近年國內(nèi)外甜菜粕的開發(fā)研究進展

朱豐梅，張偉成

（1．甘肅省武威市涼州區(qū)洪祥鎮(zhèn)人民政府農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅武威733000；2．甘肅省武威市涼州區(qū)中壩鎮(zhèn)農(nóng)技站，甘肅武威733000）

甜菜粕（SBP）又名甜菜渣、甜菜漿，是甜菜在制糖后所產(chǎn)生的副產(chǎn)品[1]。世界糖產(chǎn)量的三分之一來自甜菜，甜菜粕具有資源豐富、成本低廉、可再利用等特點；甜菜粕再利用范圍較廣，在畜牧養(yǎng)殖、食品加工、醫(yī)藥加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是良好的食用、藥用植物活性多糖來源[2]。經(jīng)檢驗甜菜粕薄壁細胞壁結(jié)構(gòu)中含有果膠質(zhì)、纖維素、半纖維素等成分，其含有20%～25%的纖維素，25%～36%的半纖維素，20%～25%的果膠，10%～15%的蛋白質(zhì)和1%～2%的木質(zhì)素（含量以干重計）。其所含營養(yǎng)成分的特殊性和隱性再利用價值，被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)沼氣、提取果膠、生產(chǎn)納米纖維素纖維、制備復(fù)合包裝膜、做吸附劑、畜禽養(yǎng)殖等領(lǐng)域。甜菜粕由于纖維素酶含量高，還可用于纖維素酶生產(chǎn)、酶糖化和乙醇生產(chǎn)[3-4]。我國甜菜資源豐富，但由于對甜菜營養(yǎng)成份的研究不深不細等原因，在深加工生產(chǎn)中甜菜粕的其它作用未能科學(xué)合理利用而浪費。本文通過參閱國內(nèi)外學(xué)者對甜菜粕的營養(yǎng)特性、深加工開發(fā)利用途徑的應(yīng)用研究進行了綜述，為更好地開發(fā)利用甜菜粕提供理論依據(jù)。

1 甜菜粕開發(fā)研究

1.1 甜菜粕厭氧消化制取沼氣的研究

甜菜粕經(jīng)厭氧發(fā)酵可生產(chǎn)沼氣。在120～200℃的溫度范圍內(nèi)液體熱水（LHW）處理條件研究溫度對甜菜粕降解程度及其甲烷發(fā)酵效率的影響。LHW處理決定沼氣發(fā)酵的效率，當(dāng)水解溫度為160℃時，獲得最高的累積甲烷產(chǎn)量為502．50L CH4/kg VS，同時游離葡萄糖、總酸和醛濃度達最高[5]。對污泥（SS）和甜菜粕浸濾（SBPL）5種不同SS/SBPL比率厭氧共消化的可行性進行評價，測定其中溫和高溫對甲烷產(chǎn)率和總揮發(fā)成分減少的影響，分析了真菌與古生菌的關(guān)系。同等質(zhì)量的有機物，凈生化甲烷勢（BMP）測定表明，中溫范圍內(nèi)凈甲烷產(chǎn)量較高。沼氣產(chǎn)量、總揮發(fā)性固體（TVS）去除數(shù)據(jù)和高含量的揮發(fā)性脂肪酸說明中溫范圍效果最佳。在測試結(jié)束時，反應(yīng)器的微生物群由真菌和古細菌組成，所有情況下均以真菌為主[6]。將水解和脫水后的甜菜粕殘渣（SBPR）與城市污泥（MSS）共消化，SBPR單獨或與MSS混合（按重量計為1∶1）進行處理，獲得最高沼氣產(chǎn)量為近512 dm3/kg揮發(fā)性固體（VS）；當(dāng)MSS與35%SBPR共消化時測得348 dm3CH4/kg VS的最高甲烷產(chǎn)量。消化分析表明，氨和揮發(fā)性脂肪酸均為不穩(wěn)定沼氣生產(chǎn)[7]。K Zieminski等使用Gompertz方程模擬甜菜粕青貯（SBPS）和酒精廢液（Vin）（重量比分別為 3∶1、1∶1 和 1∶3）共發(fā)酵，結(jié)果表明，加入過量的 Vin 會降低SBPS的沼氣產(chǎn)量；以3∶1（w/w）的SBPS-Vin比例能實現(xiàn)最高的沼氣生產(chǎn)率，從SBPS-Vin（3∶1）混合物的酶消化得到最高的沼氣產(chǎn)量 （765．5mL/g VS）（比未用酶處理的對應(yīng)混合物的發(fā)酵高27．9%）[8]。S Borowski等在35℃中溫溫度的間歇和半連續(xù)條件下探討了畜禽糞便（PM）與糖化和脫水甜菜粕殘渣（SBPR）厭氧共消化。結(jié)果，SBPR做原料批量試驗的特定沼氣和甲烷產(chǎn)率分別為590 dm3/kg VS和423 dm3CH4/kg VS；而PM的相應(yīng)值分別為434dm3/kg VS和300dm3CH4/kg VS。PM與SBPR共消化與二者單獨比，均增加了沼氣和甲烷產(chǎn)量。在半連續(xù)反應(yīng)器實驗中，添加50%SBPR的PM混合物，甲烷產(chǎn)率最高（346 dm3CH4/kg VS），固體滯留時間（SRT）為20d。然而，當(dāng)PM作為唯一原料被消化時，沼氣生產(chǎn)受到氨的抑制；而PM與25%SBPR的共消化則受揮發(fā)性脂肪酸的影響較小，沼氣濃度超過4000 g/m3[9]。

