甘薯渣的酶解與應用研究

徐 帥,楊 莉,譚麗萍,劉同軍

齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 生物工程學院,濟南 250353

中國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國和出口國,年產(chǎn)量超過7 000萬噸,甘薯主要用于加工淀粉以及生產(chǎn)淀粉食品,加工周期短且集中。甘薯提取淀粉后剩余的殘渣占甘薯干物質總量10%以上,產(chǎn)量巨大。甘薯渣含水量高,粘度大,極易腐爛,腐爛時會釋放甲烷,導致溫室效應加重[1-2]?；厥绽酶适碓粌H能夠減少環(huán)境污染,還能實現(xiàn)資源最大化利用。目前報道的甘薯渣酸法水解對設備抗腐蝕性要求高,廢水排放量大[3],后續(xù)處理難度大,所需生產(chǎn)成本較高。因此,酸法水解甘薯渣工業(yè)化應用受到限制,而酶法水解甘薯渣條件溫和,效率高,適合工業(yè)化應用。介紹了甘薯渣酶法水解獲得還原糖的研究進展以及甘薯渣在食品、能源、醫(yī)療和材料等領域的高值化應用,為甘薯渣應用于更多領域的研究提供理論支撐。

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1 甘薯渣的酶解研究

由表1得知,甘薯渣含有豐富的淀粉、纖維素和果膠,是良好的生物精加工的原料。糖化是甘薯渣生物精加工的關鍵步驟,酸法水解甘薯渣會增加廢水的排放,造成設備腐蝕,且產(chǎn)生較多抑制發(fā)酵的物質。酶法水解甘薯渣具有條件溫和,效率高等優(yōu)點,適合工業(yè)化生產(chǎn)。探究酶解條件、提高酶解效率是甘薯渣規(guī)?；瘧玫氖滓獥l件。

表1 甘薯渣成分分析[4]

目前報道的酶解方法有許多,可歸納總結為以下幾種。

1.1 甘薯渣預處理后再酶解

預處理可以破壞生物質堅固的細胞壁,改變纖維素的晶體結構,有利于纖維素酶解[5]。常見的木質纖維素預處理方法有蒸汽爆破法、酸法、堿法、氧化法等[6]。不同原料的最佳預處理方法由原料性質決定。

有效的預處理方法是提高木質纖維素酶解轉化率的關鍵步驟。李平等[7]比較了在溫和條件下超聲、超聲與0.5% H2SO4結合和超聲與10 g/L NaOH結合等預處理方法對甘薯渣酶解效果的影響。結果表明,超聲結合10 g/L NaOH預處理的甘薯渣酶解效果最好,原因可能是超聲能有效促進NaOH與半纖維素、木質素的反應。Xia等[8]用H2SO4、NaOH、H2O2三種試劑分別預處理甘薯渣,三種方法處理的甘薯渣纖維素相對含量都有所提高,經(jīng)NaOH 、H2O2預處理的甘薯渣木質素含量分別降到2.41%和5.38%,H2SO4預處理后的甘薯渣木質素含量增加至15.71%。NaOH預處理后的甘薯渣用纖維素酶、木聚糖酶和果膠酶酶解48 h時,纖維素轉化率可達到96.2%。

1.2 甘薯渣未預處理直接酶解

預處理條件復雜且耗時,增加加工過程的資金成本,還會產(chǎn)生一些抑制酶解和發(fā)酵的物質。甘薯渣中木質素含量相對較低,不經(jīng)過預處理直接酶解,通過優(yōu)化酶解條件,提高可發(fā)酵糖得率,是許多學者的研究熱點。直接酶解包括單一酶酶解和復合酶酶解兩種方法。

1) 單一酶酶解

酶法水解甘薯渣獲得葡萄糖,開辟非糧新糖源,是甘薯渣資源化利用的途徑之一。Pagana等[9]用淀粉酶酶解甘薯渣,在pH 5.0、溫度37 ℃、酶添加量8 U/g原料、酶解24 h的條件下,甘薯渣中83.6%的淀粉被轉化為葡萄糖。由于沒有使用纖維素酶,甘薯渣中非淀粉組分中的糖未被釋放。王樹寧等[10]用纖維素酶水解已去除果膠和淀粉的甘薯渣,在50 ℃,料液比為1∶25,pH 5.0,酶添加量50 U/g原料、酶解16 h的條件下,纖維素轉化率最高。至今還未有文獻報道甘薯渣中纖維素和淀粉完全酶解,因此,我們必須不斷優(yōu)化酶解條件,進一步提高酶解轉化率。

