靳艷玲 丁 凡 余金龍 沈維亮 方 揚(yáng) 譚 力 易卓林 何開(kāi)澤 趙 海

(中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；環(huán)境微生物四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院2，綿陽(yáng) 621000)

甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)研究

靳艷玲1丁 凡2余金龍2沈維亮1方 揚(yáng)1譚 力1易卓林1何開(kāi)澤1趙 海1

(中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；環(huán)境微生物四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院2，綿陽(yáng) 621000)

甘薯是營(yíng)養(yǎng)豐富、具有保健功能的作物，為了改善目前甘薯加工產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重的問(wèn)題，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室以清潔生產(chǎn)為核心，利用酶及微生物進(jìn)行了甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究。基于復(fù)合降黏酶的降黏技術(shù)可使甘薯黏度下降90%以上，高效乙醇發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)線上于30 h內(nèi)乙醇濃度達(dá)12%(V/V)，果酒釀造技術(shù)使甘薯酒濃度達(dá)11%(V/V)，果醋釀造技術(shù)使甘薯醋濃度達(dá)36 g/L，乳酸益生菌飼料制備技術(shù)使甘薯淀粉加工廢渣中乳酸菌數(shù)達(dá) 3.04×108cfu/g，蛋白飼料制備技術(shù)將甘薯淀粉加工廢渣中蛋白含量增加至18%。相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣有助于拓展加工產(chǎn)品種類，推動(dòng)甘薯加工向精、深加工發(fā)展。

甘薯 生化轉(zhuǎn)化 乙醇 果酒 果醋 飼料

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)Lam.]又名紅薯、紅苕、地瓜，為旋花科一年生草本植物。起源于南美洲[1]，明朝傳入中國(guó)后，因其獨(dú)具的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)特性和廣泛的適應(yīng)性曾在中國(guó)歷史上發(fā)揮過(guò)重要作用，為解決中國(guó)人口激增帶來(lái)的溫飽問(wèn)題作出了重要貢獻(xiàn)[2]。目前，中國(guó)已發(fā)展為世界第一大甘薯生產(chǎn)國(guó)，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)甘薯產(chǎn)量為7 154萬(wàn)t，占全球甘薯總產(chǎn)量的67%。

隨著我國(guó)糧食產(chǎn)量的增加，甘薯的主要用途已由在“一年甘薯半年糧”的困難時(shí)期作為糧食轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募Z食、飼料和工業(yè)原料等多種用途。人們也已逐步認(rèn)識(shí)到甘薯的保健功能。甘薯的能量、脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、糖含量、磷鐵含量與米飯、熟面、馬鈴薯和芋頭等不相上下，而食用纖維、鈣以及維生素A 的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述主要食物，營(yíng)養(yǎng)均衡、全面[3]。因此，甘薯被日本國(guó)家癌癥研究中心評(píng)選為“抗癌蔬菜”之首[4]，我國(guó)明朝醫(yī)學(xué)家李時(shí)珍在其所著的《本草綱目》中對(duì)甘薯的保健功能也有描述——“海中之人多壽，亦由不食五谷，而食甘薯故也”。

加工是提升農(nóng)產(chǎn)品價(jià)值的重要手段。雖然甘薯具有特殊的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值，但是目前我國(guó)甘薯加工產(chǎn)品品種很少，每年約50%的甘薯用于產(chǎn)后加工，淀粉、粉絲、粉條等“三粉”加工仍是甘薯加工的主體，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，缺乏精深加工技術(shù)和產(chǎn)品，附加值低，新型甘薯產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)跟不上市場(chǎng)的需求[5]。

因此，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室根據(jù)甘薯的成分特點(diǎn)，以清潔生產(chǎn)為核心，利用酶及微生物進(jìn)行了甘薯生化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究與推廣，不但可以延伸產(chǎn)業(yè)鏈，而且可以提高廢棄物的利用率、提高產(chǎn)品的附加值，以期促進(jìn)甘薯產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

1 甘薯降黏技術(shù)

甘薯為典型的非牛頓流體, 黏度超過(guò)4×104mPa.s，呈半固體狀、完全沒(méi)有流動(dòng)性，而一般可進(jìn)行管道傳輸?shù)那逡涸系陌l(fā)酵液黏度小于100 mPa.s。黏度高是薯類原料的突出特征，在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致甘薯原料傳輸、傳熱、傳質(zhì)困難。在進(jìn)行微生物發(fā)酵時(shí)，高黏度造成的局部溫度、產(chǎn)物濃度過(guò)高會(huì)直接導(dǎo)致微生物的代謝活力差、發(fā)酵效率低。為解決這一問(wèn)題，目前生產(chǎn)上常通過(guò)大量加水增加流動(dòng)性，從而導(dǎo)致原料被稀釋、底物濃度低、產(chǎn)物濃度低、產(chǎn)物提取能耗高、廢液和廢渣排放量高。