1.2 甜菜粕提取果膠的研究

甜菜制糖后的甜菜粕副產(chǎn)物中富含果膠多糖，是一種提取果膠的新原料。甜菜果膠具有較強的乳化性，是一種良好的食品添加劑，從甜菜粕中提取的果膠可以制備穩(wěn)定的水包油乳化劑。張海燕等用鈣離子螯合劑六偏磷酸鈉（SHMP）溶液也可從甜菜粕中提取果膠，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，對影響果膠獲得率的主要因素建立SHMP提取甜菜果膠的二次回歸模型，進行Box-Benhnken中心組合實驗。結(jié)果表明，甜菜果膠提取工藝最佳提取時間為2．4h，螯合劑SHMP質(zhì)量分數(shù)為1．25%，提取溫度達到88℃時，果膠產(chǎn)出率為14．32%，與模型預(yù)測值接近。同時，采用間羥聯(lián)苯法測定出果膠樣品的半乳糖醛酸含量為73．12%。紅外光譜的數(shù)據(jù)表明，果膠樣品具有果膠分子的結(jié)構(gòu)特征，并初步判斷為低酯果膠[10]。螯合劑法提取的果膠樣品具有果膠分子的結(jié)構(gòu)特征[11]。果膠低聚糖（POS）比果膠具有更好的益生元特性，類似或優(yōu)于低聚果糖（FOS）[12]。以甜菜粕為原料，采用酸提醇析法提取甜菜果膠，在pH值1，料液比1∶30，90℃水浴4 h，離心后上清液調(diào)pH值至3．5，加入95%乙醇至體積分數(shù)為60%，冷凍干燥條件下果膠提取率約為22%。其中阿魏酸、半乳糖醛酸、總糖、蛋白質(zhì)含量分別為 2．7%、71．6%、21．6%、3．7%，酯化度為 77．6%。 與乳清分離蛋白相比，甜菜果膠乳液對高溫、低 pH 值、相對低Ca2+濃度、較長貯藏時間均具有良好穩(wěn)定性[13]。在pH值、溫度、時間、液-固比4個變量配比下，甜菜粕中果膠產(chǎn)量為6．3%～23．0%，所有自變量對果膠產(chǎn)量都有顯著影響，隨著提取液pH值的降低、提取時間的延長和溫度的升高，產(chǎn)率逐漸提高[14]。陳學(xué)紅等采用微波輔助法探討了提取甜菜粕中的果膠時料液比、pH值、微波功率和處理時間對果膠提取率的影響。通過運用正交試驗經(jīng)過優(yōu)化微波輔助提取果膠的工藝條件，發(fā)現(xiàn)料液比為1∶25、pH1．5、微波功率600W、處理時間75s時果膠最適提取，果膠提取率可達19．76%，提取的果膠酯化度高，可達68．2%，果膠溶解性隨著pH值和溫度的上升而增大，粘度隨質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，隨著溫度升高而減?。还z乳化活性和乳化穩(wěn)定性隨著果膠質(zhì)量濃度增大而顯著增強，呈現(xiàn)出良好的乳化性質(zhì)[15]。周玉嬌在采用蒸汽爆破技術(shù)對甜菜粕進行預(yù)處理時發(fā)現(xiàn)，蒸煮過程和泄壓過程對甜菜粕化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)均有影響，高溫高壓水蒸氣可將甜菜粕細胞壁內(nèi)的原果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠質(zhì)。在爆破瞬間釋放壓力時，果膠質(zhì)會從細胞壁內(nèi)部向外遷移，再用乙醇可從爆破液中提取回收果膠質(zhì)[16]。

