甘薯生化轉化技術研究

靳艷玲 丁 凡 余金龍 沈維亮 方 揚 譚 力 易卓林 何開澤 趙 海

(中國科學院環境與應用微生物重點實驗室；環境微生物四川省重點實驗室；中國科學院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽市農業科學研究院2，綿陽 621000)

甘薯生化轉化技術研究

靳艷玲1丁 凡2余金龍2沈維亮1方 揚1譚 力1易卓林1何開澤1趙 海1

(中國科學院環境與應用微生物重點實驗室；環境微生物四川省重點實驗室；中國科學院成都生物研究所1，成都 610041)(綿陽市農業科學研究院2，綿陽 621000)

甘薯是營養豐富、具有保健功能的作物，為了改善目前甘薯加工產品同質化嚴重的問題，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室以清潔生產為核心，利用酶及微生物進行了甘薯生化轉化技術的研究。基于復合降黏酶的降黏技術可使甘薯黏度下降90%以上，高效乙醇發酵技術實現了在萬噸級生產線上于30 h內乙醇濃度達12%(V/V)，果酒釀造技術使甘薯酒濃度達11%(V/V)，果醋釀造技術使甘薯醋濃度達36 g/L，乳酸益生菌飼料制備技術使甘薯淀粉加工廢渣中乳酸菌數達 3.04×108cfu/g，蛋白飼料制備技術將甘薯淀粉加工廢渣中蛋白含量增加至18%。相關技術的研發和推廣有助于拓展加工產品種類，推動甘薯加工向精、深加工發展。

甘薯 生化轉化 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]，明朝傳入中國后，因其獨具的高產、穩產特性和廣泛的適應性曾在中國歷史上發揮過重要作用，為解決中國人口激增帶來的溫飽問題作出了重要貢獻[2]。目前，中國已發展為世界第一大甘薯生產國，據聯合國糧農組織(FAO)統計，2014年我國甘薯產量為7 154萬t，占全球甘薯總產量的67%。

隨著我國糧食產量的增加，甘薯的主要用途已由在“一年甘薯半年糧”的困難時期作為糧食轉變為目前的糧食、飼料和工業原料等多種用途。人們也已逐步認識到甘薯的保健功能。甘薯的能量、脂肪含量、蛋白質含量、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 的含量遠遠大于上述主要食物，營養均衡、全面[3]。因此，甘薯被日本國家癌癥研究中心評選為“抗癌蔬菜”之首[4]，我國明朝醫學家李時珍在其所著的《本草綱目》中對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”。

加工是提升農產品價值的重要手段。雖然甘薯具有特殊的營養保健價值，但是目前我國甘薯加工產品品種很少，每年約50%的甘薯用于產后加工，淀粉、粉絲、粉條等“三粉”加工仍是甘薯加工的主體，產品同質化嚴重，缺乏精深加工技術和產品，附加值低，新型甘薯產品的研發和生產跟不上市場的需求[5]。

因此，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室根據甘薯的成分特點，以清潔生產為核心，利用酶及微生物進行了甘薯生化轉化技術的研究與推廣，不但可以延伸產業鏈，而且可以提高廢棄物的利用率、提高產品的附加值，以期促進甘薯產業的健康持續發展。

1 甘薯降黏技術

甘薯為典型的非牛頓流體, 黏度超過4×104mPa.s，呈半固體狀、完全沒有流動性，而一般可進行管道傳輸的清液原料的發酵液黏度小于100 mPa.s。黏度高是薯類原料的突出特征，在工業化生產過程中，會導致甘薯原料傳輸、傳熱、傳質困難。在進行微生物發酵時，高黏度造成的局部溫度、產物濃度過高會直接導致微生物的代謝活力差、發酵效率低。為解決這一問題，目前生產上常通過大量加水增加流動性，從而導致原料被稀釋、底物濃度低、產物濃度低、產物提取能耗高、廢液和廢渣排放量高。

為了解決這一瓶頸問題，必需首先確定黏度產生的機制，從而為降黏技術的開發明確的作用靶點。因此，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室與丹麥哥本哈根大學合作，利用其針對多糖的復雜結構開發的載體固定化多糖單克隆抗體雜交微陣列分析技術平臺，解析了不同黏度甘薯原料發酵過程中多糖及糖苷鍵的動態變化規律，研究了黏度相關物質的種類和糖苷鍵連接方式，解析了黏度產生的機制。結果表明甘薯黏度產生機制較為復雜，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[6]。

根據黏度產生機制，在辨析原料組織結構、研究多種水解酶作用特點及協調作用規律、集成復配酶及自產酶作用特點的基礎上，采用現代酶工程技術，根據糖苷鍵結構理性篩選復合酶系，開發了高效水解復合酶配伍及應用技術，可將甘薯原料的黏度由4×104mPa.S以上降低至1×103mPa.S以下。將此多酶復合預處理降黏技術應用于其他非糧淀粉質原料木薯和芭蕉芋，同樣取得了突出的降黏效果——黏度下降率分別達到97.45%及96.43%。同時，篩選了復合降黏酶產生菌，其中CMC 37 可同時產生7 種以上的酶，協同降黏效果與商品化酶相當[7]，解決了薯類原料黏度高、不利傳質的關鍵共性技術難題。另外，降黏處理還促進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 甘薯乙醇發酵技術