2) 混合酶酶解

兩種或多種酶之間的協(xié)同作用可以極大的促進木質纖維素的酶解。纖維素酶與一些輔助酶,如果膠酶、木聚糖酶,在木質纖維素酶解過程中的協(xié)同作用極為明顯。韓業(yè)君等[11]探究了混合酶(纖維素酶、果膠酶、糖化酶)酶解高固相甘薯渣獲得高濃度葡萄糖的方法。起始料液比控制在最高1∶5進行第一階段酶解,然后逐級添加原料。料液比為1∶4時,葡萄糖濃度為168.4 g/L,轉化率為70.8%。料液比為1∶3時,葡萄糖濃度為159.2 g/L,轉化率為66.5%。料液比為1∶2時,葡萄糖濃度為224 g/L,轉化率為63.8%。此方法可以解決甘薯渣酶解后水解液中可發(fā)酵糖濃度低的問題。Wang等[12]采用纖維素酶、淀粉酶和果膠酶協(xié)同酶解濃度為36%的甘薯渣,葡聚糖轉化率達到68.3%。纖維素的溶脹是影響高濃度甘薯渣酶解的主要因素,纖維素酶在降低水解液粘度和促進葡萄糖轉化中起主要作用,果膠酶在降低粘度方面的作用較小,但作為一種“輔助蛋白”促進纖維素釋放葡萄糖,特別是在纖維素酶活性低的情況下,促進效果更明顯。

2 甘薯渣的高值化應用研究

甘薯渣中纖維素、淀粉和果膠含量豐富,應用價值高。圖1展示了甘薯渣在不同領域的高值化應用,甘薯渣高值化應用既能提高甘薯加工的經(jīng)濟效益,又能減少甘薯渣直接丟棄造成的環(huán)境污染。以下具體闡述了其在食品、能源、醫(yī)療、材料中的高值化應用。

圖1 甘薯渣的高值化應用

2.1 甘薯渣在食品領域中的應用

隨著生活水平的顯著提高,我們的飲食習慣發(fā)生改變,膳食平衡成為人們共同追求的飲食原則。富含膳食纖維的食品深受消費者喜愛,其不僅可以實現(xiàn)膳食平衡,還可以改善食品口感,滿足消費者多樣化的飲食需求。甘薯渣中膳食纖維含量高,因此可以廣泛應用在食品加工行業(yè),如制備膳食纖維,用作食品添加劑。

1) 制備膳食纖維

膳食纖維在減肥、降低血脂和膽固醇以及預防結腸癌等方面發(fā)揮重要作用。甘薯渣中膳食纖維含量最高可達50%,是制備膳食纖維的良好原料。化學法、酶法和酶化學法是從原料中提取膳食纖維的常用方法[13-14]。工藝條件會改變膳食纖維的含量和微觀結構,進而對其理化性能和功能產(chǎn)生影響。Liu等[15]用淀粉酶、蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶分解甘薯渣中的蛋白質和淀粉,再用95%乙醇沉淀水解液,離心后的沉淀物溶于去離子水中,然后經(jīng)冷凍干燥制得甘薯渣膳食纖維。Wang等[16]為了提高甘薯渣中可溶性膳食纖維的含量,對其進行預處理(蒸汽爆破法)后,甘薯渣中可溶性膳食纖維的含量達到(22.59±0.35)%,含量比未處理時增加了18.78%。經(jīng)掃描電鏡分析,預處理(蒸汽爆破法)后的甘薯渣可溶性膳食纖維呈多孔、疏松狀,提高了可溶性膳食纖維的持水能力、持油能力和溶脹能力。

2) 作為食品添加劑

甘薯渣作為添加劑加入食品中,不但改善食品的風味,而且提高了食品中膳食纖維含量。鄧后勤等[17]用纖維素酶與果膠酶水解甘薯渣得到的水解液微波殺菌后,加入適量的Na2CO3、NaCl,然后面粉與甘薯渣水解液按10∶3比例混合,經(jīng)和面、第一次熟化、軋片、第二次熟化、延壓、切條、分裝等工藝制得甘薯渣生濕面條。甘薯渣生濕面條膳食纖維含量高且不溶性膳食纖維與可溶性膳食纖維搭配合理,營養(yǎng)更豐富。Harahap等[18]制作餅干時添加甘薯渣,餅干的質構和品質有極大的提高。甘薯渣粉添加量15%時,餅干的質量感官評價良好,被消費者廣為接受。因此,甘薯渣是制作餅干的良好添加劑。另外,甘薯渣粉還可以增加面包風味,提高面包中膳食纖維含量。感官分析的結果表明甘薯渣粉與面粉的比例為1∶9時,制作的面包感官評分較高。甘薯渣膳食纖維添加到面包中,面包的比容降低,保水性,咀嚼性和硬度提高,面包烘焙質量可以呈現(xiàn)最佳狀態(tài)[19-20]。

