甘薯渣的酶解与应用研究

徐 帅,杨 莉,谭丽萍,刘同军

齐鲁工业大学(山东省科学院) 生物工程学院,济南 250353

中国是世界上最大的甘薯生产国和出口国,年产量超过7 000万吨,甘薯主要用于加工淀粉以及生产淀粉食品,加工周期短且集中。甘薯提取淀粉后剩余的残渣占甘薯干物质总量10%以上,产量巨大。甘薯渣含水量高,粘度大,极易腐烂,腐烂时会释放甲烷,导致温室效应加重[1-2]。回收利用甘薯渣不仅能够减少环境污染,还能实现资源最大化利用。目前报道的甘薯渣酸法水解对设备抗腐蚀性要求高,废水排放量大[3],后续处理难度大,所需生产成本较高。因此,酸法水解甘薯渣工业化应用受到限制,而酶法水解甘薯渣条件温和,效率高,适合工业化应用。介绍了甘薯渣酶法水解获得还原糖的研究进展以及甘薯渣在食品、能源、医疗和材料等领域的高值化应用,为甘薯渣应用于更多领域的研究提供理论支撑。

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1 甘薯渣的酶解研究

由表1得知,甘薯渣含有丰富的淀粉、纤维素和果胶,是良好的生物精加工的原料。糖化是甘薯渣生物精加工的关键步骤,酸法水解甘薯渣会增加废水的排放,造成设备腐蚀,且产生较多抑制发酵的物质。酶法水解甘薯渣具有条件温和,效率高等优点,适合工业化生产。探究酶解条件、提高酶解效率是甘薯渣规模化应用的首要条件。

表1 甘薯渣成分分析[4]

目前报道的酶解方法有许多,可归纳总结为以下几种。

1.1 甘薯渣预处理后再酶解

预处理可以破坏生物质坚固的细胞壁,改变纤维素的晶体结构,有利于纤维素酶解[5]。常见的木质纤维素预处理方法有蒸汽爆破法、酸法、碱法、氧化法等[6]。不同原料的最佳预处理方法由原料性质决定。

有效的预处理方法是提高木质纤维素酶解转化率的关键步骤。李平等[7]比较了在温和条件下超声、超声与0.5% H2SO4结合和超声与10 g/L NaOH结合等预处理方法对甘薯渣酶解效果的影响。结果表明,超声结合10 g/L NaOH预处理的甘薯渣酶解效果最好,原因可能是超声能有效促进NaOH与半纤维素、木质素的反应。Xia等[8]用H2SO4、NaOH、H2O2三种试剂分别预处理甘薯渣,三种方法处理的甘薯渣纤维素相对含量都有所提高,经NaOH 、H2O2预处理的甘薯渣木质素含量分别降到2.41%和5.38%,H2SO4预处理后的甘薯渣木质素含量增加至15.71%。NaOH预处理后的甘薯渣用纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶酶解48 h时,纤维素转化率可达到96.2%。

1.2 甘薯渣未预处理直接酶解

预处理条件复杂且耗时,增加加工过程的资金成本,还会产生一些抑制酶解和发酵的物质。甘薯渣中木质素含量相对较低,不经过预处理直接酶解,通过优化酶解条件,提高可发酵糖得率,是许多学者的研究热点。直接酶解包括单一酶酶解和复合酶酶解两种方法。

1) 单一酶酶解

酶法水解甘薯渣获得葡萄糖,开辟非粮新糖源,是甘薯渣资源化利用的途径之一。Pagana等[9]用淀粉酶酶解甘薯渣,在pH 5.0、温度37 ℃、酶添加量8 U/g原料、酶解24 h的条件下,甘薯渣中83.6%的淀粉被转化为葡萄糖。由于没有使用纤维素酶,甘薯渣中非淀粉组分中的糖未被释放。王树宁等[10]用纤维素酶水解已去除果胶和淀粉的甘薯渣,在50 ℃,料液比为1∶25,pH 5.0,酶添加量50 U/g原料、酶解16 h的条件下,纤维素转化率最高。至今还未有文献报道甘薯渣中纤维素和淀粉完全酶解,因此,我们必须不断优化酶解条件,进一步提高酶解转化率。