為了解決這一瓶頸問(wèn)題，必需首先確定黏度產(chǎn)生的機(jī)制，從而為降黏技術(shù)的開(kāi)發(fā)明確的作用靶點(diǎn)。因此，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室與丹麥哥本哈根大學(xué)合作，利用其針對(duì)多糖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的載體固定化多糖單克隆抗體雜交微陣列分析技術(shù)平臺(tái)，解析了不同黏度甘薯原料發(fā)酵過(guò)程中多糖及糖苷鍵的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，研究了黏度相關(guān)物質(zhì)的種類和糖苷鍵連接方式，解析了黏度產(chǎn)生的機(jī)制。結(jié)果表明甘薯黏度產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，與ɑ-1-5-阿拉伯聚糖、β-1-4半乳聚糖、同聚半乳糖醛酸、阿拉伯半乳聚糖糖蛋白等多種成分相關(guān)[6]。

根據(jù)黏度產(chǎn)生機(jī)制，在辨析原料組織結(jié)構(gòu)、研究多種水解酶作用特點(diǎn)及協(xié)調(diào)作用規(guī)律、集成復(fù)配酶及自產(chǎn)酶作用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代酶工程技術(shù)，根據(jù)糖苷鍵結(jié)構(gòu)理性篩選復(fù)合酶系，開(kāi)發(fā)了高效水解復(fù)合酶配伍及應(yīng)用技術(shù)，可將甘薯原料的黏度由4×104mPa.S以上降低至1×103mPa.S以下。將此多酶復(fù)合預(yù)處理降黏技術(shù)應(yīng)用于其他非糧淀粉質(zhì)原料木薯和芭蕉芋，同樣取得了突出的降黏效果——黏度下降率分別達(dá)到97.45%及96.43%。同時(shí)，篩選了復(fù)合降黏酶產(chǎn)生菌，其中CMC 37 可同時(shí)產(chǎn)生7 種以上的酶，協(xié)同降黏效果與商品化酶相當(dāng)[7]，解決了薯類原料黏度高、不利傳質(zhì)的關(guān)鍵共性技術(shù)難題。另外，降黏處理還促進(jìn)了原料中的淀粉及非淀粉多糖的水解，從而提高原料利用率[8]。

2 甘薯乙醇發(fā)酵技術(shù)

乙醇行業(yè)是在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用的基礎(chǔ)原料行業(yè)，主要用于化工、食品、軍工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，在原油價(jià)格持續(xù)高位運(yùn)行的刺激下，乙醇還作為石油的替代品得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，2007 年 9 月中國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》已將甘薯列為重點(diǎn)發(fā)展的燃料乙醇原料。近年來(lái)，我國(guó)乙醇產(chǎn)量始終保持上漲態(tài)勢(shì)，2014年全國(guó)發(fā)酵酒精產(chǎn)量達(dá)到了984.27萬(wàn)千升。隨著乙醇產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以玉米等糧食作物為主的生產(chǎn)模式日現(xiàn)弊端。甘薯等薯類原料富含淀粉、資源總量豐富，已成為發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的重要原料[9]。

為了提升乙醇轉(zhuǎn)化效率，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室針對(duì)甘薯乙醇發(fā)酵醪高壓非牛頓流體環(huán)境，通過(guò)逐步增加菌株的多種適應(yīng)性，模擬了大體系、低傳質(zhì)、高乙醇和二氧化碳反饋抑制的生產(chǎn)條件，定向選育獲得了1株可耐受40 ℃高溫，0.2 MPa高壓，生產(chǎn)18% (V/V)乙醇的酵母菌，具有耐高濃度乙醇、耐高溫、耐產(chǎn)物反饋、耐高黏度、耐大體系壓力5大抗性。在高效降黏技術(shù)的配合下，以鮮甘薯為原料，在西南地區(qū)最大的乙醇生產(chǎn)企業(yè)—資中縣銀山鴻展工業(yè)有限責(zé)任公司萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)線上，發(fā)酵時(shí)間由現(xiàn)有技術(shù)的60 h以上縮短為30 h以內(nèi)，乙醇濃度由5%～6% (V/V)提高到10%～12%(V/V)，達(dá)到了木薯干發(fā)酵產(chǎn)乙醇的水平[10]。

3 甘薯果酒、果醋、膳食纖維生產(chǎn)技術(shù)

為了充分挖掘和利用甘薯的保健功能，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室開(kāi)發(fā)了甘薯果酒、果醋、膳食纖維分級(jí)加工利用技術(shù)。首先將鮮甘薯進(jìn)行酒精發(fā)酵生產(chǎn)果酒，然后將果酒發(fā)酵廢渣進(jìn)行醋酸發(fā)酵生產(chǎn)果醋，最后將果醋發(fā)酵剩余殘?jiān)谱鞒缮攀忱w維。結(jié)果不同品種甘薯果酒濃度平均可達(dá)11% (V/V)，醋酸濃度可達(dá)36 g/L以上，達(dá)到了GB/T 18187—2000《釀造食醋》對(duì)總酸度的要求。果酒、果醋及殘?jiān)哂休^高的抗氧化活性，對(duì)DPPH·的清除率最高可達(dá)96.8%(結(jié)果見(jiàn)表1)。經(jīng)過(guò)酒精和醋酸發(fā)酵后的殘?jiān)鼰崃康停静缓?，膳食纖維含量達(dá)到67.3%，在干燥的過(guò)程中通過(guò)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生香氣，氣味芳香，可用于生產(chǎn)膳食纖維保健食品。

