馬鈴薯皮渣綜合利用的研究進(jìn)展

丁子峰，張嵐，王紅梅，姚晶，趙晶

（黑龍江東方學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150066）

馬鈴薯是世界上第四大糧食作物，僅次于水稻、小麥、玉米，我國(guó)是世界上生產(chǎn)馬鈴薯的第一大國(guó)[1]。馬鈴薯具有生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，兼具良好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，已經(jīng)成為食品工業(yè)、醫(yī)藥化工等行業(yè)的重要原輔材料之一，具有良好開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景[2]。

然而，大部分農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)加工利用后會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物的棄用或低值化使用、大肆焚燒或隨意排放，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境，不利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展[3]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國(guó)農(nóng)科院指導(dǎo)組建的馬鈴薯主食化產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，近3年來(lái)，已研發(fā)出六大種類300多種馬鈴薯主食產(chǎn)品[4]。馬鈴薯皮渣作為馬鈴薯產(chǎn)品加工廢棄物，其中含有較多的膳食纖維、果膠、生物堿、多酚等生物活性物質(zhì)[5]，這些活性物質(zhì)具有促進(jìn)吸收、抗炎、抑菌等功效，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及其它等工業(yè)領(lǐng)域[6-8]。本文就馬鈴薯皮渣的主要成分及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，以期為馬鈴薯皮渣的綜合利用提供參考依據(jù)。

1 馬鈴薯皮渣的主要成分

馬鈴薯皮渣中含量最高的物質(zhì)為水分，其干基主要成分包括淀粉37%、纖維素和半纖維素31%、果膠17%、殘土等[9]，其中纖維素和半纖維素、果膠含量較多。馬鈴薯皮中含有多種生物活性物質(zhì)，如多酚類化合物、生物堿等[10]。這部分資源在提純后均可以被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

2 馬鈴薯皮渣的綜合應(yīng)用

2.1 成分提取

2.1.1 膳食纖維

膳食纖維是指植物中天然存在的、提取的或合成的碳水化合物的聚合物，不能被人體小腸消化吸收且對(duì)人體有健康意義的多糖類[11]。膳食纖維對(duì)身體健康有很多益處，由于其不能被消化吸收，所以基本不為人體供能，是肥胖人群的首選；膳食纖維還具有減少胃排空時(shí)間、調(diào)節(jié)腸道菌群、緩解便秘[12]等功效。Li等[13]采用酸-堿法提取馬鈴薯皮中的不溶性膳食纖維，結(jié)果顯示當(dāng)酸-堿萃取時(shí)間為35 min、酸濃度為1.5%、堿濃度為1.6%時(shí)，不溶性膳食纖維的得率可達(dá)12.6%。姚琦等[14]采用聯(lián)合酶解法提取馬鈴薯渣中的膳食纖維，工藝條件為添加300 U/g的α-淀粉酶（酶解時(shí)間60 min、酶解溫度55℃、pH6.5），滅活酶后，再添加250 U/g的糖化酶酶解（酶解時(shí)間30 min、酶解溫度65℃、pH4.0），提取得到膳食纖維含量為76.92%，同時(shí)提取后的膳食纖維其持水性較馬鈴薯渣提高0.85%，持油性提高1.47%。將馬鈴薯皮渣中提取到的膳食纖維應(yīng)用在面包、餅干、蛋糕等食品中，可降低蛋糕的硬度，增加面團(tuán)的強(qiáng)度和彈性，添加馬鈴薯皮渣的食物不僅口感更好，而且有利于健康[15-17]。

