馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中薯渣的有效利用技術(shù)

顧正彪, 程 力, 洪 雁, 李兆豐

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室/食品學(xué)院,江蘇無錫 214122)

我國馬鈴薯資源豐富，其種植面積和產(chǎn)量均占到世界總量的20%以上，是世界馬鈴薯生產(chǎn)第一大國[1].據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，2010年我國馬鈴薯種植面積達(dá)507.75萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)7 479.91萬 t，連續(xù)16年位居世界首位[2].

馬鈴薯加工業(yè)是隨著我國農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)和食品工業(yè)發(fā)展而興起的新興行業(yè)，加工量和產(chǎn)值逐年遞增.馬鈴薯淀粉加工則是我國馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，2010年產(chǎn)量達(dá)45萬t，消耗馬鈴薯約300萬t，產(chǎn)值約36億元.

馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)物，每噸淀粉一般產(chǎn)生6.5～7.5 t左右的廢渣.隨著馬鈴薯淀粉產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，副產(chǎn)物馬鈴薯渣的產(chǎn)量逐漸增大，薯渣的不易利用已成為制約馬鈴薯淀粉加工行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題.

馬鈴薯渣的主要成分為水、細(xì)胞碎片和殘余淀粉顆粒，并含有淀粉、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等可利用成分，具有一定的開發(fā)利用價值[3].發(fā)展馬鈴薯廢渣有效利用技術(shù)，實現(xiàn)馬鈴薯淀粉加工廢棄物的快速、批量轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化推廣，符合《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中提出的 “發(fā)展廢棄物等資源化利用技術(shù)”的要求，有利于解決馬鈴薯淀粉加工廢渣處理的難題，降低馬鈴薯淀粉生產(chǎn)成本，促進馬鈴薯加工業(yè)的健康發(fā)展.

1 馬鈴薯渣的主要成分與性能

馬鈴薯鮮薯中的干物質(zhì)含量平均約為25%，在進行淀粉生產(chǎn)的過程中，可以提取其中占鮮薯總質(zhì)量17%左右的淀粉，剩余6%左右的渣滓(以干物質(zhì)計)和2%左右的可溶性物質(zhì)被排放[4].馬鈴薯渣主要含有水、細(xì)胞碎片、薯皮細(xì)胞或細(xì)胞結(jié)合物以及殘余的淀粉顆粒物質(zhì)，其主要成分包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、脂肪和鹽類等，其在干渣中的含量如表1.

表1 馬鈴薯渣干渣中各組分所占比例Tab.1 Components of conventional potato pulp %

新鮮馬鈴薯渣的水分含最量高可達(dá)90%以上，呈現(xiàn)水渣緊密結(jié)合的漿狀物料性質(zhì)，且表現(xiàn)出典型膠體的理化特征.馬鈴薯渣中的水分存在于殘余的薯皮細(xì)胞中，且與纖維和果膠都存在一定的結(jié)合作用，導(dǎo)致水分除去非常困難，干燥成本極高.同時，薯渣中含有多種微生物，易腐壞變質(zhì)，不易儲存和運輸，加大了開發(fā)和再利用的難度.

2 傳統(tǒng)馬鈴薯渣加工利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

馬鈴薯渣含有淀粉、纖維素、果膠及少量蛋白質(zhì)等可利用組分，具有一定的開發(fā)利用價值和潛力.目前，對馬鈴薯渣的加工利用主要包括作為底物發(fā)酵轉(zhuǎn)化利用和提取有益組分2個方向.

2.1 發(fā)酵轉(zhuǎn)化利用

2.1.1 發(fā)酵生產(chǎn)飼料

馬鈴薯渣含有淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等組分，具有作為飼料應(yīng)用的潛力，但其適口性差，粗纖維含量高，而蛋白質(zhì)含量較低，無法直接作為飼料.利用馬鈴薯豐富的營養(yǎng)成分，作為微生物發(fā)酵的底物，通過微生物發(fā)酵提高蛋白質(zhì)含量并改善其營養(yǎng)配比，可以將馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化為動物飼料，實現(xiàn)加工利用.

采用半固態(tài)、固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料，是馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化飼料較為常見的方法，它具有能耗低，方法簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)的特點.劉雪蓮等[5]以黑曲霉、白地霉和熱帶假絲酵母為發(fā)酵菌種，采用固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣制備菌體蛋白飼料，產(chǎn)物中粗蛋白含量達(dá)43.94%;趙萍等[6]采用半固態(tài)法發(fā)酵薯渣，并通過多次正交優(yōu)化設(shè)計實驗，提高粗蛋白含量可達(dá)57.49%.

