甘薯發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展

吳冬梅,趙 海,靳艷玲

(1.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

甘薯,旋花科植物,別稱甜薯、地瓜、紅薯等,是生產(chǎn)價(jià)值第三重要的作物,對(duì)全球人類飲食的熱量貢獻(xiàn)排在第五位[1]。甘薯種植面積廣,分布在世界上的100多個(gè)國(guó)家,這些國(guó)家大部分處于熱帶或亞熱帶,特別是在亞洲、非洲和太平洋地區(qū),其中亞洲和非洲地區(qū)的甘薯產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的95%[2]。甘薯的產(chǎn)量很大,在世界上種植的塊莖類作物中,甘薯產(chǎn)量排名第二,年產(chǎn)量超過(guò)1億t[3]。此外,甘薯還具有耐貧瘠、抗旱性強(qiáng)、增殖率高、生長(zhǎng)周期短、病蟲(chóng)害發(fā)生率低等優(yōu)勢(shì)[4]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和食品產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和人民生活水平的不斷提高,甘薯發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,它既能豐富人和其他動(dòng)物的膳食結(jié)構(gòu),也能支持工農(nóng)業(yè)發(fā)展[5]。

甘薯含有豐富的淀粉和糖類物質(zhì),是用于微生物發(fā)酵的理想原料。因此,生物發(fā)酵已成為開(kāi)發(fā)甘薯功能性食品、食品添加劑和高蛋白質(zhì)飼料的新途徑,研究人員已利用甘薯和甘薯渣來(lái)生產(chǎn)生物能源、蛋白質(zhì)、酶、有機(jī)酸、殼聚糖等重要生物質(zhì)產(chǎn)品[6-7],甘薯發(fā)酵技術(shù)也迅速發(fā)展,愈漸成熟。

1 產(chǎn)乙醇

目前，全球環(huán)境壓力越來(lái)越大,能源短缺問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻,生物質(zhì)資源的來(lái)源豐富、可再生且對(duì)環(huán)境的污染小,之于傳統(tǒng)能源表現(xiàn)出強(qiáng)大的可行性和可塑性[8]。生物乙醇是應(yīng)用范圍最廣的生物能源,它通常是通過(guò)發(fā)酵碳水化合物和纖維素物質(zhì)得到[9]。在乙醇生產(chǎn)中,甘薯是一種廉價(jià)且廣泛使用的可替代谷物和其他糧食的生產(chǎn)原料[10-13]。世界上絕大多數(shù)的乙醇都是通過(guò)生物發(fā)酵產(chǎn)生的,發(fā)酵過(guò)程是某些種類的酵母菌(如釀酒酵母)或細(xì)菌(如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌)在低氧條件下代謝糖并產(chǎn)生乙醇和二氧化碳[14]。

1.1 同步糖化發(fā)酵(SSF)

以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇一般采用傳統(tǒng)蒸煮雙酶法工藝,即將原料蒸煮液化后添加糖化酶進(jìn)行糖化、接種菌種進(jìn)行發(fā)酵,此方法具有淀粉糊化徹底、利于糖化等優(yōu)點(diǎn)[15]。除了先糖化再發(fā)酵,同步糖化發(fā)酵法因其具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、發(fā)酵效率高、發(fā)酵終點(diǎn)的乙醇濃度高等眾多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用,使乙醇的生產(chǎn)成本降低了20%以上[16]。岳瑞雪等[17]以甘薯為原料，利用同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇,通過(guò)響應(yīng)面法分析料水比、(NH4)2SO4添加量、初始pH值及其相互作用對(duì)乙醇發(fā)酵的影響,確定最佳工藝為料水比1∶3.1,(NH4)2SO4添加量0.65%,pH值為4.2。在此最優(yōu)條件下乙醇發(fā)酵效率很高,達(dá)到了91.35%。

