梁瑞雪，侯艷，茹義博，蒙巖冰，陳麗梅，劉曉飛

哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院（哈爾濱 150028）

馬鈴薯是全世界四大糧食農(nóng)作物之一，同時也是我國糧食系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。我國的馬鈴薯資源豐富，是世界生產(chǎn)馬鈴薯第一大國，為我國馬鈴薯產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供充足的原料供應(yīng)和保障。馬鈴薯渣作為馬鈴薯產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)中含量最多的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t馬鈴薯淀粉會有6.5～7.5 t的馬鈴薯渣產(chǎn)生量[1]。在我國，每年會產(chǎn)生4×106～6×106t的薯渣副產(chǎn)物。新鮮的馬鈴薯渣廢棄物中因含有種類、數(shù)量繁多的微生物而容易發(fā)霉變質(zhì)，發(fā)出刺鼻氣味，危害人體健康。用傳統(tǒng)污水處理方法處理馬鈴薯渣難度很大，且污染環(huán)境[2]。薯渣處理費用高，成為企業(yè)的包袱。馬鈴薯渣廢棄物的有效處理已是制約其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的障礙[3]，也間接導(dǎo)致馬鈴薯淀粉、馬鈴薯全粉等馬鈴薯制品價格居高不下，嚴(yán)重影響馬鈴薯在食品工業(yè)中的應(yīng)用和馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的具體實施。當(dāng)前，馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正進(jìn)入興旺發(fā)達(dá)階段，馬鈴薯的副產(chǎn)物薯渣的產(chǎn)出量持續(xù)增加，尋求將其高效轉(zhuǎn)化和增值利用的方法已是當(dāng)務(wù)之急。

1 馬鈴薯渣的降解

1.1 物理化學(xué)法降解

物理化學(xué)法降解馬鈴薯渣操作簡單方便、投入成本小，但產(chǎn)品易有殘存試劑、殘留異味等弊端。物理化學(xué)法降解馬鈴薯渣有蒸汽爆破法、酸水解法等多種降解方式。黃崇杏等[4]利用蒸汽爆破的方式，使得馬鈴薯渣中的膳食纖維實現(xiàn)功能化。馬鈴薯渣中的半纖維素、纖維素和聚戊糖等化學(xué)組分含量的水平有所差異。經(jīng)過離解，原料變成細(xì)小的纖維物質(zhì)。半纖維素和纖維素經(jīng)過水解，變?yōu)槟苋芙獾奶穷愇镔|(zhì)，并且在降解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)香草乙酰、紫丁香基和愈創(chuàng)木基丙烷三種物質(zhì)。Lenihan等[5]在135 ℃的高溫條件下用10%的磷酸水解馬鈴薯渣，使薯渣在短短8 min內(nèi)被快速分解成糖類，并得到轉(zhuǎn)化率比理論值82.5%還高的糖類物質(zhì)。Klingspohn等[6]采用稀硫酸法初步降解馬鈴薯渣，得到淀粉、果膠、半纖維素以及纖維素等物質(zhì)，然后通過甲醇或丙酮將其中的果膠和淀粉成分分離出來，同時利用酶解法獲取其中的纖維素和半纖維素組分，用在后續(xù)的纖維素酶類等物質(zhì)的生產(chǎn)當(dāng)中。Bhattacharyya等[7]通過稀硫酸法加上超聲輔助操作水解馬鈴薯渣，將薯渣中糖類物質(zhì)的產(chǎn)量升高30%。蒸汽爆破和各種酸水解等物理化學(xué)法都可以有效降解馬鈴薯渣，使其被轉(zhuǎn)化利用。

1.2 酶法降解

酶解法降解馬鈴薯渣的作用條件相對溫和，工業(yè)上對設(shè)備的要求較低。酶及其反應(yīng)物大多沒有毒性，對產(chǎn)品不會造成污染，安全性較高。但酶類物質(zhì)難以滲透進(jìn)入纖維結(jié)晶區(qū)，對纖維結(jié)合較為緊密的蛋白質(zhì)成分的去除效果差。而且同其他降解方法相比，酶類物質(zhì)的價格較高、生產(chǎn)成本較大。杜靜[8]采用果膠酶處理馬鈴薯渣中的果膠組分，使得果膠的脫出率高達(dá)98.48%。Vetting等[9]報道了一株根癌土壤桿菌，其分泌的環(huán)異構(gòu)酶對馬鈴薯渣中的果膠具有較強(qiáng)的降解作用。Thomassen等[10]采用α-耐高溫淀粉酶在較低的溫度（70 ℃）和較長的時間（超過65 min）條件下處理馬鈴薯渣，并結(jié)合膜耦合反應(yīng)器，徹底去除馬鈴薯渣中的淀粉組分，但這種處理方式過于復(fù)雜，無法在工業(yè)上得到推廣和應(yīng)用。Camire等[11]采用酶解法降解馬鈴薯渣中的淀粉組分，并對其產(chǎn)物展開探索研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為55 ℃時，2 h內(nèi)薯渣中的淀粉成分能夠全部水解成葡萄糖。目前，使用酶類物質(zhì)可以降解馬鈴薯渣，但針對此種方法的研究太少，因而為馬鈴薯渣的降解提供了一條新方向。