2.2 甘薯渣在能源領域中的應用

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人類對能源的需求日益增加?；剂系拇罅咳紵坏珪l(fā)能源危機,而且造成溫室效應,破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。為使經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展,開發(fā)生物能源替代傳統(tǒng)化石能源,減少化石燃料等不可再生資源的消耗在當今顯得尤為重要。甘薯渣資源豐富,淀粉、纖維素含量高,具有潛在的資源轉化特質。

1) 制備固體燃料

熱解、氣化和水熱處理是生物質轉化的有效方法[21]。與其它熱化學轉化方法相比,水熱炭化技術可以在相對溫和的條件下進行操作,能耗更低。在水熱炭化過程中,水不僅是溶劑,也是催化劑。Chen等[22]運用此技術在220 ℃、60 min的條件下把甘薯渣轉化為水熱炭。用元素分析、鄰位分析、掃描電鏡和傅立葉變換紅外光譜等方法測定了甘薯渣和水熱炭的化學性質,采用熱失重法研究了兩者的燃燒特性和動力學參數(shù)。結果表明水熱炭的表面形貌更褶皺、更粗糙,能量密度、熱值和活化能均比甘薯渣高,具有良好的燃燒特性[23]。

2) 發(fā)酵產(chǎn)生物乙醇

生物乙醇是一種綠色環(huán)保的可再生能源,可以有效緩解全球能源需求日益增長和石油儲備逐漸減少的嚴峻形勢。目前用玉米、大麥、小麥和甘蔗等糧食作物生產(chǎn)生物乙醇引起了人們對糧食安全的擔憂。木質纖維素來源廣泛、儲量大,被認為是第二代生物燃料良好的原料。很多學者以甘薯渣為原料,利用微生物發(fā)酵制得生物乙醇。田亞紅等[24]以甘薯渣為原料,利用釀酒酵母采用同步糖化發(fā)酵法制備生物乙醇,通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化發(fā)酵條件,料液比1∶25(w/v)、發(fā)酵時間108 h、接種量1.4% 、 pH 5.5時,葡萄糖的利用率為73.76%,生物乙醇得率為34.78%。李立平等[25]對糖化酶用量、接種量、發(fā)酵溫度、淀粉酶用量、液化時間、液化溫度、硫酸銨用量、pH、發(fā)酵時間等影響甘薯渣同步糖化發(fā)酵的因素運用數(shù)學模型進行分析,得知酶添加量、溫度和接種量是影響乙醇得率的主要因素,并用響應面優(yōu)化分析方法確定了最優(yōu)參數(shù),提高了乙醇得率。為獲得高濃度的乙醇,降低成本,Wang等[12]用混合的纖維素酶和果膠酶酶解甘薯渣(底物濃度36%),酶解48 h后葡萄糖濃度為168.13 g/L,S.cerevisiae以酶解得到的糖發(fā)酵72 h后,乙醇濃度達到79.00 g/L,因此甘薯渣在生物乙醇工業(yè)化生產(chǎn)中具有巨大潛力。

2.3 甘薯渣在醫(yī)療領域中的應用

去氫表雄酮具有增強記憶、抑菌、抑制腫瘤細胞增殖等功效[26]。它的來源稀少,大多數(shù)為化學法合成的,但副作用很大。利用微生物發(fā)酵法制備過程繁瑣且副產(chǎn)物多,不利于提純。因此從植物中提取天然的去氫表雄酮成為研究者的熱點。孫俊良等[27]用甘薯渣為原料經(jīng)預發(fā)酵、萃取、有機溶劑浸提、過濾、冷凍干燥、再次溶解萃取等步驟獲得去氫表雄酮粗品,再經(jīng)微濾和超濾獲得純的液體產(chǎn)品。對提取的去氫表雄酮抑菌活性研究發(fā)現(xiàn),其對大多數(shù)革蘭氏陽性菌(G+)有抑制作用。以甘薯渣中的去氫表雄酮為實驗對象,構建蛋白和化合物的相互作用網(wǎng)絡,運用軟件cytoscape分析出生物模塊,對各個生物模塊參加的生物過程進行解析,發(fā)現(xiàn)去氫表雄酮抑制腫瘤細胞增值的功效主要是通過參加G蛋白偶聯(lián)受體蛋白的信號通路、細胞生物的胺代謝、DNA自我修復、組蛋白甲基化正調控等過程實現(xiàn)[28]。甘薯渣中果膠含量較高,為提高果膠的利用價值,Zhang等[29]提取甘薯渣中的果膠,并對抑制癌細胞增值進行了研究,結果表明甘薯果膠對人結腸癌細胞HT-29和人乳腺癌細胞Bcap-37的增殖抑制作用分別為46.64%和42.64%,抑制作用明顯,因此甘薯果膠可以作為抗癌藥物的添加劑。

