甘薯生化转化技术研究

靳艳玲 丁 凡 余金龙 沈维亮 方 扬 谭 力 易卓林 何开泽 赵 海

(中国科学院环境与应用微生物重点实验室；环境微生物四川省重点实验室；中国科学院成都生物研究所1，成都 610041)(绵阳市农业科学研究院2，绵阳 621000)

甘薯生化转化技术研究

靳艳玲1丁 凡2余金龙2沈维亮1方 扬1谭 力1易卓林1何开泽1赵 海1

(中国科学院环境与应用微生物重点实验室；环境微生物四川省重点实验室；中国科学院成都生物研究所1，成都 610041)(绵阳市农业科学研究院2，绵阳 621000)

甘薯是营养丰富、具有保健功能的作物，为了改善目前甘薯加工产品同质化严重的问题，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室以清洁生产为核心，利用酶及微生物进行了甘薯生化转化技术的研究。基于复合降黏酶的降黏技术可使甘薯黏度下降90%以上，高效乙醇发酵技术实现了在万吨级生产线上于30 h内乙醇浓度达12%(V/V)，果酒酿造技术使甘薯酒浓度达11%(V/V)，果醋酿造技术使甘薯醋浓度达36 g/L，乳酸益生菌饲料制备技术使甘薯淀粉加工废渣中乳酸菌数达 3.04×108cfu/g，蛋白饲料制备技术将甘薯淀粉加工废渣中蛋白含量增加至18%。相关技术的研发和推广有助于拓展加工产品种类，推动甘薯加工向精、深加工发展。

甘薯 生化转化 乙醇 果酒 果醋 饲料

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)Lam.]又名红薯、红苕、地瓜，为旋花科一年生草本植物。起源于南美洲[1]，明朝传入中国后，因其独具的高产、稳产特性和广泛的适应性曾在中国历史上发挥过重要作用，为解决中国人口激增带来的温饱问题作出了重要贡献[2]。目前，中国已发展为世界第一大甘薯生产国，据联合国粮农组织(FAO)统计，2014年我国甘薯产量为7 154万t，占全球甘薯总产量的67%。

随着我国粮食产量的增加，甘薯的主要用途已由在“一年甘薯半年粮”的困难时期作为粮食转变为目前的粮食、饲料和工业原料等多种用途。人们也已逐步认识到甘薯的保健功能。甘薯的能量、脂肪含量、蛋白质含量、糖含量、磷铁含量与米饭、熟面、马铃薯和芋头等不相上下，而食用纤维、钙以及维生素A 的含量远远大于上述主要食物，营养均衡、全面[3]。因此，甘薯被日本国家癌症研究中心评选为“抗癌蔬菜”之首[4]，我国明朝医学家李时珍在其所著的《本草纲目》中对甘薯的保健功能也有描述——“海中之人多寿，亦由不食五谷，而食甘薯故也”。

加工是提升农产品价值的重要手段。虽然甘薯具有特殊的营养保健价值，但是目前我国甘薯加工产品品种很少，每年约50%的甘薯用于产后加工，淀粉、粉丝、粉条等“三粉”加工仍是甘薯加工的主体，产品同质化严重，缺乏精深加工技术和产品，附加值低，新型甘薯产品的研发和生产跟不上市场的需求[5]。

因此，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室根据甘薯的成分特点，以清洁生产为核心，利用酶及微生物进行了甘薯生化转化技术的研究与推广，不但可以延伸产业链，而且可以提高废弃物的利用率、提高产品的附加值，以期促进甘薯产业的健康持续发展。

1 甘薯降黏技术

甘薯为典型的非牛顿流体, 黏度超过4×104mPa.s，呈半固体状、完全没有流动性，而一般可进行管道传输的清液原料的发酵液黏度小于100 mPa.s。黏度高是薯类原料的突出特征，在工业化生产过程中，会导致甘薯原料传输、传热、传质困难。在进行微生物发酵时，高黏度造成的局部温度、产物浓度过高会直接导致微生物的代谢活力差、发酵效率低。为解决这一问题，目前生产上常通过大量加水增加流动性，从而导致原料被稀释、底物浓度低、产物浓度低、产物提取能耗高、废液和废渣排放量高。

为了解决这一瓶颈问题，必需首先确定黏度产生的机制，从而为降黏技术的开发明确的作用靶点。因此，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室与丹麦哥本哈根大学合作，利用其针对多糖的复杂结构开发的载体固定化多糖单克隆抗体杂交微阵列分析技术平台，解析了不同黏度甘薯原料发酵过程中多糖及糖苷键的动态变化规律，研究了黏度相关物质的种类和糖苷键连接方式，解析了黏度产生的机制。结果表明甘薯黏度产生机制较为复杂，与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种成分相关[6]。

根据黏度产生机制，在辨析原料组织结构、研究多种水解酶作用特点及协调作用规律、集成复配酶及自产酶作用特点的基础上，采用现代酶工程技术，根据糖苷键结构理性筛选复合酶系，开发了高效水解复合酶配伍及应用技术，可将甘薯原料的黏度由4×104mPa.S以上降低至1×103mPa.S以下。将此多酶复合预处理降黏技术应用于其他非粮淀粉质原料木薯和芭蕉芋，同样取得了突出的降黏效果——黏度下降率分别达到97.45%及96.43%。同时，筛选了复合降黏酶产生菌，其中CMC 37 可同时产生7 种以上的酶，协同降黏效果与商品化酶相当[7]，解决了薯类原料黏度高、不利传质的关键共性技术难题。另外，降黏处理还促进了原料中的淀粉及非淀粉多糖的水解，从而提高原料利用率[8]。

