曾小峰, 曾志红, 曾顺德, 等甘薯渣的发酵利用研究进展[J].南方农业, 2017, 11 (34) :39-41, 65.
甘薯渣是甘薯淀粉加工过程产生的副产物, 质量约占鲜薯质量的45%~60%[1], 其含有丰富的淀粉、膳食纤维、蛋白质、糖类、多酚类等营养物质及保健功能成分, 但甘薯渣由于含有多种抗营养因子、适口性差等不宜直接饲喂动物。同时, 甘薯渣水分含量极高, 达到80%以上, 由于被果胶类物质包裹不易脱水干燥, 极易腐败变质产生恶臭而污染环境, 因此, 大部分甘薯渣被当成废弃物扔掉。
目前, 解决这一难题的主要方向集中在两个方面:一是提取膳食纤维、果胶等营养物质以及生产纤维素制品[2]等;二是直接通过蒸煮或烘干后生产饲料。但都面临着成本高, 效率低, 烘干能耗高, 难以实现工业化生产等问题。
随着生物技术的不断发展, 为甘薯渣的综合利用提供了新的可能, 尤其发酵技术能通过微生物发酵, 将粗蛋白、纤维素等大分子物质转化为易于消化吸收的单糖、低聚糖、氨基酸等高附加值产物, 使消化利用率提高30%以上, 极大地改善其适口性。通过微生物发酵生产各种生物制品, 如膳食纤维[3]、微生物蛋白饲料[4]、柠檬酸、乙醇、低聚糖等, 能极大地提高产品的附加值, 增加经济效益, 降低环境污染。本文重点介绍发酵技术在甘薯渣上的研究利用现状。
膳食纤维是人体第七大营养物质, 主要来源于谷物、豆类、水果、蔬菜等, 对人体具有诸多重要的生理功能, 如降低血糖、预防便秘与结肠癌、治疗肥胖症、防治冠心病、预防高血压等, 对维持人体健康具有重要意义。
甘薯渣中膳食纤维含量达28.46%[5], 主要通过酶法[6]、酶碱法[7]、筛法[8]等进行提取, 但存在废液难处理、酸碱腐蚀设备、产品色泽差、不易漂白、成本高等缺点。
发酵法制备膳食纤维使用菌种多样, 固、液发酵方式均可。相关研究表明, 采用裂褶菌进行固态发酵, 淀粉在发酵前12天被降解93.8%, 并以还原糖的形式为菌体生长提供丰富的碳源, 同时在发酵过程中, 甘薯渣能诱导裂褶菌产生纤维素酶和半纤维素酶降解木质纤维素, 使膳食纤维含量达70.5%[9]。邬建国等[10]采用药用真菌液态发酵甘薯渣, 以0.8%的麸皮和9%的甘薯渣为培养基, 发酵4天膳食纤维含量达到29.63 g·L-1, 同时能极大地提高可溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维的比值, 使其更易于被吸收利用。刘蔚[11]和田亚红[12]分别用灵芝菌和乳酸菌发酵提取可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维, 分别可使可溶性膳食纤维含量达14.73g·L-1、不可溶性膳食纤维提取率达15.96%。表1中列出了发酵法制备膳食纤维的菌体代表[13]。
乙醇是自能源危机以来即被广泛认为的一种可代替石油的再生燃料, 其原料来源广泛。我国最初主要以陈化粮生产乙醇燃料为主, 但随着粮食危机的增加, 逐渐转向以农产品副产物等非粮作物为原料生产燃料乙醇, 如甘蔗渣、木薯渣、秸秆等, 不仅极大地提高了农产品的综合利用率, 同时增加了经济价值。近年来, 以甘薯渣为原料的研究也不断增加。
乙醇发酵工艺主要采用菌种为酿酒酵母。Hashem等[14]采用酿酒酵母, 添加0.4 g·L-1 Zn Cl2, 35℃条件下发酵36 h, 乙醇产量可达5.52 g·L-1。若甘薯渣原料先经超声波、稀碱、纤维素酶处理, 降解转化纤维素、半纤维素、木质素后, 再加入适量热带假丝酵母和酿酒酵母进行发酵, 与传统工艺相比, 可使乙醇产率提高14%[15]。
近年来, 同步糖化发酵法被广泛应用, 将糖化和发酵两个步骤同时进行, 代替了传统工艺中的先糖化后发酵的分步过程, 王贤等[16]采用此法对甘薯渣进行乙醇发酵工艺优化, 在α-淀粉酶8 U·g-1、液化温度90℃、液化1.5 h、硫酸铵添加量0.15 g·100 g-1, p H=4, 糖化酶151U·g-1, 酵母菌接种量0.3%, 发酵温度36℃, 发酵36 h的条件下, 制得到的乙醇体积浓度达17.15%, 比传统工艺提高3.05%。同步糖化发酵法能够有效地简化设备, 缩减发酵时间, 降低能耗, 提高乙醇得率, 值得推广和应用。