2.1.2 果膠

果膠是一種存在于高等植物初生細(xì)胞壁和中胞層的一種酸性多糖，其主要成分是通過(guò)α-1，4糖苷鍵連接而成的部分甲酯化的D-半乳糖醛酸多聚物，可作為食品和藥品的穩(wěn)定劑、增稠劑、膠凝劑、乳化劑和藥物載體等[18]。果膠還具有很強(qiáng)的重金屬離子吸附能力，能夠清除人體血液中的重金屬離子[19]。張燕等[20]采用響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取馬鈴薯渣中果膠，所得優(yōu)化工藝條件為微波加熱時(shí)間1.5 min、液料比24∶1（mL/g）、飽和硫酸鋁用量405 μL，在此條件下果膠提取率達(dá)到13.79%。Yang等[21]采用響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取馬鈴薯渣中果膠的工藝條件為93℃、pH2.0、加熱時(shí)間50 min，提取率為22.86%。劉嫻[22]采用發(fā)酵法提取馬鈴薯渣果膠，工藝條件為接種量10%、發(fā)酵時(shí)間36 h、pH5.0、發(fā)酵溫度35℃，在此條件下，馬鈴薯渣的果膠提取率最高。

2.1.3 生物堿

糖苷生物堿是一類在茄科植物中常見(jiàn)的毒素，馬鈴薯中其主要成分為α-茄堿、α-查茄堿，占馬鈴薯中糖苷生物堿的90%以上[23]。梁克紅等[24]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯不同的組織器官中的糖苷生物堿含量有較大差異，其中塊莖外皮糖苷生物堿含量為300 mg/kg FW～640 mg/kg FW；皮層糖苷生物堿含量為125 mg/kg FW。糖苷生物堿不僅具有毒性，還具有多種生物活性，在藥用時(shí)，具有抗瘧疾、抗炎、強(qiáng)心、消腫、止痛等功效[25-26]；經(jīng)研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)糖苷生物堿能夠有效防治真菌感染，對(duì)鐮刀菌的濃度中值EC50可達(dá)0.109 5 g/L，因此可以應(yīng)用于枸杞鮮果的保鮮[27]。李志文等[28]為了獲得馬鈴薯中α-茄堿的最佳提取工藝參數(shù)，對(duì)其提取溫度、提取時(shí)間、超聲波功率及料液比等參數(shù)進(jìn)行研究，運(yùn)用響應(yīng)面Box Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)α-茄堿的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，馬鈴薯中α-茄堿的最佳提取工藝參數(shù)為以體積比8∶2的乙醇-乙酸混合溶液作提取溶劑，提取溫度49℃，提取時(shí)間61 min，超聲波功率 152 W，料液比 1∶14（g/mL），該條件下 α-茄堿提取量為7.715 mg/g，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.74%（n=5），加標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果平均回收率可達(dá)98.21%，與理論預(yù)測(cè)值基本吻合。

2.1.4 蛋白質(zhì)

馬鈴薯蛋白功能特性良好、必需氨基酸含量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，因此極具開(kāi)發(fā)潛力[29]。張世仙等[30]以馬鈴薯皮渣為原料，用堿解法從馬鈴薯皮渣中提取水溶性蛋白質(zhì)，探索最佳提取工藝。結(jié)果表明，在溫度65℃、NaOH濃度0.6%、液固質(zhì)量比17∶1、提取時(shí)間50 min條件下，提取馬鈴薯皮渣中水溶性蛋白質(zhì)得率較高，最終粗蛋白提取率可達(dá)40%，且此方法簡(jiǎn)便、易操作。遲燕平等[31]以馬鈴薯渣為原料，利用堿性蛋白酶將薯渣中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有抗氧化活性的多肽，分析不同酶解時(shí)間和pH值對(duì)馬鈴薯蛋白質(zhì)水解度和溶解度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)酶解時(shí)間為7 h、pH值為7.5時(shí)，馬鈴薯蛋白質(zhì)的溶解度達(dá)到最大為30.1254%。酶解時(shí)間和pH值對(duì)于馬鈴薯蛋白質(zhì)溶解度的影響均為極顯著（p<0.01），酶解時(shí)間的影響大于pH值。