除了以上提到的單料發(fā)酵法,為了克服甘薯濃醪發(fā)酵存在固形物濃度增大、流動(dòng)性差的問(wèn)題,也有學(xué)者開(kāi)發(fā)了甘薯與其他原料混合發(fā)酵的技術(shù)。朱英波等[18]選用甜高粱汁為拌料液,利用甘薯淀粉和甜高粱汁1 g∶4.5 ml混料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,有效地避免了醪液黏度大帶來(lái)的系列工藝問(wèn)題,且因甜高粱汁內(nèi)含有氮源,也將(NH4)2SO4用量減少至0.3%,此混料發(fā)酵工藝比單料發(fā)酵的能耗更低,發(fā)酵時(shí)間可縮短至36 h,乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)14.8%,但乙醇發(fā)酵效率略遜一籌,只有89.5%,可能與高底物濃度產(chǎn)生的滲透壓有關(guān)。因此,要綜合考慮乙醇發(fā)酵效率和生產(chǎn)能耗之間的經(jīng)濟(jì)平衡關(guān)系。

1.2 擠壓膨化發(fā)酵

高溫條件下淀粉糊化導(dǎo)致的淀粉分子溶出,可促進(jìn)后續(xù)α-淀粉酶通過(guò)液化將淀粉分子分解為糊精和糖類供微生物生長(zhǎng)代謝。因此,以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇一般會(huì)將原料先進(jìn)行蒸煮液化,但蒸煮工序的耗能占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程耗能的25%～30%[19]。為減少能耗、降低成本,許多學(xué)者開(kāi)發(fā)了替代工藝以實(shí)現(xiàn)淀粉的糊化,如借助擠壓機(jī)螺桿的推動(dòng)力使物料膨化。陸家禛等[15]利用擠壓膨化工藝來(lái)代替高溫蒸煮液化工藝,直接將甘薯干膨化、粉碎后進(jìn)行糖化和發(fā)酵,得到的最終乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了14.92%,較傳統(tǒng)發(fā)酵模式中的乙醇體積分?jǐn)?shù)提高了3.07個(gè)百分點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了降低能耗、節(jié)約冷卻用水。擠壓膨化工藝在玉米、木薯等乙醇發(fā)酵研究中已經(jīng)取得了良好效果,但在甘薯中的應(yīng)用僅限于甘薯干,因?yàn)轷r甘薯含水量高、黏度大,所以擠壓膨化工藝在鮮甘薯乙醇發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用前景有待進(jìn)一步研究。

1.3 濃醪發(fā)酵

乙醇發(fā)酵的潛力取決于發(fā)酵醪中甘薯的淀粉濃度,因此濃醪發(fā)酵表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。以甘薯為原料進(jìn)行濃醪發(fā)酵具有污水排放量減小、耗電量降低、需要的容器更小、生產(chǎn)成本降低和生產(chǎn)力提高等優(yōu)點(diǎn)。此外,在甘薯濃醪發(fā)酵中采用同步糖化發(fā)酵能夠緩解由于高濃度溶解糖釋放導(dǎo)致的高滲透壓,使溶解糖含量始終保持在適宜水平,保證了菌體的高生長(zhǎng)速度,縮短了發(fā)酵時(shí)間,提高了甘薯發(fā)酵效率。所以在同步糖化發(fā)酵模式下,糖化速率由初始醪液中添加糖化酶的量來(lái)調(diào)節(jié),通過(guò)影響發(fā)酵早期的菌體生長(zhǎng)速率來(lái)決定發(fā)酵后期的菌體濃度,這也決定了甘薯發(fā)酵后期的剩余糖化速率。Shen等[20]采用含有260 g/kg葡萄糖(完全糖化后)的甘薯醪進(jìn)行燃料乙醇發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)在同步糖化發(fā)酵過(guò)程中添加0.8 g/kg(干物質(zhì)重)的糖化酶時(shí),酵母的生長(zhǎng)速度和乙醇產(chǎn)率最高。最終結(jié)果是在64 h內(nèi)可獲得119.78 g/kg(體積分?jǐn)?shù)15.07%)乙醇,相當(dāng)于理論產(chǎn)量的90.16%,按乙醇最終濃度計(jì)算的平均產(chǎn)率為1.48 g/(kg·h)。但濃醪發(fā)酵除了會(huì)對(duì)發(fā)酵菌體有抑制作用,還存在副產(chǎn)物生成量大從而影響乙醇生產(chǎn)、對(duì)生物反應(yīng)器和傳輸器的要求高等問(wèn)題,尤其在夏天溫度高時(shí)進(jìn)行發(fā)酵,還得重點(diǎn)考慮傳熱問(wèn)題,所以在實(shí)際生產(chǎn)中要結(jié)合考慮乙醇產(chǎn)率以及設(shè)備要求等各方面以確定是否采用濃醪發(fā)酵以及采用濃醪發(fā)酵時(shí)的淀粉最佳濃度。

