甘薯加工主要用于生產淀粉及其制品（粉絲、粉條等），在淀粉生產過程中，會產生大量甘薯渣。甘薯渣（干基）富含淀粉和膳食纖維，可應用于食品、能源和材料等領域，具有較高的開發利用價值。為有效利用甘薯渣，將甘薯渣脫水干燥以延長儲存期是關鍵。低場核磁共振（LF-NMR）是近年來新興的分析水分狀態的技術，已應用于肉類凍融、種子萌發和果蔬干燥過程中水分的分布與遷移規律研究。

重慶市農業科學院農產品加工研究所的張歡歡、高飛虎*、張玲等以10 個甘薯品種為原料，經刺輥破碎、漿渣分離后，得10 種不同品種鮮濕甘薯渣，采用LFNMR技術測定鮮濕甘薯渣中的水分相態分布情況，然后將各相態水分與薯渣中非水組分作相關性分析，再結合酶解前后鮮濕薯渣可排出水量的變化進行因果驗證，以揭示鮮濕甘薯渣的束水機理，以期為開發快速、有效的薯渣脫水方式提供理論依據。

1鮮濕甘薯渣基本化學成分分析

甘薯塊根經刺輥破碎前，貯藏細胞呈完整狀態，細胞中含有大量貯藏淀粉的造粉體。甘薯塊根經破碎后，約90%的貯藏細胞破裂，細胞中的淀粉顆粒、可溶性蛋白質和可溶性糖等營養組分隨水排出，而果膠、纖維素等破碎細胞壁組分、被截留的淀粉粒及未破碎的細胞則保留在薯渣中。實驗選取10 個甘薯品種，其中蘇薯8號、173306為紅心薯，萬薯9號為黃心薯，其余均為白心薯。

由表1可知，10 種鮮濕甘薯渣的水分質量分數在75.24%～86.87%之間，與曹健生等報道的從4 個甘薯淀粉加工廠取樣的甘薯渣水分質量分數一致，不同品種甘薯渣的水分含量差異較大，其中紅心薯水分含量＞黃心薯水分含量＞白心薯水分含量。甘薯渣干物質中淀粉含量最高（高達43.68%～66.14%），這與韓俊娟等研究測定的10 種甘薯渣中的淀粉含量區間一致。薯渣蛋白質量分數在3.27%～6.66%之間，灰分質量分數在2.24%～4.55%之間，而粗脂肪質量分數僅為0.28%～0.86%，其中紅心薯和黃心薯薯渣所測粗脂肪中，除油脂含量外還包括色素含量。

果膠是一種以半乳糖醛酸為主的酸性雜多糖，主要存在于植物細胞壁及胞間層中。文獻中果膠含量一般用果膠占總膳食纖維的比例表示，為探尋果膠含量與水分含量的關系，本實驗中果膠質量分數用果膠占薯渣干基比表示，10 種薯渣的果膠質量分數在4.40%～11.30%之間，且紅心薯薯渣中果膠含量顯著高于其他品種薯渣。總膳食纖維可分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，其中不溶性膳食纖維包括纖維素、木質素和部分半纖維素，薯渣干基中總膳食纖維質量分數為17.84%～33.26%，不溶性膳食纖維質量分數在9.63%～19.83%之間。

2鮮濕甘薯渣

T

2弛豫時間分析

水分極性多層結構的形成機理是LF-NMR研究水分相態的基礎依據，生物大分子（如蛋白質、淀粉、果膠、纖維素等）含有很多的親水基團，這些親水基團（—OH、—NH 2 ）與鄰近水形成氫鍵，由于氫鍵極化，水分子反過來傾向于與下一層水分子形成氫鍵，如此反復，最后形成極性的多層結構。