通過微生物發(fā)酵馬鈴薯渣雖然都能提高蛋白質(zhì)含量，但是由于其自身蛋白質(zhì)含量較低，粗纖維含量較高，且微生物發(fā)酵可利用的碳源較少，需要加入大量的其他營養(yǎng)源，顯著增加了成本.同時由于發(fā)酵周期長等諸多問題，利用馬鈴薯渣生產(chǎn)蛋白飼料尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用.

2.1.2 發(fā)酵轉(zhuǎn)化其他產(chǎn)品

將馬鈴薯渣通過微生物發(fā)酵，轉(zhuǎn)化成新的高附加值發(fā)酵產(chǎn)品，是馬鈴薯渣再利用的另一個主要途徑.國內(nèi)外學(xué)者利用不同種類的微生物菌種發(fā)酵馬鈴薯渣，制備出燃料酒精、乳酸、草酸、檸檬酸、聚丁烯、果糖、維生素等發(fā)酵產(chǎn)品.國內(nèi)有學(xué)者報道了通過篩選合適菌種和改進培養(yǎng)基配方利用馬鈴薯渣發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸[7]，可產(chǎn)生較高的附加值;日本利用馬鈴薯渣代替部分糧食原料制備醬油和醋，可節(jié)約生產(chǎn)成本，是適合家庭作坊式生產(chǎn)的實用方法.在馬鈴薯渣發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精方面，國外已逐步開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，目前已建成每年可將馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化為4萬t燃料酒精的生產(chǎn)線.此外，馬鈴薯渣還可作為發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的主要原料，Klingspohn等[8]將果膠和淀粉從纖維素及半纖維素中分離出來，并接種里氏木霉生產(chǎn)纖維素酶.

2.2 提取有效組分

2.2.1 提取利用纖維素組分

馬鈴薯渣中具有較高的纖維素含量，薯渣膳食纖維持水力、膨脹力較高，有良好的生理活性，是一種廉價的膳食纖維來源.

薯渣膳食纖維的提取工藝方法主要包括酒精沉淀法、酸堿法、擠壓法、酶法等.呂金順等[9]采用淀粉酶處理薯渣，并通過酸解、堿解、干燥、粉碎等步驟制備了性能優(yōu)良的薯渣膳食纖維.Anne等[10]利用纖維素酶處理薯渣并優(yōu)化了膳食纖維提取的最佳工藝，確定了該纖維素的分子大小和分子組成.王卓等[11]采用酸處理、中溫α-淀粉酶處理和耐高溫α-淀粉酶處理3種工藝條件分別制得了馬鈴薯膳食纖維產(chǎn)品，通過比較實驗表明馬鈴薯膳食纖維的陽離子交換能力優(yōu)于市售燕麥纖維，且酸處理所制得的膳食纖維綜合性能最好.目前，從馬鈴薯渣中提取或制備膳食纖維的技術(shù)路線比較復(fù)雜，產(chǎn)品得率較低，成本較高，且生產(chǎn)過程中易對環(huán)境造成二次污染.

在薯渣纖維素提取利用方面，國外已把馬鈴薯渣作為一種重要的、廉價的膳食纖維資源，并不僅僅停留于纖維素提取領(lǐng)域，而是探索了將馬鈴薯渣處理直接添加到食品中作為脂肪替代物和纖維素添加劑，用于生產(chǎn)休閑糕點、餅干，適用于糖尿病、肥胖癥、心腦血管疾病、腸癌及其他營養(yǎng)失調(diào)的病人.

2.2.2 提取利用果膠組分

馬鈴薯渣中具有一定的果膠含量，約占干基的10%～25%，是一種潛在的果膠來源.一般均采用條件較為溫和的提取方法從薯渣中提取果膠，盡量保證其結(jié)構(gòu)完整性.鄭燕玉等[12]在微波條件下，用稀硫酸溶液萃取、硫酸鋁沉淀提取果膠.Turquois等[13]在不同條件下提取果膠，并對其凝膠性能進行了比較和分析.萬建華等[14]以馬鈴薯渣為原料，分別采用水法、酸法和酸法+微波提取，飽和硫酸鋁沉析的方法制備果膠，優(yōu)化后的產(chǎn)品得率分別為14.8%，17.7%和17.9%;對所提取的果膠進行分離純化后分析了其主要組成，并添加到酸奶中取得了較好的應(yīng)用效果.目前，不同工藝提取的馬鈴薯渣果膠的凝膠強度都相對偏低，且較為復(fù)雜的提取工藝和較低的得率也限制了馬鈴薯渣果膠提取利用技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.