1.3 微生物法降解

國內(nèi)外學(xué)者積極研究微生物降解薯渣的方法，利用黑曲霉、白地霉、枯草芽孢桿菌等作為微生物菌種來降解馬鈴薯渣，并研究出適合的降解方法和合理的菌種組合。董佳程[12]利用黑曲霉的兩種菌株（原菌株及其突變菌株H3），在同樣生長環(huán)境中，各自接種于馬鈴薯半固體培養(yǎng)基，發(fā)酵4 d，之后進(jìn)行單獨檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與原菌株對纖維素39.25%的降解率相比，突變株H3可使纖維素的降解率高達(dá)80.54%。白夢嬌等[13]利用10株不同的微生物菌種（產(chǎn)朊假絲酵母、扣囊復(fù)膜酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、植物乳酸桿菌、米曲霉、康寧木霉、黑曲霉、綠色木霉和X霉菌）進(jìn)行馬鈴薯渣發(fā)酵試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯渣的粗纖維成分均能夠被這10種菌部分降解。在這10種菌株中，黑曲霉、植物乳酸桿菌和康寧木霉對薯渣中粗纖維的降解超過50%。在菌種組合當(dāng)中，扣囊復(fù)膜酵母和康寧木霉組合、釀酒酵母和黑曲霉組合對粗纖維的降解率均多于50%。Wang等[14]采用果膠酶和纖維素酶對馬鈴薯渣進(jìn)行預(yù)處理，然后接種白地霉、乳酸菌和酵母菌對其進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，其發(fā)酵產(chǎn)物中粗纖維的含量顯著減小。孫雪穎[15]利用黑曲霉發(fā)酵法降解馬鈴薯渣中的果膠，使其降解率提高到39.90%。利用各種細(xì)菌、霉菌等微生物可以有效降解馬鈴薯渣。

2 馬鈴薯渣的應(yīng)用

2.1 制備膳食纖維

馬鈴薯渣中含有極其豐富的膳食纖維，占其干基質(zhì)量的50%左右[16]，因此可作為良好的膳食纖維獲取來源之一。薯渣膳食纖維的生理活性較好，具有良好的安全性能，且價格低廉。程力等[17]通過纖維素酶法改良馬鈴薯渣性能，酶解去除了淀粉的覆蓋效果，獲得的可溶性膳食纖維的相對分子質(zhì)量及黏度相對較高，但其胰脂肪酶活力的抑制力相對較低。姚琦等[18]通過聯(lián)合酶法獲取馬鈴薯渣中的膳食纖維成分，再通過正交試驗的設(shè)計方法，得到α-淀粉酶和糖化酶共同處理的最優(yōu)酶解條件。在最優(yōu)酶解條件下，通過酶解得到的膳食纖維，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)76.92%。與馬鈴薯渣相比，其持水性和持油性均明顯提高。呂金順等[19]通過水蒸氣爆破法與氧化劑法共同降解馬鈴薯廢渣，提取薯渣中的膳食纖維，而且對所得物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在生物體內(nèi)馬鈴薯渣中的膳食纖維對致病物質(zhì)的吸附作用較強(qiáng)，還可以吸附體內(nèi)的膽固醇。Klingspohn等[20]采用稀硫酸法水解馬鈴薯淀粉渣，再利用離心機(jī)對其進(jìn)行離心分離，將薯渣中的淀粉及果膠成分從纖維素、半纖維素中分離獲得，之后將得到的纖維素、半纖維素以及馬鈴薯廢汁液作為混合培養(yǎng)基，接種里氏木霉制備纖維素酶。馬鈴薯渣可為加工和制備膳食纖維提供足夠的原料保障和來源，有很大的開發(fā)利用空間。

