甘薯渣的资源状况及其资源化利用技术研究进展

赵天奇， 钱世军， 吴非凡， 王嘉盛， 王梦芝*

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.江苏省惠隆资产管理有限公司，江苏南京 210003）

甘薯 （Dioscorea esculenta（Lour.） Burkill）是旋花科植物，又名番薯、甜薯、地瓜、白薯、红薯，普遍种植于北纬40°以南地区。我国甘薯种植区域分布广，种植集中，主要分为南方薯区、北方薯区和长江流域薯区三大薯区，种植面积及产量均居世界首位（齐萌萌等，2017）。据联合国粮食及农业组织 （FAO）统计，2016年我国甘薯总产量7079.3704万t，占世界甘薯总产量（10541.3261万t）的67%，是我国仅次于水稻、小麦、玉米的第四大重要粮食作物。近年来，我国甘薯用作淀粉加工的比例逐渐提高，现已达到其总量的45%～50%（马代夫等，2013），全国甘薯淀粉加工厂已累计达到800多家。其中，南方薯区、北方薯区和长江中下游薯区淀粉加工厂所占比例分别为31.3%、58.7%和 44.4%（马代夫等，2012）。 据统计，2015年我国年产甘薯淀粉150万t，产甘薯废渣约500万t（徐梦瑶，2017）。废渣除了少部分被加工利用外，大多都被随意废弃，产生资源浪费和环境污染等问题。因此，如何科学地资源化利用甘薯渣变得尤为重要。本文就甘薯渣资源状况及其利用技术研究进展进行综述，以期为甘薯渣资源化利用和缓解环境压力提供一些参考。

1 甘薯渣的资源现状

甘薯渣是甘薯淀粉提取加工过程中的主要副产物，质量占甘薯鲜重的45%～60%，有丰富的淀粉、蛋白质和膳食纤维等营养物质（邢文会等，2016）。甘薯渣水分含量可达80%以上，由于果胶类物质将其包裹，因此很难通过过滤等简单方法干燥水分（曾小峰等，2017），再加上长时间堆积极易发生腐败变质，很多企业往往将其随污水排放处理。但甘薯渣废水中富含大量H2S、NH3等气体和氮、磷等营养物质，总氮和总磷分别达到69.0、9.50 mg/L（Guo等，2015），化学需氧量高达 25.0 g/L（Mishra等，2004），造成极大的环境负荷。受现阶段加工工艺的限制，甘薯渣中还存在大量可利用的淀粉和膳食纤维。研究表明，甘薯渣中淀粉含量为43%～61%，膳食纤维含量为16%～27%，而膳食纤维中纤维素占26%～36%，果胶占9%～23%（Mei等，2010）。因此，如果对甘薯渣资源加以合理利用，可提高甘薯加工体系的整体利用率。

2 甘薯渣的资源化利用概况

目前，甘薯渣资源化利用方式主要集中在果胶和膳食纤维的提取，动物饲料化以及利用甘薯渣制备低聚糖、生物吸附剂等方面。

2.1 甘薯渣中果胶的利用 果胶是一种天然的植物胶体，具有良好的胶凝、稳定作用，既可以作为胶凝剂、稳定剂用于食品工业中；也可以作为药物制剂基质，用于防治腹泻、肠癌、肥胖等疾病；还可以作为吸附剂，用于吸附重金属。木泰华等（2007）比较了甘薯果胶、苹果果胶和柑橘果胶的物化特性，得出甘薯果胶葡萄糖及半乳糖醛酸的含量偏高，且稳定性、溶解度、黏度颇优的结论。田亚红等（2010）试验表明，甘薯渣中提取的果胶可以作为米酒的稳定剂，添加量为0.15%时，米酒产品质地均匀，口感良好；作为凝固型酸奶的稳定剂，添加量为0.2%时口感醇厚。

在从甘薯渣中提取果胶的技术方面，国内目前主要采取的方法有酸法、碱法、盐法、微波法、离子交换树脂法和微生物发酵法。田亚红和刘辉（2013）对甘薯果胶的提取进行研究，确定了酸法（温度 90 ℃、pH 2.0、时间 1.5 h）、微波法（料液比1：20、pH 2.0、微波功率 400 W、微波时间 3 min）和微生物发酵法（发酵温度35℃、pH 5.0、发酵时间48 h、接种量15%）提取果胶的最佳工艺条件。果胶提取率分别为微波法 （13.33%）＞酸法（10.19%）＞微生物发酵法 （6.55%）。梁新红等（2013）研究发现，使用草酸盐法提取工艺时，提取液pH 7、提取温度90℃、提取时间2.0 h、草酸铵质量浓度5.0 mg/mL时，甘薯果胶提取率可理论上最高达到11.36%，纯度可达79.68%。刘倩倩（2013）采用超声波辅助盐法，在提取液质量浓度3.95 mg/mL、液料比 20：1、提取温度 66℃、pH 2.0、提取时间1.7 h、超声波功率375 W的提取工艺条件下，果胶提取率可达15.48%。曲昊杨等（2014）以苹果渣为试验原料，发现碱法提取的果胶单一性差，且产生的废液易造成环境污染。张燕等（2003）以柑橘皮为原料发现，离子交换树脂法与酸提取法相比，提高了果胶的质量和提取率。