1.4 降黏發(fā)酵

甘薯醪是完全沒(méi)有流動(dòng)性的半固體狀物質(zhì),黏度超過(guò)了4×104mPa·s,而一般可進(jìn)行管道傳輸?shù)囊后w原料的黏度小于100 mPa·s。甘薯醪黏度高是因?yàn)槠浼?xì)胞壁中富含纖維素、半纖維素和果膠物質(zhì)等具有高保水能力的多糖。在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中,原料的黏度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其傳輸、傳熱、傳質(zhì)速度減慢,淀粉水解不完全,影響發(fā)酵效率,發(fā)酵后的固液分離困難等問(wèn)題[4]。另外,利用微生物進(jìn)行甘薯發(fā)酵時(shí),高黏度會(huì)造成局部溫度過(guò)高,導(dǎo)致微生物的代謝活力變差,降低發(fā)酵效率[21]。高黏度對(duì)發(fā)酵的影響在濃醪發(fā)酵過(guò)程中尤為突出。

那么,在甘薯發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時(shí),如何降低料液黏度是關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在已經(jīng)投入應(yīng)用的降黏方法有加水稀釋法、物理化學(xué)預(yù)處理以及直接在發(fā)酵過(guò)程中加降黏酶這三種方法。加水稀釋法是通過(guò)向發(fā)酵料液中多加水增加其流動(dòng)性,雖然顯著降低了料液黏度,但底物濃度變低會(huì)使最終乙醇濃度降低,導(dǎo)致在最終蒸餾乙醇時(shí)能耗升高,增加生產(chǎn)成本,所以加水稀釋法只能作為一種降黏的輔助手段。物理化學(xué)預(yù)處理法一般也是與降黏酶聯(lián)合使用。物理化學(xué)預(yù)處理的影響因素主要包括pH值、溫度、時(shí)間和甘薯品種,物理化學(xué)預(yù)處理包括高溫預(yù)處理、酸熱預(yù)處理等[22]。降黏酶是植物細(xì)胞壁降解酶,包括木聚糖酶、纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶等,加入降黏酶后,甘薯細(xì)胞的細(xì)胞壁會(huì)被部分酶解,從而改變細(xì)胞的形態(tài),減弱細(xì)胞保水性,降低醪液黏度,有利于后續(xù)的發(fā)酵[23]。降黏酶一般是在液化完成后加入,因?yàn)樵谶M(jìn)行糊化和液化后,有利于降黏酶與其靶位點(diǎn)的充分接觸[24]。添加降黏酶是甘薯降黏處理的最佳選擇,但目前酶成本過(guò)高限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用,開(kāi)發(fā)更廉價(jià)的降黏酶以及不同降黏酶的復(fù)合應(yīng)用是今后研究的主要方向。

1.5 預(yù)熱后同時(shí)進(jìn)行降黏、水解和發(fā)酵(P-SVHF)

P-SVHF發(fā)酵甘薯是指將甘薯先預(yù)熱后研磨,然后同時(shí)降低黏度、水解和發(fā)酵,簡(jiǎn)化了甘薯生產(chǎn)乙醇的過(guò)程,更加節(jié)能。預(yù)熱(糊化)時(shí)的溫度通常是低于液化溫度(≥85°C),整個(gè)發(fā)酵過(guò)程只有一次加熱過(guò)程,與傳統(tǒng)方法相比節(jié)能48%左右,且優(yōu)化了發(fā)酵條件以后縮短了整個(gè)過(guò)程的時(shí)間。通過(guò)中心組合設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn),發(fā)酵時(shí)間從24 h縮短到18～19 h,乙醇轉(zhuǎn)化率提高到93%左右。此時(shí)的水解過(guò)程是冷水解,溫度低于起始糊化溫度。然而,水解比較困難,因?yàn)槊该鎸?duì)的是一個(gè)更緊湊的淀粉。因此,Cristiane等[25]采用專為降解顆粒狀淀粉而研制的商品化酶制劑對(duì)甘薯淀粉進(jìn)行水解,在低于糊化溫度的條件下,促進(jìn)了一定的顆粒膨脹,提高了水解效率。然后,液化、糖化和發(fā)酵階段同時(shí)進(jìn)行。Cristiane等也將生甘薯與預(yù)熱甘薯發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)熱甘薯發(fā)酵的乙醇產(chǎn)率較高,發(fā)酵時(shí)間較短,且預(yù)熱后的甘薯有助于后續(xù)的研磨過(guò)程,生甘薯因其質(zhì)地較硬是不容易被研磨的。