2) 混合酶酶解

两种或多种酶之间的协同作用可以极大的促进木质纤维素的酶解。纤维素酶与一些辅助酶,如果胶酶、木聚糖酶,在木质纤维素酶解过程中的协同作用极为明显。韩业君等[11]探究了混合酶(纤维素酶、果胶酶、糖化酶)酶解高固相甘薯渣获得高浓度葡萄糖的方法。起始料液比控制在最高1∶5进行第一阶段酶解,然后逐级添加原料。料液比为1∶4时,葡萄糖浓度为168.4 g/L,转化率为70.8%。料液比为1∶3时,葡萄糖浓度为159.2 g/L,转化率为66.5%。料液比为1∶2时,葡萄糖浓度为224 g/L,转化率为63.8%。此方法可以解决甘薯渣酶解后水解液中可发酵糖浓度低的问题。Wang等[12]采用纤维素酶、淀粉酶和果胶酶协同酶解浓度为36%的甘薯渣,葡聚糖转化率达到68.3%。纤维素的溶胀是影响高浓度甘薯渣酶解的主要因素,纤维素酶在降低水解液粘度和促进葡萄糖转化中起主要作用,果胶酶在降低粘度方面的作用较小,但作为一种“辅助蛋白”促进纤维素释放葡萄糖,特别是在纤维素酶活性低的情况下,促进效果更明显。

2 甘薯渣的高值化应用研究

甘薯渣中纤维素、淀粉和果胶含量丰富,应用价值高。图1展示了甘薯渣在不同领域的高值化应用,甘薯渣高值化应用既能提高甘薯加工的经济效益,又能减少甘薯渣直接丢弃造成的环境污染。以下具体阐述了其在食品、能源、医疗、材料中的高值化应用。

图1 甘薯渣的高值化应用

2.1 甘薯渣在食品领域中的应用

随着生活水平的显著提高,我们的饮食习惯发生改变,膳食平衡成为人们共同追求的饮食原则。富含膳食纤维的食品深受消费者喜爱,其不仅可以实现膳食平衡,还可以改善食品口感,满足消费者多样化的饮食需求。甘薯渣中膳食纤维含量高,因此可以广泛应用在食品加工行业,如制备膳食纤维,用作食品添加剂。

1) 制备膳食纤维

膳食纤维在减肥、降低血脂和胆固醇以及预防结肠癌等方面发挥重要作用。甘薯渣中膳食纤维含量最高可达50%,是制备膳食纤维的良好原料。化学法、酶法和酶化学法是从原料中提取膳食纤维的常用方法[13-14]。工艺条件会改变膳食纤维的含量和微观结构,进而对其理化性能和功能产生影响。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质和淀粉,再用95%乙醇沉淀水解液,离心后的沉淀物溶于去离子水中,然后经冷冻干燥制得甘薯渣膳食纤维。Wang等[16]为了提高甘薯渣中可溶性膳食纤维的含量,对其进行预处理(蒸汽爆破法)后,甘薯渣中可溶性膳食纤维的含量达到(22.59±0.35)%,含量比未处理时增加了18.78%。经扫描电镜分析,预处理(蒸汽爆破法)后的甘薯渣可溶性膳食纤维呈多孔、疏松状,提高了可溶性膳食纤维的持水能力、持油能力和溶胀能力。

2) 作为食品添加剂

甘薯渣作为添加剂加入食品中,不但改善食品的风味,而且提高了食品中膳食纤维含量。邓后勤等[17]用纤维素酶与果胶酶水解甘薯渣得到的水解液微波杀菌后,加入适量的Na2CO3、NaCl,然后面粉与甘薯渣水解液按10∶3比例混合,经和面、第一次熟化、轧片、第二次熟化、延压、切条、分装等工艺制得甘薯渣生湿面条。甘薯渣生湿面条膳食纤维含量高且不溶性膳食纤维与可溶性膳食纤维搭配合理,营养更丰富。Harahap等[18]制作饼干时添加甘薯渣,饼干的质构和品质有极大的提高。甘薯渣粉添加量15%时,饼干的质量感官评价良好,被消费者广为接受。因此,甘薯渣是制作饼干的良好添加剂。另外,甘薯渣粉还可以增加面包风味,提高面包中膳食纤维含量。感官分析的结果表明甘薯渣粉与面粉的比例为1∶9时,制作的面包感官评分较高。甘薯渣膳食纤维添加到面包中,面包的比容降低,保水性,咀嚼性和硬度提高,面包烘焙质量可以呈现最佳状态[19-20]。