2.1.5 多酚

馬鈴薯中的多酚類物質(zhì)是其重要的次生代謝產(chǎn)物，約有50%的多酚類物質(zhì)存在于馬鈴薯的皮和皮層之間，且越靠近中心濃度越低，是具有獨(dú)特生理活性和藥理活性的天然產(chǎn)物[32]。李霄等[33]通過(guò)體外抗氧化體系測(cè)定馬鈴薯皮多酚的抗氧化活性。結(jié)果表明，馬鈴薯皮多酚對(duì)超氧陰離子自由基清除率最高達(dá)18.33%，且在低濃度清除能力明顯高于同濃度抗壞血酸；馬鈴薯皮多酚對(duì)羥基自由基的清除率最高達(dá)92.26%，對(duì)DPPH自由基清除率最高達(dá)86.08%。油脂中添加馬鈴薯皮多酚提取液，可以明顯降低油脂的過(guò)氧化值。馬鈴薯皮多酚對(duì)超氧陰離子自由基、羥基自由基和DPPH自由基都有很好的清除效果，且在一定程度上能夠降低油脂過(guò)氧化值，是很好的天然抗氧化劑。屈文秀等[34-35]分別通過(guò)微波法和酶法優(yōu)化試驗(yàn)方案并提取馬鈴薯皮渣中的多酚。結(jié)果顯示微波輔助提取最佳工藝條件為浸提劑乙醇濃度55%、料液比1∶25（g/mL）、微波功率50 W、微波時(shí)間40 s，此時(shí)多酚提取量為3.02 mg/g；酶法提取最佳工藝條件為復(fù)合酶添加量1.4%、酶解時(shí)間90 min、酶解pH6.1、浸提劑乙醇濃度47%時(shí)，馬鈴薯皮渣多酚的提取量可達(dá)3.21 mg/g。

2.2 食品原料的開(kāi)發(fā)

馬鈴薯皮渣為馬鈴薯加工副產(chǎn)物，其中含有大量的淀粉、膳食纖維、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其處理后，可作為一種食品原料應(yīng)用到食品生產(chǎn)當(dāng)中。近些年，馬鈴薯皮渣食品開(kāi)發(fā)也比較熱門，現(xiàn)在已有馬鈴薯皮渣作為食品原料制作酸奶餅[36]、果汁[37]、食醋[38]、餅干[39]、酚酸[40]、酵母蛋白[41]等多項(xiàng)專利，為馬鈴薯皮渣的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了一個(gè)新的方向。

2.3 飼料的加工

馬鈴薯皮渣質(zhì)量上乘、成本低廉。鮮馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)的質(zhì)量接近雞蛋，富含多種維生素、礦物質(zhì)，對(duì)保證畜禽健康具有重大意義[42]。羅倉(cāng)學(xué)等[43]選用黑曲霉、啤酒酵母對(duì)馬鈴薯渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，并對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后馬鈴薯渣培養(yǎng)基組分為原輔料質(zhì)量比85∶15、料水質(zhì)量比1∶2、尿素添加量2.0%、硫酸銨添加量1.0%，在此培養(yǎng)基中接入10%的黑曲霉、啤酒酵母（質(zhì)量比1∶1）混合種子液，在28℃下培養(yǎng)120 h后發(fā)酵產(chǎn)品中蛋白質(zhì)含量、酸性蛋白酶活性、纖維素酶活性分別較未優(yōu)化前提高了287.79%、229.45%、1 755.34%。李偉等[44]研究了利用15%～25%馬鈴薯糟渣飼料替代精料中的玉米部分對(duì)奶牛產(chǎn)奶量的影響，結(jié)果顯示馬鈴薯糟渣飼料替代精料中的玉米對(duì)奶牛產(chǎn)奶量無(wú)顯著影響（P＞0.05），以15%比例替代玉米飼喂效果較好，不僅節(jié)約了喂養(yǎng)成本，還利用了馬鈴薯粉加工副產(chǎn)物，減少了環(huán)境污染與資源浪費(fèi)。

