近年国内外甜菜粕的开发研究进展

朱丰梅，张伟成

（1．甘肃省武威市凉州区洪祥镇人民政府农业技术推广站，甘肃武威733000；2．甘肃省武威市凉州区中坝镇农技站，甘肃武威733000）

甜菜粕（SBP）又名甜菜渣、甜菜浆，是甜菜在制糖后所产生的副产品[1]。世界糖产量的三分之一来自甜菜，甜菜粕具有资源丰富、成本低廉、可再利用等特点；甜菜粕再利用范围较广，在畜牧养殖、食品加工、医药加工领域具有广泛的应用前景，是良好的食用、药用植物活性多糖来源[2]。经检验甜菜粕薄壁细胞壁结构中含有果胶质、纤维素、半纤维素等成分，其含有20%～25%的纤维素，25%～36%的半纤维素，20%～25%的果胶，10%～15%的蛋白质和1%～2%的木质素（含量以干重计）。其所含营养成分的特殊性和隐性再利用价值，被广泛应用到生产沼气、提取果胶、生产纳米纤维素纤维、制备复合包装膜、做吸附剂、畜禽养殖等领域。甜菜粕由于纤维素酶含量高，还可用于纤维素酶生产、酶糖化和乙醇生产[3-4]。我国甜菜资源丰富，但由于对甜菜营养成份的研究不深不细等原因，在深加工生产中甜菜粕的其它作用未能科学合理利用而浪费。本文通过参阅国内外学者对甜菜粕的营养特性、深加工开发利用途径的应用研究进行了综述，为更好地开发利用甜菜粕提供理论依据。

1 甜菜粕开发研究

1.1 甜菜粕厌氧消化制取沼气的研究

甜菜粕经厌氧发酵可生产沼气。在120～200℃的温度范围内液体热水（LHW）处理条件研究温度对甜菜粕降解程度及其甲烷发酵效率的影响。LHW处理决定沼气发酵的效率，当水解温度为160℃时，获得最高的累积甲烷产量为502．50L CH4/kg VS，同时游离葡萄糖、总酸和醛浓度达最高[5]。对污泥（SS）和甜菜粕浸滤（SBPL）5种不同SS/SBPL比率厌氧共消化的可行性进行评价，测定其中温和高温对甲烷产率和总挥发成分减少的影响，分析了真菌与古生菌的关系。同等质量的有机物，净生化甲烷势（BMP）测定表明，中温范围内净甲烷产量较高。沼气产量、总挥发性固体（TVS）去除数据和高含量的挥发性脂肪酸说明中温范围效果最佳。在测试结束时，反应器的微生物群由真菌和古细菌组成，所有情况下均以真菌为主[6]。将水解和脱水后的甜菜粕残渣（SBPR）与城市污泥（MSS）共消化，SBPR单独或与MSS混合（按重量计为1∶1）进行处理，获得最高沼气产量为近512 dm3/kg挥发性固体（VS）；当MSS与35%SBPR共消化时测得348 dm3CH4/kg VS的最高甲烷产量。消化分析表明，氨和挥发性脂肪酸均为不稳定沼气生产[7]。K Zieminski等使用Gompertz方程模拟甜菜粕青贮（SBPS）和酒精废液（Vin）（重量比分别为 3∶1、1∶1 和 1∶3）共发酵，结果表明，加入过量的 Vin 会降低SBPS的沼气产量；以3∶1（w/w）的SBPS-Vin比例能实现最高的沼气生产率，从SBPS-Vin（3∶1）混合物的酶消化得到最高的沼气产量 （765．5mL/g VS）（比未用酶处理的对应混合物的发酵高27．9%）[8]。S Borowski等在35℃中温温度的间歇和半连续条件下探讨了畜禽粪便（PM）与糖化和脱水甜菜粕残渣（SBPR）厌氧共消化。结果，SBPR做原料批量试验的特定沼气和甲烷产率分别为590 dm3/kg VS和423 dm3CH4/kg VS；而PM的相应值分别为434dm3/kg VS和300dm3CH4/kg VS。PM与SBPR共消化与二者单独比，均增加了沼气和甲烷产量。在半连续反应器实验中，添加50%SBPR的PM混合物，甲烷产率最高（346 dm3CH4/kg VS），固体滞留时间（SRT）为20d。然而，当PM作为唯一原料被消化时，沼气生产受到氨的抑制；而PM与25%SBPR的共消化则受挥发性脂肪酸的影响较小，沼气浓度超过4000 g/m3[9]。