T

2 弛豫時間與氫質子的結合力和自由度有關，

T

2 越短，說明結合的氫質子越多或自由度越小，反之說明氫質子受束縛越小或自由度越大，從而根據

T

2 弛豫時間的大小區分水分相態。由于油脂也可被LF-NMR儀檢測到，因此有必要判斷薯渣中油脂對

T

2 弛豫時間測量的影響，而鮮濕甘薯渣中的脂肪含量極少，干基質量分數僅為0.28%～0.86%（換算成鮮濕甘薯渣，質量分數為0.07%～0.14%），所以這里認為薯渣中油脂對水分弛豫信號測量的影響可以忽略。由圖1可以看出，10 種鮮濕甘薯渣在0.1～10 000 ms弛豫時間范圍內出現3～4 個波峰，代表甘薯渣中存在3～4 種不同相態的水分。各峰結束時間

T

2i 表示鮮濕甘薯渣中第

i

種水分的橫向弛豫時間，從左至右依次命名為

T

21 、

T

22 、

T

23 、

T

24 ，其中萬薯9號、萬薯18號、萬1914-6品種薯渣有

T

21 、

T

22 、

T

23 3 個峰，彭蘇薯6號品種薯渣有

T

22 、

T

23 、

T

24 3 個峰，其余品種薯渣有

T

21 、

T

22 、

T

23 、

T

24 4 個峰。

由表2可知，4 個峰所對應的

T

2 弛豫時間（峰結束時間）分別為

T

21 （0.658～2.310 ms）、

T

22 （7.055～21.550 ms）、

T

2 3 （377.410～705.480 ms）、

T

24 （705.480～3 764.936 ms）。根據《食品化學》 中對食品中水分劃分的方法，將此4 個弛豫時間段對應的4 種水分狀態做以下定義：將

T

21 定義為“組成水”，表示與薯渣中非水組分結合的最牢固并構成非水組分整體的那部分水；

T

22 定義為“固定化水”，是指處在薯渣非水組分親水性最強的基團周圍的幾層水；

T

23 定義為“滯化水”，主要是指被果膠、纖維素和半纖維素等破碎細胞壁組分及膜所阻留住的水分；

T

24 定義為“自由流動水”，是指薯渣內極少部分可以自由流動的水分。其中

T

21 、

T

22 為結合水，

T

23 、

T

24 為體相水。Cheng Shasha 、李春 等根據橫向弛豫時間的差異將肉中水分分為結合水（

T

21 ）、不易流動水（

T

22 ）和自由水（

T

23 ），分別表示與蛋白質等大分子緊密結合的水分、肌肉纖維內部的水分和肌纖維間隙的水分；Shao Xiaolong 和陳毅 等利用LF-NMR技術研究甜玉米、藍莓等植物果蔬組織的水分相態分布，根據橫向弛豫時間的長短將果蔬組織的水分劃分為3 種，其中

T

21 表示細胞壁中的結合水，

T

22 表示細胞質和細胞間隙中的水分，

T

23 表示液泡中的水分。但甘薯渣與上述兩種基質的構 成存在明顯不同，最大的區別在于甘薯渣是甘薯塊根細胞破碎后的產物，而上述兩種基質均為完整的細胞。因此，本實驗對薯渣中的水分相態做了重新定義。

3 鮮濕甘薯渣

T

2弛豫峰面積與水分含量關系分析

單位質量鮮濕甘薯渣的弛豫峰面積見表3，

A

21 、

A

22 、

A

23 、

A

24 分別為

T

21 、

T

22 、

T

23 、

T

24 所對應峰的峰面積，

A

S 為總峰面積。

T

2 反演譜總峰面積與水分含量的擬合曲線見圖2，總峰面積

A

S 與水分含量在95%置信區間內顯示出良好的線性關系，其線性回歸方程為

y

＝0.007 9

＋5.296 4，

R

2 為0.987 4， 說明方程擬合度高，

T

2 反演譜峰總面積可以很好地反映鮮濕甘薯渣的含水量。李然等采用LF-NMR法測定茶葉的含水量，與GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》中直接干燥法（105 ℃恒質量法）測得的含水量對比，LF-NMR法測定的結果偏高，但未超過1%，原因是由于茶葉內部有部分結合水，該結合水即使采用105 ℃烘干法也無法去除，而LF-NMR測定的是物料內部結合水、束縛水和游離水的總和，因此LFNMR法比直接干燥法測得的含水量更接近真實含水量。