3 傳統(tǒng)馬鈴薯渣加工利用技術(shù)存在的問題

3.1 加工利用技術(shù)實施周期長,馬鈴薯渣易腐敗變質(zhì)

馬鈴薯渣含水量極高(90%以上)，不能作為固體培養(yǎng)基直接利用，必須將含水量調(diào)到65% ～70%左右，但由于果膠的存在提高了黏度，淀粉、纖維素的存在增加了持水力，無法采用傳統(tǒng)的過濾、離心等方法脫水，也無法通過氣流干燥、真空干燥等常見干燥設(shè)備快速烘干，顯著增加了烘干的成本.同時，由于薯渣營養(yǎng)豐富，極利于微生物生長，易腐敗變質(zhì)，若采用生料發(fā)酵染菌的概率很大，發(fā)酵條件難以控制.提取利用馬鈴薯渣中纖維素、果膠等有益組分的方法，制備工藝較為復(fù)雜，且無法實現(xiàn)快速、連續(xù)化的消納薯渣，極易導(dǎo)致馬鈴薯渣變質(zhì)并影響后繼處理流程的進行.馬鈴薯淀粉加工具有明顯的季節(jié)性，薯渣的產(chǎn)生也相對集中，日產(chǎn)量巨大，若采用發(fā)酵和提取等處理量有限、轉(zhuǎn)化周期較長、非連續(xù)性的處理方法，勢必會導(dǎo)致馬鈴薯渣大量堆積而變質(zhì).

3.2 加工利用技術(shù)轉(zhuǎn)化率偏低,未實現(xiàn)對薯渣整體的高效利用

馬鈴薯渣組分十分復(fù)雜，含有包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、寡肽、多肽等多種化學(xué)成分.但是，上述組分相對于濕基來說含量均較低(＜5%)，且所占比例受生產(chǎn)批次、地域影響較大，對于馬鈴薯渣中單一組分高效提取利用的難度較高，導(dǎo)致馬鈴薯渣中提取或制備有益物質(zhì)的技術(shù)路線復(fù)雜，產(chǎn)品得率低，實現(xiàn)規(guī)模化加工困難，缺乏實用及推廣價值，且提取利用完所剩的副產(chǎn)物也面臨著處理的難題.此外，由于馬鈴薯渣的淀粉、蛋白質(zhì)組分含量較低、粗纖維含量較高、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，在薯渣發(fā)酵轉(zhuǎn)化利用的過程中單純依靠薯渣殘留淀粉根本無法提供發(fā)酵過程中菌體生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，還需要加入大量的碳源、氮源等組分滿足微生物生長對培養(yǎng)基的要求，導(dǎo)致其產(chǎn)品造價較高、得率較低，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).

3.3 加工利用技術(shù)綜合效益不高,市場化推廣難度大

無論是利用馬鈴薯渣生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，還是從中提取有益物質(zhì)，面臨的主要問題就是馬鈴薯渣的營養(yǎng)價值較低，所開發(fā)的飼料、乙醇、氨基酸、果膠、膳食纖維等產(chǎn)品在性能上不具備優(yōu)勢，成本上卻遠(yuǎn)高于常規(guī)的生產(chǎn)方法，轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的效益差，市場化推廣難度較大.同時，現(xiàn)有的薯渣加工方式工藝流程較為復(fù)雜，發(fā)酵和提取利用的處理方式均無法實現(xiàn)快速、連續(xù)大批量處理薯渣，也沒有實現(xiàn)對馬鈴薯渣全部組分的有效利用，無法滿足馬鈴薯淀粉加工企業(yè)對于成本低廉、處理高效的薯渣綜合利用技術(shù)的實際需求.

4 新型馬鈴薯渣整體高效利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 利用薯渣制備具有較好增重效果和功能特性的飼料

馬鈴薯渣中含有淀粉、纖維素、果膠、氨基酸等多種有益營養(yǎng)成分，具有應(yīng)用于動物飼料的潛力，但若直接作為飼料則營養(yǎng)價值低、口感差，若烘干制成干飼料則成本過高.

曲娜(本課題研究組)[15]采用耐高溫型α-淀粉酶對馬鈴薯渣進行一定程度的酶解，經(jīng)調(diào)整和優(yōu)化與玉米粉、蛋白胨、魚粉等其他飼料組分的混合比例，可根據(jù)實際需要制成液體飼料或顆粒飼料，并通過動物實驗獲得良好的增重效果.對薯渣進行整體利用制備動物飼料的工藝流程如圖1.