柠檬酸是一种重要的有机酸, 常作为酸性调味剂和保藏剂被广泛用于各种饮料、糖果、点心、罐头、乳制品等, 其酸味温和爽快, 市场占有率达70%以上, 且目前还未找到一种可以替代柠檬酸的酸味剂。甘薯渣中因含有大量淀粉等被用于柠檬酸的生产, 是柠檬酸生产的一种重要原料。
目前, 甘薯渣发酵生产柠檬酸基本原理是将残留淀粉经过糖化后, 采用黑曲霉等霉菌进行发酵制得[17]。Bindumole采用黑曲霉发酵生产柠檬酸, 在p H=4.5, 初始糖含量14%的条件下, 柠檬酸含量达到最高 (6.8 mg·m L-1) , 并在一定范围内, 随着氮源含量增加, 柠檬酸含量也增加。在实际生产中, 由于甘薯渣氮含量较低, 因此, 添加适量麸皮、米糠等作为氮源, 将有助于提高柠檬酸产量[18]。从现阶段看, 发酵法生产柠檬酸工艺较为成熟, 研究重点主要集中在对菌种的筛选, 对黑曲霉进行耐高温、耐高酸驯化、射线诱变处理等, 不断增强产酸能力和适应性。
低聚糖是指由2~10个单糖通过糖苷键连接而成的低度聚合糖, 可促进双歧杆菌增殖, 抑制有害菌繁殖, 同时具有能够促进钙、镁、锌、铁等矿物质吸收, 提高免疫力, 控制血糖, 降低胆固醇等生理效用。
低聚糖的制备方法主要是酶法和发酵法, 但酶制剂价格昂贵, 成本较高。近年来利用微生物发酵生产低聚糖的研究越来越多, 但以甘薯渣为原料的研究报道较少。李燕等[19]以纤维素水解圈和淀粉水解圈为指标初筛从自然界土壤中获得的10株降解菌后, 以低聚糖产量为指标进行复筛, 得到高产低聚糖的X1菌株, 并鉴定其为链霉菌属白孢类群。王允祥等[20]在其基础上, 以X1菌株为发酵菌种, 通过优化接种量、起始p H值、时间、温度、料液比, 得到产量为6.269μg·m L-1的低聚糖, 表明利用自然界微生物法降解甘薯渣制备低聚糖的方法具有可行性, 为甘薯渣发酵生产低聚糖提供了参考。
随着生物技术与饲料加工产业的不断融合, 生物饲料日益成为饲料加工发展的热点。甘薯渣发酵饲料是指以甘薯渣为底物, 利用微生物在适宜温度、p H值等环境下, 将甘薯渣中不可吸收纤维质及淀粉高效降解, 生成的可消化吸收的营养物质。发酵饲料可以极大地提高消化利用率, 同时, 微生物菌体繁殖生成大量微生物蛋白, 增加生物学利用价值。
Abu等[21]分别研究了黑曲霉、米曲霉和糙皮侧耳3种真菌发酵红薯, 结果表明, 黑曲霉发酵后蛋白含量增高最多。Zhao等采用复合菌种固态发酵红薯渣, 发酵后粗蛋白含量从6.37%提高到9.75%, 还原糖含量达到8.22%。邢文会等[22]仔细研究了产朊假丝酵母、解脂假丝酵母、乳酸乳球菌、米曲霉4种功能微生物制成的复合菌剂, 并对接种量、发酵温度、p H值等条件进行优化, 最终使发酵甘薯渣中真蛋白含量增加至22.95%, 比优化前提高了47.68%, 将发酵甘薯渣按10%的比例添加入育肥猪饲料中, 其具有较佳的适口性, 且猪的料肉比小、屠宰率高, 鲜肉品质较之前有所提高。另一研究表明, 当向红薯渣中添加少量的麸皮和尿素作为氮源, 进行多菌种微生物发酵后, 粗蛋白质含量可提高到42.4%[23]。因此, 采用发酵法生产蛋白饲料, 能规模化处理甘薯渣废弃物, 同时极大地提高饲料的营养价值。
微生物发酵技术能极大地提高甘薯渣综合利用率, 降低甘薯渣处理成本, 解决环境污染等一系列问题, 这将成为长期以来甘薯渣无法规模化工厂化处理与转化的一条新出路, 尤其是将其用于发酵生产蛋白饲料, 具有巨大的发展潜力。但目前通过微生物发酵技术处理甘薯渣, 还存在一些问题, 如:1) 微生物发酵条件控制较难, 易被杂菌污染, 导致发酵失败;2) 发酵后的产品品质没有统一标准, 参差不齐;3) 现阶段所使用的微生物菌种为广谱使用菌, 尚无针对甘薯渣基料的微生物发酵专用菌种。因此, 在今后甘薯渣研究工作中, 应加强专用菌种的筛选, 梯度扩大发酵规模, 逐步建立标准, 形成规模化、工业化生产。
摘要：微生物发酵技术能将甘薯渣中各种大分子物质转化为易于吸收利用的高附加值产品, 既能较大程度地降低生产成本, 又能解决甘薯渣污染环境问题。针对甘薯渣, 综述了通过发酵技术生产制备膳食纤维、乙醇、柠檬酸、低聚糖、蛋白饲料的研究利用现状, 指出目前存在的问题, 最后作了展望。
关键词：甘薯渣,微生物,发酵,利用
[1] 邢文会, 付瑞敏, 王丁, 等.微生物发酵甘薯渣产蛋白饲料的工艺优化及对育肥猪生产性能的影响[J].江苏农业科学, 2016, 44 (4) :279-284.