2 產(chǎn)氫氣

以甘薯為原料還可以產(chǎn)氫氣(H2),H2也是一種理想的清潔能源。氫氣的高熱值約為120 MJ/kg,是汽油(47.4 kJ/g)和生物柴油(37.0 kJ/g)的3倍和4倍,它與氧氣燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水,不會(huì)造成環(huán)境污染[26]。

由于甘薯具有約50%～80%高淀粉含量(以干重計(jì)),以及含有產(chǎn)H2途徑相關(guān)的重要微量元素,所以采用甘薯制氫表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。Lu等[27]采用Box-Behnken設(shè)計(jì),響應(yīng)面法對(duì)影響甘薯淀粉生物制氫的關(guān)鍵因素進(jìn)行了優(yōu)化。最終確定甘薯濃度、FeSO4濃度和初始pH值為顯著影響因子。初始pH值6.05、甘薯淀粉質(zhì)量濃度27.63 g/L、FeSO4質(zhì)量濃度63.17 mg/L為產(chǎn)氫的最佳條件,產(chǎn)氫量高達(dá)3 501 ml/L,比其他原料發(fā)酵產(chǎn)氫量高出很多。

3 產(chǎn)乳酸

乳酸是一種有機(jī)酸,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域、化妝品行業(yè)以及食品行業(yè)。同時(shí),乳酸被認(rèn)為是最有價(jià)值的生物基構(gòu)建化合物之一,可以被轉(zhuǎn)化為丙酮酸、1,2-丙二醇、乙醛、丙烯酸、2,3-戊二酮[28]。由于廣泛的用途,乳酸的需求量在逐年增加,但是現(xiàn)在大多數(shù)關(guān)于乳酸生產(chǎn)的研究集中在使用純的或容易發(fā)酵的底物,如葡萄糖、蔗糖、麥芽糖或木糖,但利用這些純材料的成本過(guò)高。甘薯作為一種廉價(jià)、可持續(xù)再生的原料,加上淀粉含量豐富,使其在乳酸發(fā)酵中得到廣泛應(yīng)用。

乳酸可以通過(guò)化學(xué)合成或微生物發(fā)酵產(chǎn)生,其中微生物發(fā)酵產(chǎn)乳酸得到了更廣泛的應(yīng)用,因?yàn)樗梢陨a(chǎn)純?nèi)樗?而化學(xué)合成則會(huì)產(chǎn)生其他物質(zhì),導(dǎo)致乳酸純度不夠高。目前,微生物發(fā)酵生產(chǎn)的乳酸約占世界乳酸總產(chǎn)量的90%[29]。

Winifred等[30]利用嗜淀粉乳桿菌以甘薯淀粉為唯一碳源發(fā)酵產(chǎn)乳酸,選擇適應(yīng)性和非適應(yīng)性嗜淀粉乳桿菌來(lái)提高生產(chǎn)乳酸的效率。研究表明,乳酸菌的適應(yīng)過(guò)程和pH值都是影響乳酸產(chǎn)量的重要因素,而在兩種影響因素的比較研究中,發(fā)現(xiàn)乳酸菌的適應(yīng)過(guò)程對(duì)乳酸產(chǎn)量的影響更大。對(duì)于20 g/L的甘薯淀粉培養(yǎng)基,在不控制pH值的條件下,適應(yīng)菌的乳酸產(chǎn)量為11.20 g/L,而不適應(yīng)菌的乳酸產(chǎn)量為7.10 g/L；在控制pH值的情況下,適應(yīng)菌和非適應(yīng)菌分別產(chǎn)生14.80 g/L和4.20 g/L的乳酸。幾乎所有的甘薯淀粉都被適應(yīng)菌在48 h內(nèi)利用了,適應(yīng)菌表現(xiàn)出可以在較短發(fā)酵時(shí)間內(nèi)最大限度地利用淀粉生產(chǎn)乳酸。對(duì)于非適應(yīng)菌,延長(zhǎng)其發(fā)酵時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量的增加,但不利于潛在的工業(yè)應(yīng)用。

