在最优策略下，利用新型Bacillus clarus NITTBP1淀粉酶通过酶解方法对马铃薯加工废料中的原始淀粉进行增值利用

《Journal of Cleaner Production》：Valorization of raw starch from potato processing waste via enzymatic hydrolysis using novel Bacillus clarus NITTBP1 amylase under optimal strategy

　　J. Beula Isabel|M. Premalatha

摘要
食品加工行业产生的马铃薯加工废弃物对环境构成威胁，而利用这些富含淀粉的废弃物来制造高附加值产品则具有重要意义。本研究探讨了通过新型酶将原始淀粉转化为还原糖的途径，并与商业淀粉进行了优化策略对比。研究分析了马铃薯加工废弃物的成分及物理化学参数，采用部分纯化的枯草芽孢杆菌淀粉酶进行水解反应。统计模型确定了最佳酶解条件：对于商业淀粉而言，温度为46℃，酶浓度为0.7 U/mL，反应时间为95分钟；而对于马铃薯加工废弃物，则为温度59℃，酶浓度0.9 U/mL，反应时间109分钟，两者的R2值分别为0.99。实验验证显示，在最优条件下，商业淀粉的最大水解率为98.853±0.03%，而马铃薯加工废弃物的最大水解率为96.152±0.05%。这种高效且可持续的酶法转化方式有助于推动工业循环生物经济的发展。

引言
随着人口快速增长，全球食品产量持续上升，从农业到食品加工业产生了大量废弃物（Lopez Barrera和Hertel，2021）。印度是食品加工技术产业最为发达的国家之一，具有巨大的投资潜力（Alam等人，2025）。在2025-26财年，这些行业的产值预计将达到5350亿美元。然而，这种快速增长也带来了大量废弃物，估计每年有6800万吨的食品浪费。根据联合国环境规划署与废物资源行动计划联合发布的《2024年食品浪费指数报告》，2022年全球食品浪费量约为10.5亿吨（联合国环境规划署，2024）。对于发展中国家而言，如何有效利用这些废弃物以减少温室气体排放和环境污染日益成为挑战（Ren等人，2025；Yazykbayev等人，2025）。因此，印度政府也推出了多项政策，如2018年的《国家生物燃料政策》以推动第二代乙醇生产，以及“总理JI-VAN计划”为生物质项目提供资金支持（Negi等人，2023）。由于能源需求不断增加以及对绿色燃料的追求，将农业废弃物转化为生物燃料具有巨大前景（Erdiwansyah等人，2025；Kumar等人，2024）。在欧洲，欧盟的废物框架指令要求食品加工行业通过将废弃物转化为高附加值产品来实现循环经济，从而减少废物产生（Hu等人，2025）。

马铃薯是全球重要的食物来源，为约13亿人提供基本食物，其消费量仅次于谷物（Roy等人，2025）。2021年全球马铃薯产量超过3.76亿吨，被广泛用于加工成薯片、炸薯条和马铃薯泥等食品。这一加工过程会产生大量废弃物，主要是马铃薯皮和废马铃薯（Villegas-Ch等人，2025）。这类废弃物占原始马铃薯重量的15%至40%，全球每年产生的废弃物总量估计在7万至14万吨之间（Makris，2024）。传统的农业废弃物处理方法，如倾倒和露天焚烧，会造成严重的空气和水污染，还会影响公共健康，因此亟需更好的管理方案（Bhatia等人，2024）。虽然有一些传统处理方法，如用作动物饲料、覆盖土壤或简单堆肥，但这些方法往往难以应对如此大规模的废弃物及其带来的环境影响（Reddy等人，2025）。因此，人们开始注重废弃物的价值转化，将其转化为生物能源、生物塑料和工业酶等有价值的资源（Sheldon，2024）。通过采用创新技术，农业领域可以摆脱单纯的废弃物处理模式，迈向更加高效的循环生物经济体系，从而提升工业生产力、增强气候适应能力并实现长期可持续发展（Mujtaba等人，2023；Reddy等人，2025）。鉴于马铃薯加工废弃物主要以淀粉为成分，它是一种理想的生物质材料，可通过先进的转化技术用于生产生物乙醇等多种高附加值产品（Kumar等人，2024）。

许多研究表明，通过酶法处理，商业可溶性淀粉很容易被水解以便进一步利用。然而，原始的含淀粉生物质，如马铃薯加工废弃物、木薯废弃物和玉米废弃物，无法直接转化为生物乙醇等产品（Song等人，2026）。要想有效利用这些原始淀粉生物质，必须先进行适当的预处理，再选用合适的酶将复杂的碳水化合物水解为简单的可发酵糖类（Al-Malki等人，2024）。酶法水解淀粉是一种可靠、环保且可持续的方法，与酸法和碱法相比，它在水解过程中产生的抑制性物质更少（Liu等人，2025）。此外，酶法水解还具有诸多优势，比如能耗低、反应条件温和且不会造成设备腐蚀（Soni等人，2023）。在工业生产中，淀粉酶是一种应用极为广泛的酶，它能催化淀粉水解为葡萄糖、麦芽糖和糊精等简单糖类，而这些糖类又是生产多种产品的关键原料（Liu等人，2026；Oyenado和Omoruyi，2024）。微生物水解酶因其能够在较低成本、较短时间内大量生产，且能在温和环境下工作，同时在工艺条件下仍保持较高稳定性，而备受关注（Khan，2025）。