1.2 甜菜粕提取果胶的研究

甜菜制糖后的甜菜粕副产物中富含果胶多糖，是一种提取果胶的新原料。甜菜果胶具有较强的乳化性，是一种良好的食品添加剂，从甜菜粕中提取的果胶可以制备稳定的水包油乳化剂。张海燕等用钙离子螯合剂六偏磷酸钠（SHMP）溶液也可从甜菜粕中提取果胶，在单因素试验的基础上，对影响果胶获得率的主要因素建立SHMP提取甜菜果胶的二次回归模型，进行Box-Benhnken中心组合实验。结果表明，甜菜果胶提取工艺最佳提取时间为2．4h，螯合剂SHMP质量分数为1．25%，提取温度达到88℃时，果胶产出率为14．32%，与模型预测值接近。同时，采用间羟联苯法测定出果胶样品的半乳糖醛酸含量为73．12%。红外光谱的数据表明，果胶样品具有果胶分子的结构特征，并初步判断为低酯果胶[10]。螯合剂法提取的果胶样品具有果胶分子的结构特征[11]。果胶低聚糖（POS）比果胶具有更好的益生元特性，类似或优于低聚果糖（FOS）[12]。以甜菜粕为原料，采用酸提醇析法提取甜菜果胶，在pH值1，料液比1∶30，90℃水浴4 h，离心后上清液调pH值至3．5，加入95%乙醇至体积分数为60%，冷冻干燥条件下果胶提取率约为22%。其中阿魏酸、半乳糖醛酸、总糖、蛋白质含量分别为 2．7%、71．6%、21．6%、3．7%，酯化度为 77．6%。 与乳清分离蛋白相比，甜菜果胶乳液对高温、低 pH 值、相对低Ca2+浓度、较长贮藏时间均具有良好稳定性[13]。在pH值、温度、时间、液-固比4个变量配比下，甜菜粕中果胶产量为6．3%～23．0%，所有自变量对果胶产量都有显著影响，随着提取液pH值的降低、提取时间的延长和温度的升高，产率逐渐提高[14]。陈学红等采用微波辅助法探讨了提取甜菜粕中的果胶时料液比、pH值、微波功率和处理时间对果胶提取率的影响。通过运用正交试验经过优化微波辅助提取果胶的工艺条件，发现料液比为1∶25、pH1．5、微波功率600W、处理时间75s时果胶最适提取，果胶提取率可达19．76%，提取的果胶酯化度高，可达68．2%，果胶溶解性随着pH值和温度的上升而增大，粘度随质量分数的增加而增大，随着温度升高而减小；果胶乳化活性和乳化稳定性随着果胶质量浓度增大而显著增强，呈现出良好的乳化性质[15]。周玉娇在采用蒸汽爆破技术对甜菜粕进行预处理时发现，蒸煮过程和泄压过程对甜菜粕化学组分和结构均有影响，高温高压水蒸气可将甜菜粕细胞壁内的原果胶转化为水溶性果胶质。在爆破瞬间释放压力时，果胶质会从细胞壁内部向外迁移，再用乙醇可从爆破液中提取回收果胶质[16]。