目前存在的提取方法各有优劣，酸法因成本低、见效快、提取率相对较高，是国内目前果胶提取中使用较为普遍的方法，但经酸法提取的产品品质低下，生产器材耗损严重且产生的废渣难以处理，极易造成环境污染。超声波法和微波法通过超声波的空化效应和微波的热效应，可使细胞壁破裂并加快分子活化，促进萃取物扩散，因此提取率高、质量好，而且环境污染小，但需要特殊设备，成本高，却难以推广。相对来说，微生物提取法污染低、质量高，但提取率偏低，适应绿色发展前景，有一定发展潜力。

2.2 甘薯渣中膳食纤维的利用 膳食纤维是七大营养素之一，在保持消化系统健康、延长寿命、预防心血管疾病和癌症等方面有重要作用。国内对甘薯渣膳食纤维的利用主要以加工低热代餐食品和保健类产品为主。梁新红等（2018）将甘薯渣粉以6%的质量分数添加到低筋面粉中制饼干，贾玉华（2018）通过在小麦粉中添加9%以下的甘薯渣粉，皆得到感官良好、高膳食纤维的面制食品。目前我国市面上的膳食纤维产品主要从玉米皮、小麦麸、大豆皮、苹果渣中提取，需求上仍有一定空缺。甘薯渣膳食纤维含量高，产量大，提取比例可达25%（徐梦瑶，2017），如果能合理提取利用，将为甘薯渣的价值再创造提供一定新方向。

目前甘薯渣中膳食纤维的提取方法主要有物理法（筛法、微波、超粉碎、挤压爆破）、化学法（强酸、强碱、酸碱结合）和生物法（酶法、发酵）。邬建国等（2005）研究药用真菌液态发酵甘薯渣制取膳食纤维的优化工艺，发现甘薯渣9%、麸皮0.8%的培养基在摇床水平发酵4 d后，发酵液中的膳食纤维含量可达29.63 g/L，产量较优化前有很大提高，且可溶性和不可溶性膳食纤维比值也有所提高。赵英虎等（2012）通过单因素试验和正交试验，研究酶解法提取甘薯渣膳食纤维的最优工艺条件，确定了糖化酶添加量是影响提取率的主要因素。当相关酶的添加量为糖化酶5.0 mL/g、胰蛋白酶0.5 mL/g、α-淀粉酶1.4 mL/g时，在提取温度60℃、提取时间40 min、初始pH为4.5的条件下，膳食纤维提取率高达81.6%，可溶性膳食纤维提取率也达到了25.7%。全桂静等（2012）研究酶法、筛法和酶碱法三种不同提取工艺对甘薯膳食纤维提取率的影响发现，提取率酶法>筛法>酶碱法，且通过酶法取得的薯渣膳食纤维的持水性、膨胀性及吸油性均较好。赵二劳等（2017）研究发现，提取玉米皮膳食纤维时，在生物处理法和化学处理法的基础上采取微波、超声波等物理手段，将有效提高膳食纤维的提取率，与孙健等（2014）利用超声波辅助酶法的研究结果一致。王田林（2017）研究蒸汽爆破技术对甘薯渣膳食纤维的影响发现，经爆破后提取的甘薯渣膳食纤维的持油持水力、葡萄糖吸收能力、阳离子交换能力、α-淀粉酶和脂肪酶的抑制能力都有提升。

2.3 甘薯渣饲料化 甘薯渣中主要成分是纤维和淀粉，木质化程度高，蛋白质含量仅有3.10%～5.26%，单独饲喂不能满足畜禽的营养均衡需要和适口性需求，需要配合其他饲料饲用。邹志恒等（2015）研究发现，将甘薯渣以2%～4%的比例替代玉米，猪的日采食量和日增重呈上升趋势，生长激素含量呈提高趋势，但如果猪的日粮中甘薯渣比例超过20%，则会因蛋白质过少引起仔猪生长发育慢，母猪产畸形儿比例上升等各种问题（刘惠知等，2013）。王苑等（2015）研究蛋鸡日粮时发现，甘薯渣等比例替代玉米添加量小于4%时，对鸡生产性能、蛋品质及血清激素含量无显著影响。Pandi等（2016）在研究肉鸡饲料的配料时发现，甘薯渣添加量可达30%。同时，在奶牛饲养中，甘薯渣适当代替高价的苜蓿干草，对奶牛产奶量和乳成分无显著影响 （陈宇光等，2009）；在养羊生产中，也可饲用经切碎加工处理后的甘薯渣 （包健等，2014）。可见，甘薯渣饲料化在实际的养殖中能够切实可行，在猪、禽、反刍动物等其他动物饲料中都可以添加利用。全价颗粒料的营养全面、平衡，而且养分分布均匀，可有效避免挑食带来的营养不均衡。但目前甘薯渣颗粒料在生产上的使用并不普遍。余望贻等（2007）曾研究用甘薯藤粉代替苜蓿草粉以解决南方兔生产饲料供应的问题发现，其可满足家兔配合饲料中的粗纤维需求，且对兔的生长发育和生理生化指标无显著影响。相信利用甘薯渣制作全价颗粒料将会提升甘薯渣的饲料化使用。