除了直接利用甘薯淀粉發(fā)酵產(chǎn)乳酸,還可以利用被提取淀粉后的甘薯渣來(lái)發(fā)酵產(chǎn)乳酸。可利用鼠李糖乳桿菌直接進(jìn)行甘薯廢渣固體發(fā)酵產(chǎn)乳酸,能耗低,不僅降低了乳酸生產(chǎn)成本,提高了乳酸產(chǎn)量,還為薯渣的治理和利用提供了新的技術(shù)思路,減少了甘薯渣污染環(huán)境的影響[31]。薯渣中C、N元素比約為126∶1,C元素含量豐富,能為微生物提供充足碳源維持生長(zhǎng),但N元素相對(duì)匱乏,需要外加氮源才可進(jìn)一步促進(jìn)其生長(zhǎng)代謝。鼠李糖乳桿菌發(fā)酵產(chǎn)乳酸過(guò)程中,由于乳酸不斷積累、pH值不斷降低,抑制了發(fā)酵過(guò)程,選用便宜且有效的中和劑CaCO3可以明顯緩解產(chǎn)物抑制、促進(jìn)乳酸發(fā)酵的進(jìn)行。劉玉婷等[32]通過(guò)正交試驗(yàn),綜合考慮發(fā)酵效率、活菌數(shù)及成本等因素,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,最終確立了最適薯渣發(fā)酵條件為：鼠李糖乳桿菌接種量10%、尿素添加量0.8%、纖維素酶添加量0.4%、發(fā)酵溫度35℃、碳酸鈣添加量 5%,在該條件下發(fā)酵效率可達(dá)(96.55±0.866)%,發(fā)酵醪中的活菌數(shù)達(dá)到了3.04×108CFU/g。該工藝不僅適于工業(yè)化生產(chǎn)乳酸,且操作簡(jiǎn)單利于推廣,易于被廣大甘薯淀粉加工農(nóng)戶利用。發(fā)酵薯渣產(chǎn)乳酸的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就在于外加氮源維持微生物正常生長(zhǎng),加入碳酸鈣以維持pH值在一個(gè)穩(wěn)定的范圍,從而促進(jìn)乳酸發(fā)酵。

4 產(chǎn)檸檬酸

檸檬酸是最重要的有機(jī)酸之一,廣泛應(yīng)用于食品、制藥和其他化工行業(yè)。由于檸檬酸在多種生物技術(shù)領(lǐng)域的多功能性,目前對(duì)檸檬酸的需求量超過(guò)了其生產(chǎn)量。甘薯廢料是潛在的大規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸的可行原料,Aboyeji等[33]以廉價(jià)易得的甘薯皮淀粉水解物為原料,利用黑曲霉來(lái)進(jìn)行深層發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出,碳源(CS)、氮源(NC)、發(fā)酵時(shí)間(FT)和pH值這4個(gè)參數(shù)是影響檸檬酸產(chǎn)量最重要的參數(shù),而七水硫酸鎂(MS)和甲醇濃度(MC)對(duì)檸檬酸產(chǎn)量有抑制作用。在最優(yōu)條件下CS(97.25%)、NC(1.25%,以硝酸銨為氮源)、FT(7 d)、pH值(6.5),經(jīng)混合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面優(yōu)化,得出每毫升水解液可產(chǎn)生約(4.36±0.06)mg的檸檬酸,比其預(yù)測(cè)的產(chǎn)量提高了135%。甘薯皮淀粉濃度是影響檸檬酸生產(chǎn)的最重要的積極因素,所以提高甘薯皮淀粉濃度是促進(jìn)黑曲霉發(fā)酵產(chǎn)檸檬酸的關(guān)鍵。

5 產(chǎn)蛋白質(zhì)