圖1 利用薯渣制備動物飼料的工藝流程Fig.1 Process diagram of animal feed made from potato pulp

該研究通過對馬鈴薯渣進行適度酶解，產(chǎn)生部分小分子糖使適口性有所改善，并使馬鈴薯渣中的可溶性膳食纖維等組分暴露出來.馬鈴薯渣經(jīng)酶解后持水率、持油率、膨脹率、陽離子交換能力、纖維素轉(zhuǎn)化率、小分子糖含量、淀粉水解率、乳化性和乳化穩(wěn)定性等均有所提高.將酶解后的馬鈴薯渣添加到大鼠飼料中取代部分麩皮，以馬鈴薯渣原漿和未添加薯渣的飼料作對照，考察馬鈴薯渣對大鼠生長性能和腸道菌群的影響的研究表明:添加酶解馬鈴薯渣飼料喂養(yǎng)的大鼠(酶解組)增重效果明顯高于未添加薯渣的飼料(對照組)和添加馬鈴薯渣原漿喂養(yǎng)的大鼠(原漿組)(見表2);酶解組回腸、盲腸、結(jié)腸內(nèi)容物及相應(yīng)黏膜上乳酸桿菌數(shù)量顯著高于對照組和原漿組(見表3);酶解組飼料的潤腸效果較好，大鼠糞便含水量較高.該處理方式采用較為常見、易于實現(xiàn)的生物酶法方式處理馬鈴薯渣，并通過將薯渣與其他飼料組分共混，顯著提高了固形物含量，大大降低了烘干難度并提高了干燥效率，具有較高的處理速度和極高的綜合利用效率，所制備的動物飼料成本與普通飼料成本基本一致，具有大規(guī)模推廣和應(yīng)用的潛力.

表2 酶解改性馬鈴薯渣飼料動物實驗結(jié)果對照Tab.2 Effects of animal feed made from enzymatic hydrolyzed potato pulp on growth performance of rats

表3 酶解改性馬鈴薯渣飼料對大鼠回腸、盲腸、結(jié)腸內(nèi)乳酸桿菌的影響Tab.3 Population of lactoacillus in ileum，cecum and colon of rats with different samples

4.2 利用薯渣制備高膳食纖維含量的食品增稠劑

馬鈴薯渣組分中含有的淀粉、果膠等組分均為理想的增稠劑，但是由于馬鈴薯細(xì)胞碎片、纖維素等組分的包裹作用，黏度較低，且纖維素等組分以較大的顆粒形態(tài)存在，影響了體系的均勻性及流動性，也導(dǎo)致了粗糙的口感.

陳菊紅(本課題研究組)[16]通過膠體磨對馬鈴薯渣進行超微粉碎處理，使馬鈴薯渣細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)得到了降解，薯渣纖維親水性增強，薯渣顆粒比表面積較大，纖維之間的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于松散，體系的黏稠度、均勻性有顯著改善，且具有較好的應(yīng)用性能和功能特性(見表4)，并通過輥筒干燥得到了一種富含膳食纖維、具有一定黏度、均勻性較好的增稠劑產(chǎn)品，制備高膳食纖維薯渣食品增稠劑的工藝路線如圖2.

表4 改性前后馬鈴薯渣膳食纖維主要性能對比Tab.4 Comparison of functional performances between treated potato pulp and control

改性后的馬鈴薯渣添加到曲奇制備過程中的應(yīng)用實驗表明:改性薯渣可延長曲奇的貯存期，能抑制曲奇風(fēng)味的散失、延緩曲奇硬度的上升和抑制曲奇中油脂的氧化作用;在改性薯渣添加量為10%時餅干的品質(zhì)與對照品相差較小，且隨著貯存時間的延長，添加改性薯渣的曲奇總體呈現(xiàn)出較對照品更好的感官品質(zhì).

圖2 高膳食纖維薯渣食品增稠劑制備的工藝流程Fig.2 Process diagram of dietary fiber made from potato pulp

該薯渣處理應(yīng)用方式通過采用易于在工業(yè)化大生產(chǎn)中實現(xiàn)的膠體磨超微粉碎和輥筒干燥的物理改性處理方式，生產(chǎn)高膳食纖維的增稠劑，實現(xiàn)了對馬鈴薯渣的整體高效利用，且可以實現(xiàn)連續(xù)化的生產(chǎn).

