甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)研究

靳艷玲 丁 凡 余金龍 沈維亮 方 揚 譚 力 易卓林 何開澤 趙 海

(中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室；環(huán)境微生物四川省重點實驗室；中國科學(xué)院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院2，綿陽 621000)

甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)研究

靳艷玲1丁 凡2余金龍2沈維亮1方 揚1譚 力1易卓林1何開澤1趙 海1

(中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室；環(huán)境微生物四川省重點實驗室；中國科學(xué)院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院2，綿陽 621000)

甘薯是營養(yǎng)豐富、具有保健功能的作物，為了改善目前甘薯加工產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重的問題，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室以清潔生產(chǎn)為核心，利用酶及微生物進行了甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究。基于復(fù)合降黏酶的降黏技術(shù)可使甘薯黏度下降90%以上，高效乙醇發(fā)酵技術(shù)實現(xiàn)了在萬噸級生產(chǎn)線上于30 h內(nèi)乙醇濃度達12%(V/V)，果酒釀造技術(shù)使甘薯酒濃度達11%(V/V)，果醋釀造技術(shù)使甘薯醋濃度達36 g/L，乳酸益生菌飼料制備技術(shù)使甘薯淀粉加工廢渣中乳酸菌數(shù)達 3.04×108cfu/g，蛋白飼料制備技術(shù)將甘薯淀粉加工廢渣中蛋白含量增加至18%。相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣有助于拓展加工產(chǎn)品種類，推動甘薯加工向精、深加工發(fā)展。

甘薯 生化轉(zhuǎn)化 乙醇 果酒 果醋 飼料

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)Lam.]又名紅薯、紅苕、地瓜，為旋花科一年生草本植物。起源于南美洲[1]，明朝傳入中國后，因其獨具的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)特性和廣泛的適應(yīng)性曾在中國歷史上發(fā)揮過重要作用，為解決中國人口激增帶來的溫飽問題作出了重要貢獻[2]。目前，中國已發(fā)展為世界第一大甘薯生產(chǎn)國，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，2014年我國甘薯產(chǎn)量為7 154萬t，占全球甘薯總產(chǎn)量的67%。

隨著我國糧食產(chǎn)量的增加，甘薯的主要用途已由在“一年甘薯半年糧”的困難時期作為糧食轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募Z食、飼料和工業(yè)原料等多種用途。人們也已逐步認識到甘薯的保健功能。甘薯的能量、脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、糖含量、磷鐵含量與米飯、熟面、馬鈴薯和芋頭等不相上下，而食用纖維、鈣以及維生素A 的含量遠遠大于上述主要食物，營養(yǎng)均衡、全面[3]。因此，甘薯被日本國家癌癥研究中心評選為“抗癌蔬菜”之首[4]，我國明朝醫(yī)學(xué)家李時珍在其所著的《本草綱目》中對甘薯的保健功能也有描述——“海中之人多壽，亦由不食五谷，而食甘薯故也”。

加工是提升農(nóng)產(chǎn)品價值的重要手段。雖然甘薯具有特殊的營養(yǎng)保健價值，但是目前我國甘薯加工產(chǎn)品品種很少，每年約50%的甘薯用于產(chǎn)后加工，淀粉、粉絲、粉條等“三粉”加工仍是甘薯加工的主體，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，缺乏精深加工技術(shù)和產(chǎn)品，附加值低，新型甘薯產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)跟不上市場的需求[5]。

因此，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室根據(jù)甘薯的成分特點，以清潔生產(chǎn)為核心，利用酶及微生物進行了甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究與推廣，不但可以延伸產(chǎn)業(yè)鏈，而且可以提高廢棄物的利用率、提高產(chǎn)品的附加值，以期促進甘薯產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

1 甘薯降黏技術(shù)

甘薯為典型的非牛頓流體, 黏度超過4×104mPa.s，呈半固體狀、完全沒有流動性，而一般可進行管道傳輸?shù)那逡涸系陌l(fā)酵液黏度小于100 mPa.s。黏度高是薯類原料的突出特征，在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，會導(dǎo)致甘薯原料傳輸、傳熱、傳質(zhì)困難。在進行微生物發(fā)酵時，高黏度造成的局部溫度、產(chǎn)物濃度過高會直接導(dǎo)致微生物的代謝活力差、發(fā)酵效率低。為解決這一問題，目前生產(chǎn)上常通過大量加水增加流動性，從而導(dǎo)致原料被稀釋、底物濃度低、產(chǎn)物濃度低、產(chǎn)物提取能耗高、廢液和廢渣排放量高。