2.2 制備果膠

馬鈴薯渣中有含量較為豐富的膠質(zhì)，占其干基質(zhì)量的17%左右。果膠是一類具有親水性質(zhì)的植物膠，有著良好的凝膠作用及乳化作用，通常用在食品包裝膜、生物培養(yǎng)基和食品添加劑等方面。以馬鈴薯渣為原料獲取其中的果膠，不僅開拓了馬鈴薯渣的應(yīng)用范圍，還增加了果膠的原料來源。利用馬鈴薯渣生產(chǎn)果膠有微波法、沉淀法、酸法和酶提取法等，而且所得果膠的純度較高。王文霞等[21]分別采取4種不同方法對馬鈴薯渣中的果膠進(jìn)行提取。結(jié)果顯示，檸檬酸法和鹽酸法獲取果膠的含量分別可達(dá)56.33%和55.62%，復(fù)合鹽法提取的果膠含量為52.56%，堿性磷酸鹽法的提取含量最低，為32.31%。楊金姝[22]通過超聲波-微波輔助鹽酸法對馬鈴薯渣中的果膠進(jìn)行提取，在最佳提取條件下，果膠提取率為22.86%，而且薯渣中果膠乳化液的乳化性能相對較佳。高金波[23]使用耐高溫α-淀粉酶以及高轉(zhuǎn)化率糖化酶提取馬鈴薯渣中的果膠，使用上述兩種酶進(jìn)行組合優(yōu)化，在最佳優(yōu)化條件下，薯渣中的果膠純度高于80%。Byg等[24]利用多聚半乳糖醛酸酶對馬鈴薯渣進(jìn)行預(yù)處理，獲取其中的I型果膠，然后利用深層過濾和超濾的方法對Ⅰ型果膠進(jìn)行純化處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與化學(xué)萃取法相比，這種方法能夠獲得相對分子質(zhì)量更大的產(chǎn)物，提取效果較好。Meyer等[25]通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化馬鈴薯渣中果膠的獲取條件。結(jié)果表明，在62.5 ℃、pH 3的條件下，添加戊聚糖酶反應(yīng)1 h，果膠的收集時間更短，提取率更高。

2.3 生產(chǎn)動物飼料

馬鈴薯渣中的蛋白質(zhì)以及粗纖維的含量十分豐富。提取得到的蛋白質(zhì)可用作飼料添加劑，其營養(yǎng)功效及作用與脫脂奶粉相當(dāng)。粗纖維的營養(yǎng)功效及作用與能量飼料相同，可以作為動物飼料使用，在反芻動物中的應(yīng)用比較廣泛。Sugimoto等[26]用馬鈴薯渣對肉牛進(jìn)行投喂。結(jié)果顯示，肉牛中瘤胃氨態(tài)氮的濃度得到提高，從而形成更多的瘤胃蛋白，有助于肉牛體重增加。將馬鈴薯渣作為蛋白質(zhì)原料，通過固態(tài)或半固態(tài)的發(fā)酵方式制備單細(xì)胞蛋白飼料，已成為動物高蛋白飼料最有發(fā)展遠(yuǎn)景的一個探究領(lǐng)域。周芳[27]利用單一菌種以及復(fù)合菌群對馬鈴薯渣進(jìn)行發(fā)酵試驗。結(jié)果表明，與單菌和三株不同菌組合相比，兩株不同菌組合發(fā)酵的薯渣中粗蛋白含量最高。通過微生物的方法發(fā)酵蛋白飼料可以有效地獲得高產(chǎn)率的飼料。史琦云等[28]通過單株菌生料、熟料發(fā)酵和多株菌協(xié)生固態(tài)發(fā)酵等多種技術(shù)，制備馬鈴薯渣菌體蛋白飼料，并對使用不同發(fā)酵方法發(fā)酵前后的蛋白質(zhì)、淀粉等營養(yǎng)組分含量進(jìn)行定量檢測。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)含量分別提高13.45%，18.53%和22.16%。楊希娟等[29]利用白地霉、熱帶假絲酵母和黑曲霉，通過固態(tài)發(fā)酵的方式處理馬鈴薯渣，用以獲取菌體蛋白飼料。經(jīng)過驗證可知，與固態(tài)發(fā)酵前相比，發(fā)酵后產(chǎn)物中的粗蛋白含量明顯增加。綜上所述，以馬鈴薯渣為原料制備動物蛋白飼料，是一種使廢棄物得到循環(huán)使用的有效可實施方法。