1.3 甜菜粕纳米纤维素纤维的制备研究

纳米纤维素纤维是一种从纤维素提取出的生物质基高分子材料，因具有价格低廉、生物相容性好、无毒、拉伸强度高、结晶度高和可降解等优点，被广泛应用到各个领域。李萌[17]、周玉娇[16]研究表明，运用化学处理、纯物理机械法、双氧水漂白法、高压均质技术可从甜菜粕中制备纳米纤维素纤维。化学处理能有效地去除甜菜糖粕中的果胶、木质素、半纤维素等物质，可使半纤维素含量从25．40%降低到7．01%，使纤维素含量从44．96%增加到82．83%，直接消除甜菜粕中的木质素。高压均质处理会破坏甜菜粕中的细胞结构，让纳米纤维素纤维从甜菜粕细胞壁结构中释放出来，所得纳米纤维素纤维的直径在70nm以下。可提高纳米纤维素纤维的结晶度，将从35．10%提高至77．89%，热降解温度从224．4℃将升高到272．7℃。经高剪切分散和高强度超声破碎的纯物理机械法制得的纤维素纳米纤呈网状缠结构，直径40～50nm，悬浮液呈棕黄色，含有较多的纤维碎片和未打散的纤维束，结晶度为57．43%，最大失重峰温度为353．1℃。双氧水漂白法主要是为了去除细胞壁中的木质素，减小其对纳米纤的束缚作用，随后进行高速搅拌和高强度超声破碎，进一步拆离纤维素纳米纤，提高纳米纤溶胶的分散性。双氧水漂白法属于无氯漂白，生成产物是水，制备方法仍然是绿色环保的。该方法制备的纳米纤维素纤维尺寸分布均一，直径分布多集中在10～20nm之间。结晶度为62．30%，最大失重峰温度为346．4℃。用化学处理（碱处理和漂白）和脱胶甜菜粕（DSBP）的高压匀浆制备纤维素纳米纤维（直径10～70nm）。研究表明，化学处理可去除DSBP的半纤维素和木质素，并显著增加了纤维素含量。碱处理和漂白后，纤维素纳米纤维的结晶度从35．67%提高到69．62%。DSBP纤维素纳米纤维的热降解温度为271．7℃，比未处理的DSBP高出47．3℃。DSBP纤维素纳米纤维可优选用作高温生物复合材料中的增强材料[18]。

1.4 甜菜纤维制备复合包装膜的研究

甜菜纤维改性后的羧甲基纤维素（CMC）与聚乙烯醇（PVA）以及淀粉以不同配比制备的复合包装膜，是一种天然性能优良、可生物降解的可再生资源。对充分利用甜菜制糖后的废粕资源，使甜菜废粕变废为宝，推动经济发展、解决“白色污染”问题和改善人民的健康状况等方面有一定的实际意义。杨海燕用NaOH（含有H2O2）/淀粉葡萄糖残基单元（AGU）摩尔比为2．5，氯乙酸/AGU摩尔比为1．5，乙醇浓度为75%，碱化醚化温度为35℃，醚化时间为3h，液料比为8∶1（mL/g），在该条件下得到的CMC取代度为0．86制备高粘度的羧甲基纤维素。采用自制的成膜基材进行复合膜的研制试验表明，CMC与小麦面筋蛋白（WG）的配比对膜性能影响最大，干燥温度次之，甘油用量和乙醇浓度影响较小，最佳成膜条件为：CMC/WG=7∶3、45%的乙醇溶液、2%的甘油、60℃的干燥温度。成膜工艺条件重现性很好，复合膜的各项指标均较高[19]。Z Shen等，在室温下浇铸不同比例的SBP与PVA（100/0、75/25、50/50和25/75）的成膜分散体条件下，研究了添加PVA对所得膜的物理、机械和阻隔性能以及热稳定性的影响。当PVA加入到复合膜中时，薄膜比纯SBP薄膜变得更柔软，更不刚硬，更具可拉伸。PVA的添加显著提高了断裂伸长率（12．45%）和较低的水蒸气透过率，但拉伸强度没有明显变化，保持在59．68 MPa左右。热重分析也表明SBP/PVA薄膜的热稳定性比SBP薄膜好，SBP 50/PVA 50的相容性优于其他复合膜，用50%PVA配制的复合膜最适合于各种包装应用[20]。