1.3 甜菜粕納米纖維素纖維的制備研究

納米纖維素纖維是一種從纖維素提取出的生物質(zhì)基高分子材料，因具有價格低廉、生物相容性好、無毒、拉伸強度高、結(jié)晶度高和可降解等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。李萌[17]、周玉嬌[16]研究表明，運用化學(xué)處理、純物理機械法、雙氧水漂白法、高壓均質(zhì)技術(shù)可從甜菜粕中制備納米纖維素纖維?；瘜W(xué)處理能有效地去除甜菜糖粕中的果膠、木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)，可使半纖維素含量從25．40%降低到7．01%，使纖維素含量從44．96%增加到82．83%，直接消除甜菜粕中的木質(zhì)素。高壓均質(zhì)處理會破壞甜菜粕中的細胞結(jié)構(gòu)，讓納米纖維素纖維從甜菜粕細胞壁結(jié)構(gòu)中釋放出來，所得納米纖維素纖維的直徑在70nm以下?？商岣呒{米纖維素纖維的結(jié)晶度，將從35．10%提高至77．89%，熱降解溫度從224．4℃將升高到272．7℃。經(jīng)高剪切分散和高強度超聲破碎的純物理機械法制得的纖維素納米纖呈網(wǎng)狀纏結(jié)構(gòu)，直徑40～50nm，懸浮液呈棕黃色，含有較多的纖維碎片和未打散的纖維束，結(jié)晶度為57．43%，最大失重峰溫度為353．1℃。雙氧水漂白法主要是為了去除細胞壁中的木質(zhì)素，減小其對納米纖的束縛作用，隨后進行高速攪拌和高強度超聲破碎，進一步拆離纖維素納米纖，提高納米纖溶膠的分散性。雙氧水漂白法屬于無氯漂白，生成產(chǎn)物是水，制備方法仍然是綠色環(huán)保的。該方法制備的納米纖維素纖維尺寸分布均一，直徑分布多集中在10～20nm之間。結(jié)晶度為62．30%，最大失重峰溫度為346．4℃。用化學(xué)處理（堿處理和漂白）和脫膠甜菜粕（DSBP）的高壓勻漿制備纖維素納米纖維（直徑10～70nm）。研究表明，化學(xué)處理可去除DSBP的半纖維素和木質(zhì)素，并顯著增加了纖維素含量。堿處理和漂白后，纖維素納米纖維的結(jié)晶度從35．67%提高到69．62%。DSBP纖維素納米纖維的熱降解溫度為271．7℃，比未處理的DSBP高出47．3℃。DSBP纖維素納米纖維可優(yōu)選用作高溫生物復(fù)合材料中的增強材料[18]。