2.4 甘薯渣在材料領域中的應用

為充分利用甘薯渣資源,對其進行高效改性,得到更多高附加值產(chǎn)品,如可再生性生物吸附劑,綠色可降解的環(huán)保復合材料,可以替代傳統(tǒng)的石油基塑料,有效降低環(huán)境污染,也提高了甘薯渣的價值。

1) 制備吸附材料

甘薯渣是制備吸附劑的良好材料,對甘薯渣進行處理制備生物吸附劑,既可以防止自身對環(huán)境的污染,又可以凈化污染的環(huán)境。超聲輔助酸處理甘薯渣制得生物吸附劑,用掃描電鏡觀測得知改性甘薯渣生物吸附劑表面疏松多孔,對亞甲基藍溶液有極強的吸附能力,可以有效消除亞甲基藍廢液對環(huán)境的危害。甘薯渣用0.2 mol/L的NaOH溶液、無水乙醇等試劑處理后制備的吸附材料對鹽基塊綠的吸附效率高、速度快、容量大,吸附率最高可達95.84%,對水中的Zn2+和Cr6+的吸附效果明顯優(yōu)于活性炭,且該吸附劑解吸后可以重復利用[30-31]。Hao 等[2]用溴乙酰溴對甘薯淀粉渣進行改性,將溴化甘薯淀粉與羥胺接枝反應制備了酰胺肟吸附劑,其對汞的最大吸附容量為4.03 mmol/g,這種簡單的方法可有效控制重金屬污染。

2)制備復合材料

可降解的復合材料具有無毒、無污染等優(yōu)點,市場前景廣闊。為擴大甘薯渣的應用范圍,很多學者嘗試將甘薯渣與其他材料接枝共聚,形成綠色環(huán)保的可降解材料。李昭等[32]以過硫酸銨為引發(fā)劑,乙酸乙烯酯為接枝單體,制備了甘薯渣-乙酸乙烯酯接枝共聚物。掃描電鏡分析結果表明,接枝甘薯渣空隙少,表面光滑,接枝共聚物改變了甘薯渣本身的規(guī)整性和外貌,合成的復合材料具有干燥快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。楊棟磊等[33]以丙烯酸接枝甘薯渣得到改性的甘薯渣,二甲基亞砜為溶劑與聚乳酸進行共混,制得一種新型可降解材料。通過X射線衍射、紅外光譜、熔融指數(shù)與掃描電鏡等技術對丙烯酸接枝甘薯渣/聚乳酸可降解材料分析。結果表明丙烯酸改性后的甘薯渣與聚乳酸的相容性極大地提高,甘薯渣含量50%時,混合物熔融指數(shù)最高,分子量、黏度相對較大,混合程度均勻,制備的可降解材料性能最好。

3 結論與展望

高固相、多種酶協(xié)同酶解是甘薯渣酶解的最優(yōu)方法。通過分步逐級添加底物以達到高固相,在混合酶的相互作用下酶解可以獲得高濃度的可發(fā)酵糖。此法具有減少酶用量,能耗低、反應時間短、成本低等優(yōu)點。甘薯渣已在食品、能源、材料、醫(yī)療等多領域廣泛應用,實現(xiàn)了生物質的資源化利用,符合綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念,提高了產(chǎn)品附加值,增加了經(jīng)濟效益。

進一步優(yōu)化甘薯渣酶解方法,縮短酶解時間,提高還原糖濃度和得率；以酶解獲得的還原糖為碳源,利用微生物發(fā)酵技術得到更多高值化產(chǎn)品(如細菌纖維素、聚蘋果酸),進而應用于化妝品、藥物等領域是本課題組正在研究的方向,以實現(xiàn)甘薯渣在更多領域更高價值的應用。