1.5 甜菜粕作为吸附剂的研究

甜菜粕含有纤维素，纤维素是由D-吡喃型葡萄糖基（失水葡萄糖）经过α-1，4苷键互相连接而成的直链型天然高分子化合物。纤维素自身具有一定的吸附性，可直接作为吸附剂使用，国内外许多学者已在这方面做了一些研究。甜菜粕可用作去除铬（VI）的吸附剂，试验表明，甜菜粕和盐酸改性后的甜菜粕对铬（VI）的吸附力分别为0．837和3．01 mg/g，改性后吸附力显著提高[21]。Zolgharnein J等人研究表明，经NaOH改性后的甜菜粕在溶液pH为5～9，固液比7 g/L时对Tl（I）的去除率最高，且经 Langmuir模型预测的最大吸附量约为185 mg/g，采用甜菜粕做吸附剂，不仅有效的利用了废物，而且吸附量较大[22］。丁晓丽等以低附加值甜菜粕为吸附剂，通过静态吸附实验探讨了处理温度和时间、pH、甜菜粕粒径和用量以及钙浓度等因素对甜菜粕吸附Ca2+的影响，并设计响应面试验研究了温度、pH和甜菜粕用量等因素的交互作用对其Ca2+吸附效果的影响。结果表明：甜菜粕粒径越小越有利于其对钙的吸附；温度、pH和甜菜粕用量中任意2个因素存在交互作用影响甜菜粕的钙吸附并存在收敛的最佳工艺点；当温度为22．0℃，甜菜粕用量为5．92和pH 8．0时，可使200mL水中Ca2+从1027mg/L降至373mg/L（以CaCO3计），低于国家生活用水GB 5749-2006的硬度要求（以CaCO3计总硬度≤450mg/L），反应2h即可达到平衡．研究可为甜菜粕的减少干燥耗能和资源利用提供思路和方法参考[23]。甜菜粕是重金属离子的螯合剂和吸附剂。陈博儒等人，研究了溶液pH值、温度、时间及初始质量浓度等条件对SBP吸附轻金属离子Ca2+和重金属离子Pb2+的性能，并体外模拟在人体肠道环境条件（pH7．0、37℃）下，研究SBP对钙和铅的吸附性能和机理。结果表明：SBP对铅的螯合大于对钙的吸附；溶液pH值为7．0时吸附效果最佳；Ca2+、Pb2+分别在30、60min内达吸附平衡。在pH7．0和37℃的生理条件下，两种离子的吸附动力学过程均符合Lagergre方程二级吸附模型，SBP对Ca2+的等温吸附平衡与Langmuir方程拟合度高，属单分子层吸附，而SBP对Pb2+的等温吸附平衡与Langmuir方程拟合度不如Ca2+高[24]。甜菜粕是一种富含膳食纤维的糖厂主要副产物，因其阳离子结合能力强常用于废水中重金属及色素的污染治理。赵毅等研究了甜菜粕粒径和用量、反应时间、溶液中Fe3+初始浓度等因素对甜菜粕静态吸附人体必需宏量元素铁的影响，以及吸附反应平衡和动力学。结果表明，甜菜粕对铁的吸附量随着甜菜粕粒径减小、铁初始浓度的增加而增加；吸附平衡时间是80～100 min；在铁初始浓度0．001 mol/L，反应时间100 min和温度25℃的条件下，含水分93%、粒径75～150μm的废粕5 g/L可吸附除去溶液中65%的铁；吸附过程可用准二级动力学模型描述（R2≥0．99）；吸附平衡数据与Freundlich型吸附等温线模型拟合性好，说明甜菜粕对Fe（Ⅲ）的吸附不是理想的单分子层吸附。甜菜粕因其廉价和高选择性，是制备高生物学效价有机铁剂的潜在底物[25]。

1.6 甜菜粕在食品领域的应用研究

2 结束语

近年来，随着科技的快速发展和人们需求的增高，对甜菜粕的再利用研究也越来越深入，应用范围也越来越广泛。目前国外对甜菜粕的研究较多，但国内对甜菜粕的研究较少，借鉴国外甜菜粕研究的最新成果，同时借鉴甘蔗作物残余物广泛用于高附加值产品的开发，如生物柴油、生物乙醇、生物丁醇、生物制氢、生物聚合物，酶类（α-淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、蛋白酶、蔗糖酶、脂肪酶和菊粉酶）、复合材料、有机酸（衣康酸、琥珀酸、柠檬酸、丁酸、丁二酸、乳酸、丙酸、葡萄糖酸）、木糖醇、螯合剂、类葫萝卜素、改性的催化剂、氨基酸、动物饲料、麦角生物碱、抗生素、赤霉素等[27]。甜菜粕乃至甜菜副产品等残余物也可开发相应的高附加值产品，这将是今后甜菜粕开发研究应用的主要方向和新途径。

参考文献：