2.4 生物能源的制備

馬鈴薯渣中所含淀粉、纖維素、固形物以及粗蛋白質(zhì)等均為較高燃燒值的可燃物質(zhì)，將其與其他物質(zhì)混合發(fā)酵能夠產(chǎn)生燃料。吳笛[45]以馬鈴薯皮渣和牛糞為原料，通過(guò)厭氧發(fā)酵裝置，進(jìn)行混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗(yàn)，結(jié)果表明在30℃的恒溫條件下持續(xù)發(fā)酵34 d，馬鈴薯皮渣與牛糞質(zhì)量比為80∶20時(shí)最適合發(fā)酵，總固體含量有效利用率為35.22%，產(chǎn)氣率為291.71 L/kg。蘇檳楠等[46]利用馬鈴薯渣進(jìn)行糖化發(fā)酵產(chǎn)酒精試驗(yàn)，確定了加水量占發(fā)酵基質(zhì)總質(zhì)量的80%，糖化時(shí)間24 h，最終培養(yǎng)時(shí)間72 h的工藝條件，在此條件下酒精度為10.15°。劉爽等[47]研究了豬糞與馬鈴薯皮渣混合質(zhì)量比對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，底物組成顯著影響產(chǎn)氫發(fā)酵的發(fā)酵類型。以單純馬鈴薯皮渣為底物時(shí)，體系的比產(chǎn)氫率最高達(dá)31.55 mL/g；當(dāng)豬糞在發(fā)酵底物中的質(zhì)量比從10∶70提高至40∶40后，維持了較高的比產(chǎn)氫率（22.48 mL/g～24.18 mL/g）；但是當(dāng)豬糞逐漸變?yōu)橹饕l(fā)酵底物（豬糞與馬鈴薯皮渣質(zhì)量比為 50∶30、60∶20、70∶10、80∶0）時(shí)，發(fā)酵逐漸受到抑制。Hijosa-valsero等[48]以馬鈴薯皮為原料進(jìn)行了發(fā)酵生物柴油的可行性試驗(yàn)，為馬鈴薯皮渣發(fā)酵生產(chǎn)燃料提供了技術(shù)支持。

2.5 環(huán)保材料的開(kāi)發(fā)

環(huán)保產(chǎn)品已成為21世紀(jì)全球科學(xué)家的首要議程，其中一個(gè)重點(diǎn)是食品加工行業(yè)的副產(chǎn)品回收[49]。馬鈴薯作為全球第四大糧食作物，具有良好的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景。Borah等[50]用超聲波處理不同比例的馬鈴薯皮渣與甜橙渣膜溶液，從而合成可被降解的生物聚合膜。該膜可被生物降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。

2.6 其它

馬鈴薯皮渣綜合利用研究?jī)H見(jiàn)關(guān)于洗滌劑[51]、水產(chǎn)養(yǎng)殖[52]、肥料[53-54]、包裝材料[55-57]等相關(guān)報(bào)道，需加大研究力度，提高馬鈴薯皮渣的附加值。

3 問(wèn)題及展望

馬鈴薯皮渣作為薯粉加工副產(chǎn)物也存在著開(kāi)發(fā)利用的難題，例如含水量較大、不易儲(chǔ)藏運(yùn)輸；泥沙殘土含量較高、提純成本較大等弊端。如何解決這些弊端也將是未來(lái)研究方向之一。

我國(guó)是馬鈴薯生產(chǎn)大國(guó)，馬鈴薯皮渣的產(chǎn)量十分巨大且價(jià)格低廉。但馬鈴薯皮渣這一資源并沒(méi)有被高效利用，離馬鈴薯皮渣產(chǎn)業(yè)化處理的需求還有較大差距。今后應(yīng)加大研究力度，系統(tǒng)深入研究馬鈴薯皮渣處理技術(shù)，創(chuàng)新馬鈴薯皮渣功能性物質(zhì)的提取工藝，充分利用到食品原料的開(kāi)發(fā)、飼料的開(kāi)發(fā)、生物能源的制備與環(huán)保材料的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，在促進(jìn)人類健康生活中發(fā)揮積極作用。