，采用醚化改性的工藝，獲得一種綠色環保型的馬鈴薯淀粉渣吸附劑，利用其去除水溶液中的Pb2+，去除率可達95%，回收率可達90.4%。馬鈴薯渣也可用于高吸水樹脂的制取方面，李繼萍等[39]以馬鈴薯渣為原料合成高吸水樹脂，特異性吸附Pb2+。研究發現，與靜態吸附相比，此種高吸水樹脂的動態吸附速度較快，該結論為以后合成高吸水樹脂的研究提供可靠的參考數據。吳海霞等[40]將羧甲基化后的馬鈴薯渣當作原料，進行高吸水樹脂的合成。結果發現，當高吸水樹脂吸附Pb2+達到飽和狀態時，高吸水樹脂吸附和解吸Pb2+達到平衡。在透射電鏡下，能夠看到類似蜂窩形狀。說明經聚合與交聯，形成了結構繁瑣的三維多孔網狀結構，可應用在對離子材料的吸附方面。王小芳等[41]通過酶法處理制備馬鈴薯渣膳食纖維，探究其對Hg2+、Pg2+、Cd2+的吸附動力學，結果發現其對金屬離子展現出很好的吸附效果。Zhang等[42]將馬鈴薯渣進行碳化處理，并應用在吸附亞甲基藍染料方面。很多研究表明，酶法處理和微細化處理可以進一步提高膳食纖維類物質的吸附能力，將這些技術應用于馬鈴薯渣改性處理，有望進一步推動薯渣在制備吸附材料領域中的應用。

2.7 生產能源

馬鈴薯渣中的膳食纖維、淀粉和蛋白質等具有較高的燃燒熱值，可利用一些手段使其轉變成生物質能源，從而促進薯渣的轉化利用。以馬鈴薯渣為原料生產生物質能源一直是薯渣綜合應用領域的研究熱點。目前，已有許多研究人員利用不同微生物發酵薯渣，從而制備出燃料酒精、氫氣等產品[43]。楊麗英[44]將馬鈴薯渣作為底物，建立單雙相厭氧發酵系統。結果發現：與單相厭氧系統相比，雙相厭氧系統在甲烷的生產潛力、產出率、比產甲烷效率和能量回收效率方面均展現出更優良的性能，可達到較高的效率，有效提高能量的回收。Marihart[45]最早評估了利用馬鈴薯渣生產酒精的可行性，并認為通過合適的預處理提高糖化效率是該利用方式的關鍵。代淑梅等[46]對馬鈴薯渣發酵生產乙醇進行了探究。采用不同的預處理方式和不同的酶系復配比例，進行優化后，乙醇的生產量可以達到9.06% vol。蘇檳楠等[47]在水果和蔬菜等多種產品樣本中篩選出1株菌株Z40，該菌株可利用馬鈴薯渣發酵生產酒精，并對其酒精發酵能力進行研究。結果表明，優化發酵條件后酒精產率可達到333.3 mL/kg。綜上，馬鈴薯渣可應用在生產生物質能源方面，從而降低其對環境的污染，提高薯渣的利用率和經濟價值。

3 結語與展望

馬鈴薯是世界上常見的農作物之一，我國的馬鈴薯資源極其豐富，被大面積種植。到2015年為止，我國的馬鈴薯耕種面積占全世界耕種總面積的25%，產量占世界總產量的20%[48]。產業結構不斷整改的同時，馬鈴薯加工產業也在快速成長，薯渣的產量也連年增加。馬鈴薯渣價格低廉且來源普遍，營養物質含量豐富，研究潛能巨大，具有良好的市場發展預期。如今，我國在研究和應用馬鈴薯渣方面比較局限，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開發利用馬鈴薯渣以及如何提升馬鈴薯渣的綜合利用率，其中包括改善馬鈴薯渣中營養物質的提取工藝、利用馬鈴薯渣制備高蛋白動物飼料、生產化工原料及燃料氣體等。綜上所述，合理高效地利用馬鈴薯渣，既可有效地提高自然能源的利用率，又能夠避免其對環境的污染，具有很高的經濟價值以及社會效益。