Zuo等[34]為了減少甘薯飲料工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境的污染,將甘薯飲料生產(chǎn)后產(chǎn)生的大量富含水、淀粉、纖維素和少量蛋白質(zhì)的殘留物與花生殼工業(yè)廢渣進(jìn)行混合發(fā)酵,生產(chǎn)可作為動(dòng)物飼料的蛋白質(zhì)。他們采用混合底物作為自然培養(yǎng)基,在固態(tài)發(fā)酵條件下,對(duì)6株不同微生物的產(chǎn)蛋白質(zhì)能力進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果以米曲霉和枯草芽孢桿菌組合發(fā)酵的底物蛋白質(zhì)含量最高。通過(guò)中心成分設(shè)計(jì)優(yōu)化了米曲霉和枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵富集蛋白質(zhì)的工藝參數(shù):米曲霉和枯草芽孢桿菌接種比例為1∶1,初始含水率63.7%,培養(yǎng)溫度26.9℃,發(fā)酵時(shí)間67.5 h,最終發(fā)現(xiàn)了5條蛋白條帶,增加了高分子量蛋白質(zhì)的豐度,且發(fā)酵底物的真蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(15.58±0.99)%,比未發(fā)酵底物的真蛋白質(zhì)含量提高2～3倍。粉碎后的花生殼可以調(diào)節(jié)甘薯飲料殘留物的含水率,使基材疏松,以便更好地用于固態(tài)發(fā)酵。許多亞洲國(guó)家也已將甘薯廢棄物發(fā)酵成家禽和反芻動(dòng)物飼料,因此甘薯飲料殘留物和花生殼的混合物作為動(dòng)物飼料具有一定的可行性。該方法利用甘薯和花生工業(yè)廢棄物來(lái)進(jìn)行混合固態(tài)發(fā)酵,在節(jié)約資源降低成本的同時(shí)能生產(chǎn)大量的蛋白質(zhì),同時(shí)提高蛋白質(zhì)豐度。

安文亭等[35]將乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌和霉菌4類10株菌的二級(jí)種子培養(yǎng)基按10%接種量接入已滅菌的甘薯渣固體培養(yǎng)基中,于30℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱培養(yǎng)72 h,發(fā)酵結(jié)束后65℃烘干,測(cè)定發(fā)酵產(chǎn)物中干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、真蛋白質(zhì)、粗纖維和氨基酸含量變化。發(fā)酵完成后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)朊假絲酵母能明顯改善甘薯渣營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,提高真蛋白質(zhì)和降解粗纖維的能力,必需氨基酸總量和氨基酸總量分別提高了211.32%和154.78%。

單細(xì)胞蛋白是一些單細(xì)胞或具有簡(jiǎn)單構(gòu)造的多細(xì)胞生物的菌體蛋白的統(tǒng)稱,其生產(chǎn)原理是菌體在滿足自身生長(zhǎng)需要后,將外源氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白。甘薯價(jià)格低廉,生產(chǎn)飼料蛋白質(zhì)成本較低。利用微生物液態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白,更便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)品純化及產(chǎn)品品質(zhì)的提高。明紅梅等[36]以甘薯淀粉為原料,利用熱帶假絲酵母生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的培養(yǎng)條件下收獲的酵母細(xì)胞干重為10.35 g/L,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.36%,總蛋白得率為 5.32 g/L。這種生產(chǎn)模式,既能為甘薯的高值化利用提供一條新的途徑,又能優(yōu)化飼料中的蛋白質(zhì)成分,緩解我國(guó)飼料中蛋白質(zhì)含量較低的問(wèn)題[36],但還應(yīng)該繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,以達(dá)到更高的蛋白質(zhì)得率。

6 產(chǎn)甘薯汁飲料、甘薯酒和甘薯醋

甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分與谷類和馬鈴薯相近,不僅含有豐富的淀粉和糖類,而且還是抗氧化化合物的天然良好來(lái)源,如維生素、多酚、花青素和類胡蘿卜素等[37],它具有低脂肪、低熱量、高膳食纖維含量的特點(diǎn)。此外甘薯也是一種藥用植物,具有抗腫瘤、抗菌和抗氧化等藥用價(jià)值[38]。因此,以甘薯為原料開(kāi)發(fā)功能保健食品日益增多。