1.4 甜菜纖維制備復(fù)合包裝膜的研究

甜菜纖維改性后的羧甲基纖維素（CMC）與聚乙烯醇（PVA）以及淀粉以不同配比制備的復(fù)合包裝膜，是一種天然性能優(yōu)良、可生物降解的可再生資源。對充分利用甜菜制糖后的廢粕資源，使甜菜廢粕變廢為寶，推動經(jīng)濟發(fā)展、解決“白色污染”問題和改善人民的健康狀況等方面有一定的實際意義。楊海燕用NaOH（含有H2O2）/淀粉葡萄糖殘基單元（AGU）摩爾比為2．5，氯乙酸/AGU摩爾比為1．5，乙醇濃度為75%，堿化醚化溫度為35℃，醚化時間為3h，液料比為8∶1（mL/g），在該條件下得到的CMC取代度為0．86制備高粘度的羧甲基纖維素。采用自制的成膜基材進行復(fù)合膜的研制試驗表明，CMC與小麥面筋蛋白（WG）的配比對膜性能影響最大，干燥溫度次之，甘油用量和乙醇濃度影響較小，最佳成膜條件為：CMC/WG=7∶3、45%的乙醇溶液、2%的甘油、60℃的干燥溫度。成膜工藝條件重現(xiàn)性很好，復(fù)合膜的各項指標均較高[19]。Z Shen等，在室溫下澆鑄不同比例的SBP與PVA（100/0、75/25、50/50和25/75）的成膜分散體條件下，研究了添加PVA對所得膜的物理、機械和阻隔性能以及熱穩(wěn)定性的影響。當(dāng)PVA加入到復(fù)合膜中時，薄膜比純SBP薄膜變得更柔軟，更不剛硬，更具可拉伸。PVA的添加顯著提高了斷裂伸長率（12．45%）和較低的水蒸氣透過率，但拉伸強度沒有明顯變化，保持在59．68 MPa左右。熱重分析也表明SBP/PVA薄膜的熱穩(wěn)定性比SBP薄膜好，SBP 50/PVA 50的相容性優(yōu)于其他復(fù)合膜，用50%PVA配制的復(fù)合膜最適合于各種包裝應(yīng)用[20]。