乙醇行業是在我國國民經濟中發揮重要作用的基礎原料行業，主要用于化工、食品、軍工、醫藥等領域，在原油價格持續高位運行的刺激下，乙醇還作為石油的替代品得到了越來越廣泛的應用，2007 年 9 月中國國家發展和改革委員會公布的《可再生能源中長期發展規劃》已將甘薯列為重點發展的燃料乙醇原料。近年來，我國乙醇產量始終保持上漲態勢，2014年全國發酵酒精產量達到了984.27萬千升。隨著乙醇產業的不斷發展，以玉米等糧食作物為主的生產模式日現弊端。甘薯等薯類原料富含淀粉、資源總量豐富，已成為發酵法生產乙醇的重要原料[9]。

為了提升乙醇轉化效率，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室針對甘薯乙醇發酵醪高壓非牛頓流體環境，通過逐步增加菌株的多種適應性，模擬了大體系、低傳質、高乙醇和二氧化碳反饋抑制的生產條件，定向選育獲得了1株可耐受40 ℃高溫，0.2 MPa高壓，生產18% (V/V)乙醇的酵母菌，具有耐高濃度乙醇、耐高溫、耐產物反饋、耐高黏度、耐大體系壓力5大抗性。在高效降黏技術的配合下，以鮮甘薯為原料，在西南地區最大的乙醇生產企業—資中縣銀山鴻展工業有限責任公司萬噸級生產線上，發酵時間由現有技術的60 h以上縮短為30 h以內，乙醇濃度由5%～6% (V/V)提高到10%～12%(V/V)，達到了木薯干發酵產乙醇的水平[10]。

3 甘薯果酒、果醋、膳食纖維生產技術

為了充分挖掘和利用甘薯的保健功能，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室開發了甘薯果酒、果醋、膳食纖維分級加工利用技術。首先將鮮甘薯進行酒精發酵生產果酒，然后將果酒發酵廢渣進行醋酸發酵生產果醋，最后將果醋發酵剩余殘渣制作成膳食纖維。結果不同品種甘薯果酒濃度平均可達11% (V/V)，醋酸濃度可達36 g/L以上，達到了GB/T 18187—2000《釀造食醋》對總酸度的要求。果酒、果醋及殘渣具有較高的抗氧化活性，對DPPH·的清除率最高可達96.8%(結果見表1)。經過酒精和醋酸發酵后的殘渣熱量低，基本不含糖，膳食纖維含量達到67.3%，在干燥的過程中通過美拉德反應產生香氣，氣味芳香，可用于生產膳食纖維保健食品。

表1 果酒、果醋及殘渣的抗氧化活性

注：抗氧化活性的大小用對DPPH·的清除率來表示。

4 甘薯淀粉加工廢渣乳酸益生菌飼料發酵技術

目前，我國甘薯加工業主要集中于生產淀粉、粉絲、粉條等，生產過程中會產生大量廢渣。年產3 000 t甘薯淀粉的企業，每年所產生的濕甘薯渣就高達 4 000 t以上。其含水量在75%以上，不易儲存和運輸，且帶有多種微生物，腐敗變質后易造成嚴重的環境污染。僅2005年我國就有4.66×107t 甘薯廢渣被作為廢物丟棄，如何開發利用這些甘薯廢渣已經成為當前我國甘薯淀粉行業迫切需要解決的難題。

薯渣中殘余淀粉含量最高可達60%左右[11]，若不能有效利用不僅會帶來環境污染，還是一種資源浪費。元素分析結果顯示甘薯淀粉加工廢渣是一種高C、H含量的生物質，基于這一特點，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室建立了低成本、簡工藝、高效率的甘薯廢渣發酵同步生產益生菌和乳酸的工藝。發酵效率可達 96.55%，薯渣中活菌數達 3.04×108cfu/g。該工藝不僅適于工業化生產乳酸，同時可被廣大甘薯淀粉加工農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酵技術

我國是一個飼料蛋白資源嚴重短缺的大國，每年需從國外進口大量豆粕、魚粉等以填補國內市場的不足[13]，利用食品工業廢料、農副產品下腳料、農作物秸稈等廢棄物資源發酵生產單細胞蛋白是當前研究開發的熱點[14-15]，既可變廢為寶，解決日益嚴峻的環境污染問題，又為快速發展的養殖業提供短缺的高蛋白飼料。為此，國家甘薯產業技術體系產后加工研究室以甘薯淀粉加工廢渣為原料，綜合應用酶解與酵母菌固體發酵技術，通過正交試驗，獲得薯渣發酵蛋白的最佳工藝。解決了薯渣中N元素相對匱乏的問題，實現了外加廉價無機氮源向蛋白質的高效轉化，發酵后薯渣中的蛋白含量達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

現代農業產業技術體系建設專項(CARS-10-B19)，中國科學院環境與應用微生物重點實驗室/環境微生物四川省重點實驗室開放研究基金(Y1D5031101)

2017-07-25

靳艷玲，女，1981年出生，副研究員，甘薯產后加工

趙海，男，1966年出生，研究員，甘薯產后加工