核磁共振

T

2 反演譜峰面積與樣品中氫質子的數量呈正比，而氫質子主要來源于樣品中的水分，且總峰面積與鮮濕薯渣水分含量呈良好的線性關系。因此，鮮濕薯渣中各相態水分的含量可以由

T

2 反演譜中各個對應峰面積反映，即組成水含量為

A

21 、固定化水含量為

A

22 、滯化水含量為

A

23 、自由流動水含量為

A

24 。從表3可知，

A

23 滯化水含量最高，占總水分含量的90.34%～96.70%，平均占比93.59%；

A

22 固定化水含量次之，占總水分含量的2.03%～8.01%，平均占比5.15%；組成水（0%～1.88%）和自由流動水（0%～0.87%）含量最低，平均占比分別為0.85%和0.41%，這表明造成不同品種鮮濕甘薯渣中水分差異的主要為滯化水。值得注意的是，滯化水

A

23 與自由流動水

A

24 均屬于體相水，自由流動水含量與制樣時物料之間所受擠壓的程度有關，當物料之間擠壓到一定程度時，小部分滯化水會轉化成自由流動水。不同品種鮮濕薯渣其各相態水分存在差異，這是因為水分在不同品種薯渣中所處的化學環境及所受的束縛力不同，而此又與甘薯渣中的非水組分密切相關，因此有必要對甘薯渣中不同相態水分與非水組分進行相關性分析。

4甘薯渣中各相態水分與非水組分之間的相關性分析

從表4可以看出，組成水與薯渣中主要有機組分之間均無顯著相關性，固定化水與淀粉含量呈顯著正相關，與果膠、總膳食纖維和不溶性纖維呈顯著負相關。組成水與固定化水之和為薯渣中結合水含量，有報道認為結合水的量與食品中有機大分子的極性基團的數量有比較固定的比例關系，即與非水組分中全部有機大分子的極性基團數量呈顯著正相關。

滯化水與果膠、總膳食纖維和不溶性膳食纖維含量呈顯著正相關，這可能與甘薯渣中果膠強大的持水性、黏滯性及纖維的多孔性有關，果膠分子鏈通過氫鍵和范德華力等作用力使纖維素、半纖維素等破碎細胞壁組分黏合在一起，形成穩定的三維網絡結構而截留大部分水分；多孔性的纖維會由于毛細管力的作用截留一部分水，導致水分子逃逸速度較慢。而滯化水與淀粉含量呈顯著負相關，即甘薯渣中的淀粉含量越高，滯化水越少，這可能是因為淀粉占據了由果膠等破碎細胞壁組分形成的三維網絡結構的部分空間，從而導致網絡結構所截留的水分減少。自由流動水與滯化水均屬于體相水，當鮮濕薯渣受到外力擠壓、離心力、重力等影響時，部分滯化水轉化成自由流動水，這是實際生產中運輸大量鮮濕薯渣時會產生部分自由流動水的原因所在。

相關性體現了兩個事物之間相互關聯的程度，但具有相關性的兩個變量不一定存在因果關系，為確定甘薯渣中主要水分相態與某種非水組分的因果關系，還需進一步做驗證實驗。

5酶解前后薯渣可排出水量的變化

由表5可知，10 種鮮濕甘薯渣經高速離心后的可排出水量在21.76%～26.44%之間，其中紅心薯（蘇薯8號、173306）薯渣的可排出水量較其他品種薯渣高，這可能與鮮濕甘薯渣的初始含水量有關；經果膠酶酶解后，各品種薯渣的可排出水量增至45.95%～55.12%，而經纖維素酶、半纖維素酶和木質素過氧化物酶酶解后的薯渣，其可排出水量與原鮮濕甘薯渣無顯著差異，這是因為果膠具有較強的吸水和持水特性，而纖維素、半纖維素等細胞壁組分雖有一定的吸水特性，但其持水能力不強，因此當薯渣中的果膠被果膠酶水解后，逐漸失去了膠聯作用，形成的網絡結構被破壞，使得被截留的水分失去阻力而更易排出。以上結果表明，果膠的存在是鮮濕甘薯渣束縛水分，并使薯渣具有一定黏性的主要原因。