4.3 利用薯渣制備瓦楞紙板用黏合劑

馬鈴薯渣干物質(zhì)中淀粉組分的含量在40%左右，且果膠等組分也具有一定的黏接性能，但由于纖維素等不溶性大顆粒組分的存在，體系均勻性及流動性較差，且初黏力較低.

程力(本課題研究組)等[17]通過優(yōu)化膠體磨超微粉碎處理以及高壓蒸汽處理的工藝條件及組合方式，充分破壞馬鈴薯渣中的大顆粒組分，顯著降低粒徑大小，提高了體系均勻程度和流動性.在此基礎(chǔ)上，借鑒瓦楞紙板用淀粉膠黏劑的制備工藝，并根據(jù)馬鈴薯渣的特有性質(zhì)作出調(diào)整和優(yōu)化，制備了一種可應(yīng)用于瓦楞紙板黏接的膠黏劑，制備工藝流程如圖3.

圖3 馬鈴薯渣改性制備瓦楞紙板黏合劑的工藝流程Fig.3 Process diagram of corrugated paper adhesive made from potato pulp

所制得膠黏劑產(chǎn)品與傳統(tǒng)的淀粉黏合劑和泡花堿的性能進行對比，結(jié)果表明(見表5)，馬鈴薯渣黏合劑應(yīng)用于瓦楞紙板生產(chǎn)的效果與目前廣泛使用的淀粉黏合劑基本一致，且明顯優(yōu)于泡花堿的黏接效果.

該馬鈴薯渣瓦楞紙板用膠黏劑的制備方法轉(zhuǎn)化率高(接近100%)，工藝流程對設(shè)備的要求低，且無二次污染物產(chǎn)生，處理成本約400元/t.通過對馬鈴薯渣的改性處理，將難于處理的污染物馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化為瓦楞紙板工業(yè)上用量較大的黏合劑，既解決了困擾馬鈴薯淀粉加工企業(yè)的薯渣污染難題，又增加了企業(yè)效益，具有一定的指導(dǎo)和推廣價值.

表5 薯渣黏合劑與淀粉黏合劑及泡花堿的性能對比Tab.5 Comparison of main performances between adhesive made from potato pulp，starch based adhesiveand________sodium silicate

上述3種處理方法均應(yīng)用在工業(yè)大生產(chǎn)中易于實現(xiàn)的物理、化學(xué)及生物酶解等方法處理馬鈴薯渣，對薯渣中所含的淀粉、纖維素、果膠等主要組分進行整體有效利用，生產(chǎn)出飼料、增稠劑、膠黏劑等產(chǎn)品，可實現(xiàn)對馬鈴薯渣的快速、大批量處理，是馬鈴薯渣處理最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑?

5 結(jié) 論

我國馬鈴薯產(chǎn)量長期位居世界首位，馬鈴薯淀粉作為最重要的馬鈴薯深加工產(chǎn)品有著廣闊的市場前景，“十二五”末期馬鈴薯淀粉年產(chǎn)量將達(dá)100萬t，同時將產(chǎn)生超過600萬t的馬鈴薯渣廢棄物，急需快速、規(guī)?；母咝ЬC合利用技術(shù)消化處理.

傳統(tǒng)的發(fā)酵轉(zhuǎn)化、提取有益物質(zhì)等薯渣綜合利用的研究大部分只是停留在研發(fā)或小試階段，成功實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)很少，我國淀粉加工企業(yè)馬鈴薯渣的處理方式仍主要停留在堆積晾曬后作為低價飼料出售的初級階段.尋找既能解決馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)廢料處理問題，提高企業(yè)的環(huán)保水平，又能增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，并與我國馬鈴薯淀粉加工發(fā)展現(xiàn)狀相匹配的馬鈴薯渣高效整體利用技術(shù)，是我國馬鈴薯淀粉加工業(yè)健康發(fā)展的必然需求.

將馬鈴薯廢渣作為整體通過物理、化學(xué)以及生物等改性手段，對其富含的多種有益組分加以充分利用，并遵循“就近處理、簡單易行、規(guī)模消納、整體利用”的原則，根據(jù)馬鈴薯淀粉加工企業(yè)所在地實際情況發(fā)展功能性飼料、高膳食纖維增稠劑、瓦楞紙板黏合劑等產(chǎn)品，實現(xiàn)馬鈴薯淀粉加工廢棄物的快速、規(guī)?；{，可以有效解決我國馬鈴薯淀粉加工行業(yè)薯渣處理的難題.

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