2.2 甘薯渣在能源领域中的应用

随着经济的发展,人类对能源的需求日益增加。化石燃料的大量燃烧不但会引发能源危机,而且造成温室效应,破坏生态系统的平衡。为使经济稳步发展,开发生物能源替代传统化石能源,减少化石燃料等不可再生资源的消耗在当今显得尤为重要。甘薯渣资源丰富,淀粉、纤维素含量高,具有潜在的资源转化特质。

1) 制备固体燃料

热解、气化和水热处理是生物质转化的有效方法[21]。与其它热化学转化方法相比,水热炭化技术可以在相对温和的条件下进行操作,能耗更低。在水热炭化过程中,水不仅是溶剂,也是催化剂。Chen等[22]运用此技术在220 ℃、60 min的条件下把甘薯渣转化为水热炭。用元素分析、邻位分析、扫描电镜和傅立叶变换红外光谱等方法测定了甘薯渣和水热炭的化学性质,采用热失重法研究了两者的燃烧特性和动力学参数。结果表明水热炭的表面形貌更褶皱、更粗糙,能量密度、热值和活化能均比甘薯渣高,具有良好的燃烧特性[23]。

2) 发酵产生物乙醇

生物乙醇是一种绿色环保的可再生能源,可以有效缓解全球能源需求日益增长和石油储备逐渐减少的严峻形势。目前用玉米、大麦、小麦和甘蔗等粮食作物生产生物乙醇引起了人们对粮食安全的担忧。木质纤维素来源广泛、储量大,被认为是第二代生物燃料良好的原料。很多学者以甘薯渣为原料,利用微生物发酵制得生物乙醇。田亚红等[24]以甘薯渣为原料,利用酿酒酵母采用同步糖化发酵法制备生物乙醇,通过单因素试验和正交试验优化发酵条件,料液比1∶25(w/v)、发酵时间108 h、接种量1.4% 、 pH 5.5时,葡萄糖的利用率为73.76%,生物乙醇得率为34.78%。李立平等[25]对糖化酶用量、接种量、发酵温度、淀粉酶用量、液化时间、液化温度、硫酸铵用量、pH、发酵时间等影响甘薯渣同步糖化发酵的因素运用数学模型进行分析,得知酶添加量、温度和接种量是影响乙醇得率的主要因素,并用响应面优化分析方法确定了最优参数,提高了乙醇得率。为获得高浓度的乙醇,降低成本,Wang等[12]用混合的纤维素酶和果胶酶酶解甘薯渣(底物浓度36%),酶解48 h后葡萄糖浓度为168.13 g/L,S.cerevisiae以酶解得到的糖发酵72 h后,乙醇浓度达到79.00 g/L,因此甘薯渣在生物乙醇工业化生产中具有巨大潜力。

2.3 甘薯渣在医疗领域中的应用

去氢表雄酮具有增强记忆、抑菌、抑制肿瘤细胞增殖等功效[26]。它的来源稀少,大多数为化学法合成的,但副作用很大。利用微生物发酵法制备过程繁琐且副产物多,不利于提纯。因此从植物中提取天然的去氢表雄酮成为研究者的热点。孙俊良等[27]用甘薯渣为原料经预发酵、萃取、有机溶剂浸提、过滤、冷冻干燥、再次溶解萃取等步骤获得去氢表雄酮粗品,再经微滤和超滤获得纯的液体产品。对提取的去氢表雄酮抑菌活性研究发现,其对大多数革兰氏阳性菌(G+)有抑制作用。以甘薯渣中的去氢表雄酮为实验对象,构建蛋白和化合物的相互作用网络,运用软件cytoscape分析出生物模块,对各个生物模块参加的生物过程进行解析,发现去氢表雄酮抑制肿瘤细胞增值的功效主要是通过参加G蛋白偶联受体蛋白的信号通路、细胞生物的胺代谢、DNA自我修复、组蛋白甲基化正调控等过程实现[28]。甘薯渣中果胶含量较高,为提高果胶的利用价值,Zhang等[29]提取甘薯渣中的果胶,并对抑制癌细胞增值进行了研究,结果表明甘薯果胶对人结肠癌细胞HT-29和人乳腺癌细胞Bcap-37的增殖抑制作用分别为46.64%和42.64%,抑制作用明显,因此甘薯果胶可以作为抗癌药物的添加剂。