復(fù)合飲料是指利用某些酵母菌、乳酸菌或其他國(guó)家許可的菌種發(fā)酵得來(lái)的飲品,因其獨(dú)有的營(yíng)養(yǎng)成分、獨(dú)特口感以及保健功能,越來(lái)越受到人們的青睞和推崇。紫甘薯含有豐富的色素、硒、多糖、植物蛋白、維生素和礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)成分,特別是在紫甘薯中發(fā)現(xiàn)了高水平的花青素和酚類化合物,具有很強(qiáng)的抗氧化活性[39]。馮金曉等[40]利用紫甘薯為原料,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以感官評(píng)價(jià)為指標(biāo),通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了乳酸菌及酵母菌復(fù)合發(fā)酵紫甘薯汁的工藝,確定其最佳工藝條件為：紫甘薯汁添加量50%,白砂糖添加量8%,發(fā)酵劑添加量6%,酵母菌∶乳酸菌配比為1∶7。在此最佳工藝條件下,所得紫甘薯汁復(fù)合發(fā)酵飲料口感純正,甜度適宜,風(fēng)味良好。

紫甘薯酒中富含花色苷,花色苷具有較好的耐熱性和耐光性,能夠提高視覺(jué)靈敏性,抑制脂質(zhì)過(guò)氧化,防止血小板聚集,維持血管正常的通透性,預(yù)防糖尿病以及抗腫瘤、抗氧化、抗突變、抗輻射和抗癌等多種生理功能。楊雅利等[41]利用紫甘薯經(jīng)蒸煮糊化、液化、糖化處理后,添加釀酒酵母進(jìn)行帶渣發(fā)酵,發(fā)酵后過(guò)濾得到紫甘薯酒。利用單因素和Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得出釀酒酵母添加量為0.084 5%時(shí)發(fā)酵得到的紫甘薯酒風(fēng)味品質(zhì)最佳,酸澀味和諧,酒度為11.2°。而楚文靖等[42]認(rèn)為帶渣發(fā)酵使酒體香氣不協(xié)調(diào),帶有較重的苦澀味,因此選用了清汁發(fā)酵,在甘薯液化、糖化、添加果膠酶酶解后固液分離獲得清汁,再接入釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵,產(chǎn)酒率達(dá)9.5 %,得到的酒體抗氧化性強(qiáng),風(fēng)味口感最佳。

甘薯醋是在甘薯結(jié)束酒精發(fā)酵后接種醋酸菌進(jìn)行醋酸發(fā)酵得到的,可以有效地避免糖和脂肪等能量物質(zhì)在體內(nèi)的過(guò)度積累,促進(jìn)血管軟化,控制血液膽固醇水平,維持體內(nèi)pH值平衡和正常代謝以及生理功能的穩(wěn)定[43]。史經(jīng)略[44]以紫甘薯為原料,液態(tài)發(fā)酵釀造具有保健功能的紫甘薯醋,為給醋酸菌提供底物(酒精),首先進(jìn)行了酒精發(fā)酵,但酒精產(chǎn)量并不是越高越好,初始酒精含量過(guò)高時(shí)會(huì)抑制醋酸菌的生長(zhǎng),當(dāng)酒精體積分?jǐn)?shù)為7.25%、醋酸菌接種量為9.79%時(shí)，得到的紫甘薯醋酸度值最高,為6.73%。

7 展望

由于甘薯具有種植面積廣、產(chǎn)量大、價(jià)格低廉、淀粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量豐富等優(yōu)勢(shì)條件,關(guān)于甘薯發(fā)酵的研究也就越來(lái)越多。認(rèn)識(shí)到甘薯發(fā)酵技術(shù)瓶頸及進(jìn)展情況,也有了繼續(xù)改進(jìn)改善的方向：繼續(xù)選育高淀粉低黏度優(yōu)良品種,提高甘薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)；尋找更優(yōu)的降黏酶復(fù)合酶,以提升降黏效果、降低降黏成本；選育可以同步水解甘薯淀粉和發(fā)酵的菌種,從而簡(jiǎn)化發(fā)酵工序，降低水解酶成本；除了甘薯富含的淀粉,還可以挖掘纖維素等成分的高效利用。這些問(wèn)題需要我們進(jìn)一步去探討研究,以促進(jìn)甘薯的高效高值化利用。