表1 果酒、果醋及殘?jiān)目寡趸钚?/p>

注：抗氧化活性的大小用對(duì)DPPH·的清除率來(lái)表示。

4 甘薯淀粉加工廢渣乳酸益生菌飼料發(fā)酵技術(shù)

目前，我國(guó)甘薯加工業(yè)主要集中于生產(chǎn)淀粉、粉絲、粉條等，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢渣。年產(chǎn)3 000 t甘薯淀粉的企業(yè)，每年所產(chǎn)生的濕甘薯渣就高達(dá) 4 000 t以上。其含水量在75%以上，不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且?guī)в卸喾N微生物，腐敗變質(zhì)后易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。僅2005年我國(guó)就有4.66×107t 甘薯廢渣被作為廢物丟棄，如何開(kāi)發(fā)利用這些甘薯廢渣已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)甘薯淀粉行業(yè)迫切需要解決的難題。

薯渣中殘余淀粉含量最高可達(dá)60%左右[11]，若不能有效利用不僅會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，還是一種資源浪費(fèi)。元素分析結(jié)果顯示甘薯淀粉加工廢渣是一種高C、H含量的生物質(zhì)，基于這一特點(diǎn)，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室建立了低成本、簡(jiǎn)工藝、高效率的甘薯廢渣發(fā)酵同步生產(chǎn)益生菌和乳酸的工藝。發(fā)酵效率可達(dá) 96.55%，薯渣中活菌數(shù)達(dá) 3.04×108cfu/g。該工藝不僅適于工業(yè)化生產(chǎn)乳酸，同時(shí)可被廣大甘薯淀粉加工農(nóng)戶就地作為家畜飼料利用[12]。

5 甘薯淀粉加工廢渣蛋白飼料發(fā)酵技術(shù)

我國(guó)是一個(gè)飼料蛋白資源嚴(yán)重短缺的大國(guó)，每年需從國(guó)外進(jìn)口大量豆粕、魚(yú)粉等以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不足[13]，利用食品工業(yè)廢料、農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、農(nóng)作物秸稈等廢棄物資源發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[14-15]，既可變廢為寶，解決日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題，又為快速發(fā)展的養(yǎng)殖業(yè)提供短缺的高蛋白飼料。為此，國(guó)家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工研究室以甘薯淀粉加工廢渣為原料，綜合應(yīng)用酶解與酵母菌固體發(fā)酵技術(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)，獲得薯渣發(fā)酵蛋白的最佳工藝。解決了薯渣中N元素相對(duì)匱乏的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了外加廉價(jià)無(wú)機(jī)氮源向蛋白質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化，發(fā)酵后薯渣中的蛋白含量達(dá)18%。

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Bioconversion technologies from Sweetpotato

Jin Yanling1Ding Fan2Yu Jinlong2Shen Weiliang1Fang Yang1Tan Li1Yi Zhuolin1He Kaize1Zhao Hai1
(Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, CAS1, Chengdu 610041)(Mianyang Institute of Agricultural Science2, Mianyang 621000)

Sweetpotato is a nutrient rich and healthy crop. In order to improve the serious homogenization of sweetpotato products, Division of Sweetpotato Processing and Utilization, China Agriculture Research System conducted a study on bioconversion technologies from sweetpotato with the application of enzymes and microorganisms by taking cleaner production as core Viscosity of sweetpotato mash was reduced by more than 90% with the compound enzymes. In the 10000 ton production line, ethanol concentration reached 12% (V/V) within 30 h by the developed high efficiency ethanol fermentation technology. Alcohol concentration reached 11% (V/V) by the developed fruit wine brewing technology. Acid concentration reached 36 g/L by the developed fruit vinegar brewing technology. The developed lactic acid probiotics feed preparation technology made the number of lactic acid bacteria in the waste residue of sweetpotato up to 3.04×108cfu/g. Protein content reached 18% with the application of protein feed preparation technology. The development and application of these technologies may increase the types of sweetpotato products and promote the processing of sweetpotato to fine and deep processing.

sweetpotato, bioconversion, ethanol, fruit wine, fruit vinegar, feedstuff

Q815

A

1003-0174(2017)09-0193-04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-10-B19)，中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/環(huán)境微生物四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金(Y1D5031101)

2017-07-25

靳艷玲，女，1981年出生，副研究員，甘薯產(chǎn)后加工

趙海，男，1966年出生，研究員，甘薯產(chǎn)后加工