2.4 甘薯渣在材料领域中的应用

为充分利用甘薯渣资源,对其进行高效改性,得到更多高附加值产品,如可再生性生物吸附剂,绿色可降解的环保复合材料,可以替代传统的石油基塑料,有效降低环境污染,也提高了甘薯渣的价值。

1) 制备吸附材料

甘薯渣是制备吸附剂的良好材料,对甘薯渣进行处理制备生物吸附剂,既可以防止自身对环境的污染,又可以净化污染的环境。超声辅助酸处理甘薯渣制得生物吸附剂,用扫描电镜观测得知改性甘薯渣生物吸附剂表面疏松多孔,对亚甲基蓝溶液有极强的吸附能力,可以有效消除亚甲基蓝废液对环境的危害。甘薯渣用0.2 mol/L的NaOH溶液、无水乙醇等试剂处理后制备的吸附材料对盐基块绿的吸附效率高、速度快、容量大,吸附率最高可达95.84%,对水中的Zn2+和Cr6+的吸附效果明显优于活性炭,且该吸附剂解吸后可以重复利用[30-31]。Hao 等[2]用溴乙酰溴对甘薯淀粉渣进行改性,将溴化甘薯淀粉与羟胺接枝反应制备了酰胺肟吸附剂,其对汞的最大吸附容量为4.03 mmol/g,这种简单的方法可有效控制重金属污染。

2)制备复合材料

可降解的复合材料具有无毒、无污染等优点,市场前景广阔。为扩大甘薯渣的应用范围,很多学者尝试将甘薯渣与其他材料接枝共聚,形成绿色环保的可降解材料。李昭等[32]以过硫酸铵为引发剂,乙酸乙烯酯为接枝单体,制备了甘薯渣-乙酸乙烯酯接枝共聚物。扫描电镜分析结果表明,接枝甘薯渣空隙少,表面光滑,接枝共聚物改变了甘薯渣本身的规整性和外貌,合成的复合材料具有干燥快、稳定性好等优点。杨栋磊等[33]以丙烯酸接枝甘薯渣得到改性的甘薯渣,二甲基亚砜为溶剂与聚乳酸进行共混,制得一种新型可降解材料。通过X射线衍射、红外光谱、熔融指数与扫描电镜等技术对丙烯酸接枝甘薯渣/聚乳酸可降解材料分析。结果表明丙烯酸改性后的甘薯渣与聚乳酸的相容性极大地提高,甘薯渣含量50%时,混合物熔融指数最高,分子量、黏度相对较大,混合程度均匀,制备的可降解材料性能最好。

3 结论与展望

高固相、多种酶协同酶解是甘薯渣酶解的最优方法。通过分步逐级添加底物以达到高固相,在混合酶的相互作用下酶解可以获得高浓度的可发酵糖。此法具有减少酶用量,能耗低、反应时间短、成本低等优点。甘薯渣已在食品、能源、材料、医疗等多领域广泛应用,实现了生物质的资源化利用,符合绿色环保的可持续发展理念,提高了产品附加值,增加了经济效益。

进一步优化甘薯渣酶解方法,缩短酶解时间,提高还原糖浓度和得率；以酶解获得的还原糖为碳源,利用微生物发酵技术得到更多高值化产品(如细菌纤维素、聚苹果酸),进而应用于化妆品、药物等领域是本课题组正在研究的方向,以实现甘薯渣在更多领域更高价值的应用。