1.5 甜菜粕作為吸附劑的研究

甜菜粕含有纖維素，纖維素是由D-吡喃型葡萄糖基（失水葡萄糖）經(jīng)過α-1，4苷鍵互相連接而成的直鏈型天然高分子化合物。纖維素自身具有一定的吸附性，可直接作為吸附劑使用，國內(nèi)外許多學(xué)者已在這方面做了一些研究。甜菜粕可用作去除鉻（VI）的吸附劑，試驗表明，甜菜粕和鹽酸改性后的甜菜粕對鉻（VI）的吸附力分別為0．837和3．01 mg/g，改性后吸附力顯著提高[21]。Zolgharnein J等人研究表明，經(jīng)NaOH改性后的甜菜粕在溶液pH為5～9，固液比7 g/L時對Tl（I）的去除率最高，且經(jīng) Langmuir模型預(yù)測的最大吸附量約為185 mg/g，采用甜菜粕做吸附劑，不僅有效的利用了廢物，而且吸附量較大[22］。丁曉麗等以低附加值甜菜粕為吸附劑，通過靜態(tài)吸附實驗探討了處理溫度和時間、pH、甜菜粕粒徑和用量以及鈣濃度等因素對甜菜粕吸附Ca2+的影響，并設(shè)計響應(yīng)面試驗研究了溫度、pH和甜菜粕用量等因素的交互作用對其Ca2+吸附效果的影響。結(jié)果表明：甜菜粕粒徑越小越有利于其對鈣的吸附；溫度、pH和甜菜粕用量中任意2個因素存在交互作用影響甜菜粕的鈣吸附并存在收斂的最佳工藝點；當(dāng)溫度為22．0℃，甜菜粕用量為5．92和pH 8．0時，可使200mL水中Ca2+從1027mg/L降至373mg/L（以CaCO3計），低于國家生活用水GB 5749-2006的硬度要求（以CaCO3計總硬度≤450mg/L），反應(yīng)2h即可達到平衡．研究可為甜菜粕的減少干燥耗能和資源利用提供思路和方法參考[23]。甜菜粕是重金屬離子的螯合劑和吸附劑。陳博儒等人，研究了溶液pH值、溫度、時間及初始質(zhì)量濃度等條件對SBP吸附輕金屬離子Ca2+和重金屬離子Pb2+的性能，并體外模擬在人體腸道環(huán)境條件（pH7．0、37℃）下，研究SBP對鈣和鉛的吸附性能和機理。結(jié)果表明：SBP對鉛的螯合大于對鈣的吸附；溶液pH值為7．0時吸附效果最佳；Ca2+、Pb2+分別在30、60min內(nèi)達吸附平衡。在pH7．0和37℃的生理條件下，兩種離子的吸附動力學(xué)過程均符合Lagergre方程二級吸附模型，SBP對Ca2+的等溫吸附平衡與Langmuir方程擬合度高，屬單分子層吸附，而SBP對Pb2+的等溫吸附平衡與Langmuir方程擬合度不如Ca2+高[24]。甜菜粕是一種富含膳食纖維的糖廠主要副產(chǎn)物，因其陽離子結(jié)合能力強常用于廢水中重金屬及色素的污染治理。趙毅等研究了甜菜粕粒徑和用量、反應(yīng)時間、溶液中Fe3+初始濃度等因素對甜菜粕靜態(tài)吸附人體必需宏量元素鐵的影響，以及吸附反應(yīng)平衡和動力學(xué)。結(jié)果表明，甜菜粕對鐵的吸附量隨著甜菜粕粒徑減小、鐵初始濃度的增加而增加；吸附平衡時間是80～100 min；在鐵初始濃度0．001 mol/L，反應(yīng)時間100 min和溫度25℃的條件下，含水分93%、粒徑75～150μm的廢粕5 g/L可吸附除去溶液中65%的鐵；吸附過程可用準二級動力學(xué)模型描述（R2≥0．99）；吸附平衡數(shù)據(jù)與Freundlich型吸附等溫線模型擬合性好，說明甜菜粕對Fe（Ⅲ）的吸附不是理想的單分子層吸附。甜菜粕因其廉價和高選擇性，是制備高生物學(xué)效價有機鐵劑的潛在底物[25]。

1.6 甜菜粕在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2 結(jié)束語

近年來，隨著科技的快速發(fā)展和人們需求的增高，對甜菜粕的再利用研究也越來越深入，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。目前國外對甜菜粕的研究較多，但國內(nèi)對甜菜粕的研究較少，借鑒國外甜菜粕研究的最新成果，同時借鑒甘蔗作物殘余物廣泛用于高附加值產(chǎn)品的開發(fā)，如生物柴油、生物乙醇、生物丁醇、生物制氫、生物聚合物，酶類（α-淀粉酶、纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、蔗糖酶、脂肪酶和菊粉酶）、復(fù)合材料、有機酸（衣康酸、琥珀酸、檸檬酸、丁酸、丁二酸、乳酸、丙酸、葡萄糖酸）、木糖醇、螯合劑、類葫蘿卜素、改性的催化劑、氨基酸、動物飼料、麥角生物堿、抗生素、赤霉素等[27]。甜菜粕乃至甜菜副產(chǎn)品等殘余物也可開發(fā)相應(yīng)的高附加值產(chǎn)品，這將是今后甜菜粕開發(fā)研究應(yīng)用的主要方向和新途徑。

參考文獻：