2.4 用作發(fā)酵培養(yǎng)基

馬鈴薯渣來源普遍、成本較低、營養(yǎng)成分繁多且含量豐富，因此可以代替葡萄糖等碳源作為廉價、綠色環(huán)保的固態(tài)或半固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基。Haas等[30]將經(jīng)糖化的馬鈴薯渣作為碳源，接入菌種R. eutroph NCIMB 11599，生產(chǎn)聚羥基丁酸脂，提供了一種新型的性價比超高的碳源來源。利用馬鈴薯渣生產(chǎn)檸檬酸和檸檬酸鈣，原料價廉易得、生產(chǎn)技術(shù)簡便、經(jīng)濟(jì)效益顯著。Toru等[31]利用α-淀粉酶和葡萄糖酶糖化馬鈴薯渣，將糖化后得到的果糖當(dāng)作碳源，發(fā)酵制備細(xì)菌纖維。Dishisha等[32]以甘油為底物，將馬鈴薯渣當(dāng)作維生素源以及氮源，通過高密度發(fā)酵的方法制取丙酸。盧嘉寶[33]通過馬鈴薯渣培養(yǎng)基，發(fā)酵培養(yǎng)得到3種側(cè)耳屬食用菌：鳳尾菇、姬菇、小白側(cè)耳。研究得出3種食用菌的最適培養(yǎng)條件并預(yù)測了其產(chǎn)量。魏潔茹[34]利用馬鈴薯渣發(fā)酵制取乳酸菌肽，而且改進(jìn)了薯渣水解液當(dāng)中不同物質(zhì)的最優(yōu)組合方式，將乳酸菌肽的效價提升到4635.00 IU/mL。馬鈴薯渣用作發(fā)酵培養(yǎng)基是一種廢棄利用的可行舉措。

2.5 制備可食性包裝膜

可食性包裝膜，即一種無污染的新型材料，已變成食品包裝領(lǐng)域炙手可熱的研究方向。馬鈴薯渣中淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和果膠等綠色可食性組分的含量十分豐富，可作為制作可食性膜的良好原料。其能夠應(yīng)用在調(diào)味料、粉劑、油料、液態(tài)劑等食品綠色包裝領(lǐng)域，以及其他可食性包裝材料方面。李俊芳[35]對馬鈴薯渣制成的可食性膜進(jìn)行了相關(guān)研究，把這種膜應(yīng)用在方便面油料包的包裝當(dāng)中，使用此膜包裝的方便面油料，在溫度45 ℃、相對濕度60%的狀態(tài)下，完好擱置保存30 d，沒有出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。將其置于沸水中煮3～4 min可以被完全溶解。曹龍奎等[36]將馬鈴薯渣作為原料，通過流延法制備可食性膜，這種膜不但符合麥片、豆奶等食品的包裝標(biāo)準(zhǔn)，而且不會改變食品的固有風(fēng)味。對馬鈴薯渣進(jìn)行改性處理，不僅能夠增加膜體系的黏稠度和透明度，還可以增強(qiáng)該體系的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。周睿等[37]將改性后的羧甲基馬鈴薯渣作為原料，同時加入可以增加塑性、增高強(qiáng)度的改良助劑，再通過交聯(lián)共聚反應(yīng)，研究制得一種新型的可食性包裝膜，此膜表面光滑均一，觸感軟綿細(xì)致并不易折斷，其機(jī)械、封合、阻隔與溶解功能很好。制備可食性包裝膜為綠色無污染開拓了新的探究方向。