2 甘薯乙醇发酵技术

乙醇行业是在我国国民经济中发挥重要作用的基础原料行业，主要用于化工、食品、军工、医药等领域，在原油价格持续高位运行的刺激下，乙醇还作为石油的替代品得到了越来越广泛的应用，2007 年 9 月中国国家发展和改革委员会公布的《可再生能源中长期发展规划》已将甘薯列为重点发展的燃料乙醇原料。近年来，我国乙醇产量始终保持上涨态势，2014年全国发酵酒精产量达到了984.27万千升。随着乙醇产业的不断发展，以玉米等粮食作物为主的生产模式日现弊端。甘薯等薯类原料富含淀粉、资源总量丰富，已成为发酵法生产乙醇的重要原料[9]。

为了提升乙醇转化效率，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室针对甘薯乙醇发酵醪高压非牛顿流体环境，通过逐步增加菌株的多种适应性，模拟了大体系、低传质、高乙醇和二氧化碳反馈抑制的生产条件，定向选育获得了1株可耐受40 ℃高温，0.2 MPa高压，生产18% (V/V)乙醇的酵母菌，具有耐高浓度乙醇、耐高温、耐产物反馈、耐高黏度、耐大体系压力5大抗性。在高效降黏技术的配合下，以鲜甘薯为原料，在西南地区最大的乙醇生产企业—资中县银山鸿展工业有限责任公司万吨级生产线上，发酵时间由现有技术的60 h以上缩短为30 h以内，乙醇浓度由5%～6% (V/V)提高到10%～12%(V/V)，达到了木薯干发酵产乙醇的水平[10]。

3 甘薯果酒、果醋、膳食纤维生产技术

为了充分挖掘和利用甘薯的保健功能，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室开发了甘薯果酒、果醋、膳食纤维分级加工利用技术。首先将鲜甘薯进行酒精发酵生产果酒，然后将果酒发酵废渣进行醋酸发酵生产果醋，最后将果醋发酵剩余残渣制作成膳食纤维。结果不同品种甘薯果酒浓度平均可达11% (V/V)，醋酸浓度可达36 g/L以上，达到了GB/T 18187—2000《酿造食醋》对总酸度的要求。果酒、果醋及残渣具有较高的抗氧化活性，对DPPH·的清除率最高可达96.8%(结果见表1)。经过酒精和醋酸发酵后的残渣热量低，基本不含糖，膳食纤维含量达到67.3%，在干燥的过程中通过美拉德反应产生香气，气味芳香，可用于生产膳食纤维保健食品。

表1 果酒、果醋及残渣的抗氧化活性

注：抗氧化活性的大小用对DPPH·的清除率来表示。

4 甘薯淀粉加工废渣乳酸益生菌饲料发酵技术

目前，我国甘薯加工业主要集中于生产淀粉、粉丝、粉条等，生产过程中会产生大量废渣。年产3 000 t甘薯淀粉的企业，每年所产生的湿甘薯渣就高达 4 000 t以上。其含水量在75%以上，不易储存和运输，且带有多种微生物，腐败变质后易造成严重的环境污染。仅2005年我国就有4.66×107t 甘薯废渣被作为废物丢弃，如何开发利用这些甘薯废渣已经成为当前我国甘薯淀粉行业迫切需要解决的难题。

薯渣中残余淀粉含量最高可达60%左右[11]，若不能有效利用不仅会带来环境污染，还是一种资源浪费。元素分析结果显示甘薯淀粉加工废渣是一种高C、H含量的生物质，基于这一特点，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室建立了低成本、简工艺、高效率的甘薯废渣发酵同步生产益生菌和乳酸的工艺。发酵效率可达 96.55%，薯渣中活菌数达 3.04×108cfu/g。该工艺不仅适于工业化生产乳酸，同时可被广大甘薯淀粉加工农户就地作为家畜饲料利用[12]。

5 甘薯淀粉加工废渣蛋白饲料发酵技术

我国是一个饲料蛋白资源严重短缺的大国，每年需从国外进口大量豆粕、鱼粉等以填补国内市场的不足[13]，利用食品工业废料、农副产品下脚料、农作物秸秆等废弃物资源发酵生产单细胞蛋白是当前研究开发的热点[14-15]，既可变废为宝，解决日益严峻的环境污染问题，又为快速发展的养殖业提供短缺的高蛋白饲料。为此，国家甘薯产业技术体系产后加工研究室以甘薯淀粉加工废渣为原料，综合应用酶解与酵母菌固体发酵技术，通过正交试验，获得薯渣发酵蛋白的最佳工艺。解决了薯渣中N元素相对匮乏的问题，实现了外加廉价无机氮源向蛋白质的高效转化，发酵后薯渣中的蛋白含量达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

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-10-B19)，中国科学院环境与应用微生物重点实验室/环境微生物四川省重点实验室开放研究基金(Y1D5031101)

2017-07-25

靳艳玲，女，1981年出生，副研究员，甘薯产后加工

赵海，男，1966年出生，研究员，甘薯产后加工