為了解決這一瓶頸問題，必需首先確定黏度產(chǎn)生的機制，從而為降黏技術(shù)的開發(fā)明確的作用靶點。因此，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室與丹麥哥本哈根大學(xué)合作，利用其針對多糖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)開發(fā)的載體固定化多糖單克隆抗體雜交微陣列分析技術(shù)平臺，解析了不同黏度甘薯原料發(fā)酵過程中多糖及糖苷鍵的動態(tài)變化規(guī)律，研究了黏度相關(guān)物質(zhì)的種類和糖苷鍵連接方式，解析了黏度產(chǎn)生的機制。結(jié)果表明甘薯黏度產(chǎn)生機制較為復(fù)雜，與ɑ-1-5-阿拉伯聚糖、β-1-4半乳聚糖、同聚半乳糖醛酸、阿拉伯半乳聚糖糖蛋白等多種成分相關(guān)[6]。

根據(jù)黏度產(chǎn)生機制，在辨析原料組織結(jié)構(gòu)、研究多種水解酶作用特點及協(xié)調(diào)作用規(guī)律、集成復(fù)配酶及自產(chǎn)酶作用特點的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代酶工程技術(shù)，根據(jù)糖苷鍵結(jié)構(gòu)理性篩選復(fù)合酶系，開發(fā)了高效水解復(fù)合酶配伍及應(yīng)用技術(shù)，可將甘薯原料的黏度由4×104mPa.S以上降低至1×103mPa.S以下。將此多酶復(fù)合預(yù)處理降黏技術(shù)應(yīng)用于其他非糧淀粉質(zhì)原料木薯和芭蕉芋，同樣取得了突出的降黏效果——黏度下降率分別達到97.45%及96.43%。同時，篩選了復(fù)合降黏酶產(chǎn)生菌，其中CMC 37 可同時產(chǎn)生7 種以上的酶，協(xié)同降黏效果與商品化酶相當(dāng)[7]，解決了薯類原料黏度高、不利傳質(zhì)的關(guān)鍵共性技術(shù)難題。另外，降黏處理還促進了原料中的淀粉及非淀粉多糖的水解，從而提高原料利用率[8]。

2 甘薯乙醇發(fā)酵技術(shù)

乙醇行業(yè)是在我國國民經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用的基礎(chǔ)原料行業(yè)，主要用于化工、食品、軍工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，在原油價格持續(xù)高位運行的刺激下，乙醇還作為石油的替代品得到了越來越廣泛的應(yīng)用，2007 年 9 月中國國家發(fā)展和改革委員會公布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》已將甘薯列為重點發(fā)展的燃料乙醇原料。近年來，我國乙醇產(chǎn)量始終保持上漲態(tài)勢，2014年全國發(fā)酵酒精產(chǎn)量達到了984.27萬千升。隨著乙醇產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以玉米等糧食作物為主的生產(chǎn)模式日現(xiàn)弊端。甘薯等薯類原料富含淀粉、資源總量豐富，已成為發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的重要原料[9]。

為了提升乙醇轉(zhuǎn)化效率，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室針對甘薯乙醇發(fā)酵醪高壓非牛頓流體環(huán)境，通過逐步增加菌株的多種適應(yīng)性，模擬了大體系、低傳質(zhì)、高乙醇和二氧化碳反饋抑制的生產(chǎn)條件，定向選育獲得了1株可耐受40 ℃高溫，0.2 MPa高壓，生產(chǎn)18% (V/V)乙醇的酵母菌，具有耐高濃度乙醇、耐高溫、耐產(chǎn)物反饋、耐高黏度、耐大體系壓力5大抗性。在高效降黏技術(shù)的配合下，以鮮甘薯為原料，在西南地區(qū)最大的乙醇生產(chǎn)企業(yè)—資中縣銀山鴻展工業(yè)有限責(zé)任公司萬噸級生產(chǎn)線上，發(fā)酵時間由現(xiàn)有技術(shù)的60 h以上縮短為30 h以內(nèi)，乙醇濃度由5%～6% (V/V)提高到10%～12%(V/V)，達到了木薯干發(fā)酵產(chǎn)乙醇的水平[10]。

3 甘薯果酒、果醋、膳食纖維生產(chǎn)技術(shù)

為了充分挖掘和利用甘薯的保健功能，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室開發(fā)了甘薯果酒、果醋、膳食纖維分級加工利用技術(shù)。首先將鮮甘薯進行酒精發(fā)酵生產(chǎn)果酒，然后將果酒發(fā)酵廢渣進行醋酸發(fā)酵生產(chǎn)果醋，最后將果醋發(fā)酵剩余殘渣制作成膳食纖維。結(jié)果不同品種甘薯果酒濃度平均可達11% (V/V)，醋酸濃度可達36 g/L以上，達到了GB/T 18187—2000《釀造食醋》對總酸度的要求。果酒、果醋及殘渣具有較高的抗氧化活性，對DPPH·的清除率最高可達96.8%(結(jié)果見表1)。經(jīng)過酒精和醋酸發(fā)酵后的殘渣熱量低，基本不含糖，膳食纖維含量達到67.3%，在干燥的過程中通過美拉德反應(yīng)產(chǎn)生香氣，氣味芳香，可用于生產(chǎn)膳食纖維保健食品。