2.6 生產(chǎn)新型吸附材料

近幾年，工業(yè)廢水中重金屬超標(biāo)以及環(huán)境污染等問題逐漸嚴(yán)重，對人類的健康及生活都造成了極大的威脅，日益受到關(guān)注。與處理重金屬的傳統(tǒng)方法相比，生物絮凝吸附劑可有效規(guī)避成本高、周期長和二次污染等問題，被廣泛應(yīng)用在水污染的處理方面。馬鈴薯渣也可作為原料生產(chǎn)吸附材料應(yīng)用于污染治理方面。鹿寶鑫[38]將羧甲基化后的馬鈴薯渣作為原料，采用醚化改性的工藝，獲得一種綠色環(huán)保型的馬鈴薯淀粉渣吸附劑，利用其去除水溶液中的Pb2+，去除率可達(dá)95%，回收率可達(dá)90.4%。馬鈴薯渣也可用于高吸水樹脂的制取方面，李繼萍等[39]以馬鈴薯渣為原料合成高吸水樹脂，特異性吸附Pb2+。研究發(fā)現(xiàn)，與靜態(tài)吸附相比，此種高吸水樹脂的動態(tài)吸附速度較快，該結(jié)論為以后合成高吸水樹脂的研究提供可靠的參考數(shù)據(jù)。吳海霞等[40]將羧甲基化后的馬鈴薯渣當(dāng)作原料，進(jìn)行高吸水樹脂的合成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高吸水樹脂吸附Pb2+達(dá)到飽和狀態(tài)時，高吸水樹脂吸附和解吸Pb2+達(dá)到平衡。在透射電鏡下，能夠看到類似蜂窩形狀。說明經(jīng)聚合與交聯(lián)，形成了結(jié)構(gòu)繁瑣的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用在對離子材料的吸附方面。王小芳等[41]通過酶法處理制備馬鈴薯渣膳食纖維，探究其對Hg2+、Pg2+、Cd2+的吸附動力學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對金屬離子展現(xiàn)出很好的吸附效果。Zhang等[42]將馬鈴薯渣進(jìn)行碳化處理，并應(yīng)用在吸附亞甲基藍(lán)染料方面。很多研究表明，酶法處理和微細(xì)化處理可以進(jìn)一步提高膳食纖維類物質(zhì)的吸附能力，將這些技術(shù)應(yīng)用于馬鈴薯渣改性處理，有望進(jìn)一步推動薯渣在制備吸附材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2.7 生產(chǎn)能源

馬鈴薯渣中的膳食纖維、淀粉和蛋白質(zhì)等具有較高的燃燒熱值，可利用一些手段使其轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)能源，從而促進(jìn)薯渣的轉(zhuǎn)化利用。以馬鈴薯渣為原料生產(chǎn)生物質(zhì)能源一直是薯渣綜合應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。目前，已有許多研究人員利用不同微生物發(fā)酵薯渣，從而制備出燃料酒精、氫氣等產(chǎn)品[43]。楊麗英[44]將馬鈴薯渣作為底物，建立單雙相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與單相厭氧系統(tǒng)相比，雙相厭氧系統(tǒng)在甲烷的生產(chǎn)潛力、產(chǎn)出率、比產(chǎn)甲烷效率和能量回收效率方面均展現(xiàn)出更優(yōu)良的性能，可達(dá)到較高的效率，有效提高能量的回收。Marihart[45]最早評估了利用馬鈴薯渣生產(chǎn)酒精的可行性，并認(rèn)為通過合適的預(yù)處理提高糖化效率是該利用方式的關(guān)鍵。代淑梅等[46]對馬鈴薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇進(jìn)行了探究。采用不同的預(yù)處理方式和不同的酶系復(fù)配比例，進(jìn)行優(yōu)化后，乙醇的生產(chǎn)量可以達(dá)到9.06% vol。蘇檳楠等[47]在水果和蔬菜等多種產(chǎn)品樣本中篩選出1株菌株Z40，該菌株可利用馬鈴薯渣發(fā)酵生產(chǎn)酒精，并對其酒精發(fā)酵能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明，優(yōu)化發(fā)酵條件后酒精產(chǎn)率可達(dá)到333.3 mL/kg。綜上，馬鈴薯渣可應(yīng)用在生產(chǎn)生物質(zhì)能源方面，從而降低其對環(huán)境的污染，提高薯渣的利用率和經(jīng)濟(jì)價值。

3 結(jié)語與展望

馬鈴薯是世界上常見的農(nóng)作物之一，我國的馬鈴薯資源極其豐富，被大面積種植。到2015年為止，我國的馬鈴薯耕種面積占全世界耕種總面積的25%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的20%[48]。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷整改的同時，馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)也在快速成長，薯渣的產(chǎn)量也連年增加。馬鈴薯渣價格低廉且來源普遍，營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，研究潛能巨大，具有良好的市場發(fā)展預(yù)期。如今，我國在研究和應(yīng)用馬鈴薯渣方面比較局限，缺乏高效的利用方式[49]，因此目前主要的研究方向是如何更好地開發(fā)利用馬鈴薯渣以及如何提升馬鈴薯渣的綜合利用率，其中包括改善馬鈴薯渣中營養(yǎng)物質(zhì)的提取工藝、利用馬鈴薯渣制備高蛋白動物飼料、生產(chǎn)化工原料及燃料氣體等。綜上所述，合理高效地利用馬鈴薯渣，既可有效地提高自然能源的利用率，又能夠避免其對環(huán)境的污染，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值以及社會效益。