[5] 刘达玉, 左勇.酶解法提取薯渣膳食纤维的研究[J].食品工业科技, 2005, 26 (5) :90-92.
[6] 李小平, 魏朝明, 邓红.甘薯渣膳食纤维制备工艺的研究[J].食品与发酵工业, 2007, 33 (9) :100-103.
[7] 刘达玉, 黄丹, 李群兰.酶碱法提取薯渣膳食纤维及其改性研究[J].食品研究与开发, 2005, 26 (5) :63-66.
[8] 曹媛媛, 木泰华.筛法提取甘薯膳食纤维的工艺研究[J].食品工业科技, 2007 (7) :131-133.
[9] 刘平.固态发酵甘薯渣获取膳食纤维工艺及设备研究[D].武汉:华中科技大学, 2008.
[10] 邬建国, 周帅, 张晓昱, 等.采用药用真菌液态发酵甘薯渣获得膳食纤维的发酵工艺研究[J].食品与发酵工业, 2005, 31 (7) :42-44.
[11] 刘蔚, 王征, 丰来.灵芝菌发酵紫甘薯渣获得可溶性膳食纤维的工艺优化[J].食品与发酵工业, 2012, 38 (2) :131-134.
[12] 田亚红, 刘辉.乳酸菌发酵提取甘薯渣中水不溶性膳食纤维的研究[J].食品工业, 2014 (4) :20-22.
[13] 裘纪莹, 陈蕾蕾, 王未名, 等.发酵法制备高品质膳食纤维的研究进展[J].中国食物与营养, 2010, 2010 (6) :24-27.
[15] 曾舟华, 徐振强, 余双强, 等.甘薯渣微波处理发酵制乙醇的工艺研究[J].江苏农业科学, 2011, 39 (3) :370-371.
[16] 王贤, 张苗, 木泰华.甘薯渣同步糖化发酵生产酒精的工艺优化[J].农业工程学报, 2012, 28 (14) :256-261.
[17] Lu G Q, Huang H H, Zhang D P.Application of nearinfrared spectroscopy to predict sweetpotato starch thermal properties and noodle quality[J].生物医学与生物技术, 2006, 7 (6) :475-481.
[18] 曾文杰, 秦丹, 周京.薯类发酵制取柠檬酸的研究进展[J].农产品加工:学刊, 2013 (9) :59-61.
[19] 李燕.甘薯渣生物发酵制备低聚糖的研究[D].杭州:浙江农林大学, 2014.
[20] 王允祥, 李燕, 周龙, 等.甘薯渣制备低聚糖发酵条件的优化[J].核农学报, 2014, 28 (8) :1392-1399.
[21] Abu O A, Tewe O O, Losel D M, et al.Changes in lipid, fatty acids and protein composition of sweet potato (Ipomoea batatas) after solid-state fungal fermentation[J].Bioresource Technology, 2000, 72 (2) :189-192.
[22] 邢文会, 付瑞敏, 王丁, 等.微生物发酵甘薯渣产蛋白饲料的工艺优化及对育肥猪生产性能的影响[J].江苏农业科学, 2016, 44 (4) :279-284.
[23] 王淑军, 吕明生, 王永坤.混菌发酵提高甘薯渣饲用价值的研究[J].食品与发酵工业, 2002, 28 (6) :40-45.
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