表1 果酒、果醋及殘渣的抗氧化活性

注：抗氧化活性的大小用對DPPH·的清除率來表示。

4 甘薯淀粉加工廢渣乳酸益生菌飼料發(fā)酵技術(shù)

目前，我國甘薯加工業(yè)主要集中于生產(chǎn)淀粉、粉絲、粉條等，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢渣。年產(chǎn)3 000 t甘薯淀粉的企業(yè)，每年所產(chǎn)生的濕甘薯渣就高達 4 000 t以上。其含水量在75%以上，不易儲存和運輸，且?guī)в卸喾N微生物，腐敗變質(zhì)后易造成嚴重的環(huán)境污染。僅2005年我國就有4.66×107t 甘薯廢渣被作為廢物丟棄，如何開發(fā)利用這些甘薯廢渣已經(jīng)成為當(dāng)前我國甘薯淀粉行業(yè)迫切需要解決的難題。

薯渣中殘余淀粉含量最高可達60%左右[11]，若不能有效利用不僅會帶來環(huán)境污染，還是一種資源浪費。元素分析結(jié)果顯示甘薯淀粉加工廢渣是一種高C、H含量的生物質(zhì)，基于這一特點，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室建立了低成本、簡工藝、高效率的甘薯廢渣發(fā)酵同步生產(chǎn)益生菌和乳酸的工藝。發(fā)酵效率可達 96.55%，薯渣中活菌數(shù)達 3.04×108cfu/g。該工藝不僅適于工業(yè)化生產(chǎn)乳酸，同時可被廣大甘薯淀粉加工農(nóng)戶就地作為家畜飼料利用[12]。

5 甘薯淀粉加工廢渣蛋白飼料發(fā)酵技術(shù)

我國是一個飼料蛋白資源嚴重短缺的大國，每年需從國外進口大量豆粕、魚粉等以填補國內(nèi)市場的不足[13]，利用食品工業(yè)廢料、農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、農(nóng)作物秸稈等廢棄物資源發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白是當(dāng)前研究開發(fā)的熱點[14-15]，既可變廢為寶，解決日益嚴峻的環(huán)境污染問題，又為快速發(fā)展的養(yǎng)殖業(yè)提供短缺的高蛋白飼料。為此，國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室以甘薯淀粉加工廢渣為原料，綜合應(yīng)用酶解與酵母菌固體發(fā)酵技術(shù)，通過正交試驗，獲得薯渣發(fā)酵蛋白的最佳工藝。解決了薯渣中N元素相對匱乏的問題，實現(xiàn)了外加廉價無機氮源向蛋白質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化，發(fā)酵后薯渣中的蛋白含量達18%。

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Bioconversion technologies from Sweetpotato

Jin Yanling1Ding Fan2Yu Jinlong2Shen Weiliang1Fang Yang1Tan Li1Yi Zhuolin1He Kaize1Zhao Hai1
(Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, CAS1, Chengdu 610041)(Mianyang Institute of Agricultural Science2, Mianyang 621000)

Sweetpotato is a nutrient rich and healthy crop. In order to improve the serious homogenization of sweetpotato products, Division of Sweetpotato Processing and Utilization, China Agriculture Research System conducted a study on bioconversion technologies from sweetpotato with the application of enzymes and microorganisms by taking cleaner production as core Viscosity of sweetpotato mash was reduced by more than 90% with the compound enzymes. In the 10000 ton production line, ethanol concentration reached 12% (V/V) within 30 h by the developed high efficiency ethanol fermentation technology. Alcohol concentration reached 11% (V/V) by the developed fruit wine brewing technology. Acid concentration reached 36 g/L by the developed fruit vinegar brewing technology. The developed lactic acid probiotics feed preparation technology made the number of lactic acid bacteria in the waste residue of sweetpotato up to 3.04×108cfu/g. Protein content reached 18% with the application of protein feed preparation technology. The development and application of these technologies may increase the types of sweetpotato products and promote the processing of sweetpotato to fine and deep processing.

sweetpotato, bioconversion, ethanol, fruit wine, fruit vinegar, feedstuff

Q815

A

1003-0174(2017)09-0193-04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-10-B19)，中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室/環(huán)境微生物四川省重點實驗室開放研究基金(Y1D5031101)

2017-07-25

靳艷玲，女，1981年出生，副研究員，甘薯產(chǎn)后加工

趙海，男，1966年出生，研究員，甘薯產(chǎn)后加工