6SEM分析

從圖3可以看出，甘薯渣中殘留大量圓形的淀粉顆粒，且大部分淀粉顆粒被包裹或束縛于呈網絡多孔結構的細胞壁碎片中，這與Vannini等報道的甘薯渣的微觀形態一致，說明在甘薯淀粉提取過程中，部分淀粉因細胞壁碎片的包裹束縛作用而未能從體系中分離出來。甘薯細胞壁碎片主要由纖維素、果膠、半纖維素和木質素等組分構成，其中果膠起黏附、團聚其他細胞壁組分的作用，果膠的存在也是薯渣烘干過程中易結塊的原因所在。

7 結 論

本實驗以10 種不同品種鮮濕甘薯渣為研究對象，采用LF-NMR技術測定鮮濕甘薯渣中水分的相態分布，分析甘薯渣各相態水分與非水組分之間的相關性，再結合酶解實驗進行因果關系驗證，以揭示鮮濕甘薯渣束縛水分的作用機制。結果表明，薯渣中的果膠將纖維素、半纖維素等破碎細胞壁組分黏合在一起，形成穩定的多孔網絡結構而截留大部分水分，這部分水分被定義為滯化水，是鮮濕甘薯渣中主要相態水分；果膠的存在是鮮濕甘薯渣束縛水分，并使薯渣具有一定黏性的主要原因。根據以上研究結果，下一步擬開展薯渣高效脫水技術研究：1）尋找或制備強力吸水介質，將原截留在由果膠、纖維素等組成的網絡結構中的水分誘導出來；2）通過調節薯渣的pH值破壞果膠分子鏈間的相互作用力，使其失去黏附作用；3）利用酶解技術將果膠水解，使薯渣中的大部分水分得以釋放。從中挑選出效率高且成本低的技術方案，通過此項技術研究，以期解決制約薯渣資源化利用的首要技術瓶頸。

作者簡介

通信作者：

高飛虎， 研究員，重慶市農業科學院糧油加工創新團隊學術帶頭人。現擔任國家食物營養健康科學指導聯盟理事（農業農村部），中國醫藥教育協會營養醫學專業委員會委員，重慶市薯類產業技術體系副首席，重慶市農學會常務理事，農產品加工專委會主任，重慶市農業科學院學術委員會委員。主要從事薯類加工與副產物綜合利用方面的研究。2011年任研究員以來，主持省部級項目13 項，獲重慶市人民政府“科技進步二等獎”1 項，登記成果15 項，申請發明專利21 項，發表學術論文62篇。曾獲科技部“全國優秀科技特派員”、“重慶最美科技工作者”等榮譽稱號。

第一作者：

張歡歡，助理研究員，重慶市農業科學院糧油加工創新團隊核心成員。研究方向為糧油加工，近年來主要從事薯類加工與副產物綜合利用研究。先后主持重慶市農業科學院績效激勵引導項目1 項，重慶市財政項目2項，近5 年以第一作者發表高水平學術論文7 篇，授權專利3 項，參編教材1 部。

本文《鮮濕甘薯渣水分相態分布測定及其束水機制分析》來源于《食品科學》2024年45卷19期1-7頁。作者：張歡歡，高飛虎，張 玲，鐘巍然，楊世雄，李 雪，張雪梅，梁葉。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231027-233. 。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：陳麗先；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為深入探討未來食品在大食物觀框架下的創新發展機遇與挑戰，促進產學研用各界的交流合作，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）及中國食品雜志社《食品科學》雜志、《Food Science and Human Wellness》雜志、《Journal of Future Foods》雜志主辦，西華大學食品與生物工程學院、四川旅游學院烹飪與食品科學工程學院、西南民族大學藥學與食品學院、四川輕化工大學生物工程學院、成都大學食品與生物工程學院、成都醫學院檢驗醫學院、四川省農業科學院農產品加工研究所、中國農業科學院都市農業研究所、四川大學農產品加工研究院、西昌學院農業科學學院、宿州學院生物與食品工程學院、大連民族大學生命科學學院、北京聯合大學保健食品功能檢測中心共同主辦的“第二屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會”即將于2025年5月24-25日在中國 四川 成都召開。

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