鲜甘薯渣含水量可达80%以上，不易储存且容易变质产生黄曲霉等有毒代谢产物。目前生产上将其进行烘干处理、发酵处理等，以便增加其贮存期和提高饲用价值。烘干后加工处理为紧实小巧的低水分薯渣颗粒，既方便了饲料的运输储藏，也减少了霉菌滋生，也方便后期配合饲料的加工，但其处理需要额外热源，成本较高，而且甘薯渣养分流失较多。微生物发酵处理是目前使用较多的生物加工处理并可长期贮存的技术。邢文会等（2016）对甘薯渣进行微生物菌剂发酵，在接种量1.64%、发酵温度29.79℃、初始pH 5.59的最佳工艺下使真蛋白含量提高近50%，达到22.95%，可以10%的最优比例添加到育肥猪饲料中。周晓容等（2016）结合猪的生产性能、经济效益和甘薯渣的废物利用、环境保护角度，认为猪日粮中可添加新鲜发酵甘薯渣33.8%及以上。夏军等（2017）以甘薯渣为底物与麸皮等比混菌发酵，得到粗蛋白质含量16.8%、赖氨酸含量1.32%的菌体蛋白饲料。赵华等（2015）混菌发酵甘薯渣，发现发酵后粗蛋白质、粗脂肪、还原糖和粗纤维含量都有提升。郑明利等（2015）添加乳酸菌接种处理甘薯饮料渣发现，甘薯饮料渣青贮品质随乳酸菌接种剂中乳酸菌种类多样性提升而提升，并延长了甘薯渣饲料的使用期限。此外，李剑楠等（2014）还发现，经青贮处理的甘薯渣在瘤胃中发酵72 h后，淀粉和干物质的有效降解率大大降低，影响牛奶品质的过瘤胃淀粉量也有所提高。可见通过微生物发酵等手段，可提高甘薯渣的饲料化利用程度和饲用价值。

2.4 其他利用方式 甘薯渣还可以用于制备低聚糖、乙醇、柠檬酸钙、固体燃料，生产环保吸附剂，栽培菌类作物，制酒等。李燕（2014）利用甘薯渣中的淀粉与膳食纤维制备低聚糖，确定X1菌株是发酵低聚糖最优菌株，并通过试验得到了当起始pH 5.20、发酵时间94.26 h、发酵温度29.44℃时，低聚糖可以达到最高含量61.173 μg/mL的试验结果。杜爱玲等（2003）通过甘薯渣栽培金针菇，认为甘薯渣栽培的金针菇，虽然产量偏低，但可以利用现蕾早、出菇快的特点用于低成本生产配方满足不同需要。岳昌海等（2011）曾研究甘薯渣发酵生产乙醇相关工艺，发现在自然pH条件下，以时间180 h、水料比2：4、温度 33℃、酒曲添加量0.9%的发酵工艺，酒精生产率可达到24%。Chen等（2018）通过水热碳化将甘薯废料转化为固体燃料，在反应温度180～300℃和反应时间0～120 min条件时，燃烧着火温度、燃尽温度和活化能均随反应温度和时间上升呈上升趋势，薯渣燃料表现出较好的燃烧特性。Yokoi等（2001）在甘薯渣中添加丁酸梭状芽孢杆菌并补充氮源来产氢。黄丽红（2010）提出可用甘薯渣制柠檬酸钙，每4.5 t原材料便可生产出1 t柠檬酸钙。此外，甘薯渣经化学处理表面疏松多孔，可以制成生物吸附剂，吸附印染废水中亚甲基蓝（陈莉等，2016）、碱基块绿（陈莉等，2019）等有害成分，缓解环境压力。

3 结语

甘薯渣对于甘薯制粉企业而言属于废弃物，废弃将加大环境生态保护的压力。但众所周知，甘薯渣中仍含有一定量的淀粉、纤维类物质等养分，弃之可惜但又用之无措。研发对甘薯渣科学利用技术，不仅可以解决企业薯渣处理难，废渣污染环境等问题，而且可以提高企业薯类加工的附加值。目前我国甘薯渣的利用以提取果胶、膳食纤维和用作饲料等利用方式为主，利用程度和利用面也在不断扩大，而且这几种利用方式的技术研发上也有长足的进展。但客观地看，目前还存在果胶提取率和提取纯度低，饲料颗粒化程度低，对动物生产转化效应和机制不明确等诸多技术上的问题，因此还需要对甘薯渣的贮存方法、饲料化配制技术和处理产品研发上进行研究，以提升甘薯渣资源化的利用技术水平，推进现代农业生态绿色发展的进程。