目前，工业界大多使用从传统微生物——枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌中提取的高纯度酶，但这些酶的成本相当高昂（de Souza和e Magalh?es，2010）。由于大多数食品工业需要大量这类酶，因此对其成本控制显得尤为重要。而从马铃薯加工废弃物中分离得到的枯草芽孢杆菌则是一种可持续的淀粉酶来源，其部分纯化形式具有良好的淀粉分解能力（Isabel和Premalatha，2025）。在适度碱性的条件下，这种细菌的部分纯化形式的比活性高达139.23 U/mg。此外，由于它源自马铃薯加工废弃物，因此还能用于降解该废弃物。这是一种尚未被充分研究的新型细菌，本文首次报道了从该细菌中提取的淀粉酶在分解原始淀粉和可溶性淀粉方面的潜力。

淀粉水解产物因其多样的功能特性而在众多行业中发挥着重要作用。它们在食品工业中被用作甜味剂、增稠剂和稳定剂，同时也在制药行业得到应用（Puri等人，2025）。除此之外，它们还被用于生产生物燃料、可生物降解塑料和粘合剂。由此可见，淀粉水解产物在各类工业生产中的重要性不言而喻（Cabeza等人，2025）。通过酶法水解将工业废弃物——即富含淀粉的马铃薯加工废弃物——转化为水解产物，有助于实现多项可持续发展目标，进而推动循环经济和可持续发展（Almeida等人，2025；Packiyadhas等人，2024）。利用从马铃薯加工废弃物中分离出的本土细菌所产生的酶，也有助于实现可持续发展目标9，为那些依赖酶作为核心生产要素的 industries提供有效的解决方案（Isabel和Premalatha，2025）。此外，这一做法还有助于实现可持续发展目标12，即推动废弃生物质的分解、回收和再利用，从而转化为有价值的生物产品。同时，它还有助于实现可持续发展目标7、8和13，即促进廉价清洁能源的发展、推动经济增长以及加强气候治理（Packiyadhas等人，2024）。

随着市场对生物乙醇需求的不断增长，马铃薯加工废弃物作为一种富含淀粉的生物质资源，具有很大的应用前景。此外，通过研究优化后的枯草芽孢杆菌淀粉酶在分解含淀粉生物质中的作用，有望进一步提高水解效率（Isabel和Premalatha，2025）。通过比较商业淀粉与马铃薯加工废弃物在枯草芽孢杆菌淀粉酶作用下的水解效率，可以看出后者具有更大的规模化应用潜力。为了实现最大程度的水解，必须对工艺参数进行优化，通过降低反应时间、温度和酶浓度来提升整体工艺效率。因此，本研究的首要目标是對马铃薯加工废弃物进行初步分析，包括其近似成分、生化特性和物理化学性质。同时，还研究了从枯草芽孢杆菌中提取的部分纯化淀粉酶的稳定性和热稳定性。针对可溶性商业淀粉和原始马铃薯加工废弃物，采用单变量分析方法研究了酶法水解的工艺参数。此外，还研究了该淀粉酶在两种底物上的催化动力学特性。最后，通过响应面法与人工神经网络模型，分析了各工艺因素及其最佳值，以最大化可溶性商业淀粉和原始马铃薯加工废弃物的水解率，这些结果均得到了实验验证。

章节节选

商业淀粉与马铃薯加工废弃物的采集及成分分析
用于水解的可溶性商业淀粉购自美国Sigma Aldrich公司，产品编号为S9765（可溶性淀粉，ACS试剂级）。其相关性质数据来自制造商提供的产品规格说明书。马铃薯加工废弃物则采集自印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利地区的薯片店，随后经过多次清洗以去除污物和其他杂质。清洗后的样本在阴凉处晾干至适当湿度。

用于水解的商业淀粉与马铃薯加工废弃物的成分分析
商业淀粉的来源为马铃薯，纯度约为99%，根据美国化学学会的标准，其中非淀粉成分约占1%。商业淀粉的分子量为342.30克/摩尔，其中直链淀粉和支链淀粉的比例分别为18.5%和80.5%。马铃薯加工废弃物的成分则通过近似分析和生化分析进行测定，结果见表2。根据近似分析结果可知……

利用马铃薯加工废弃物进行价值转化的工业意义、可扩展性及可行性
本研究聚焦于全球范围内每年由马铃薯加工行业产生的约14万吨马铃薯加工废弃物。研究首先通过单变量分析确定水解工艺参数的优化方向，随后再利用响应面法与人工神经网络模型进行进一步优化。研究采用从新型枯草芽孢杆菌中提取的淀粉酶对马铃薯加工废弃物进行酶法水解。这些优化后的参数对于有效控制水解过程中的关键因素至关重要……

当前面临的挑战与未来展望
从农场到餐桌的整个供应链过程中都会产生大量食品废弃物，马铃薯加工废弃物便是其中之一。这类废弃物在淀粉粉、薯片、炸薯条等各类产品的工业生产过程中产生，其富含淀粉、酚类物质、木质素、抗氧化剂、维生素和矿物质，具有极大的开发潜力，有望为国家经济发展做出贡献。通过构建循环经济体系……

结论
本研究通过酶法水解技术探索了马铃薯加工废弃物中原始淀粉的利用途径，旨在推动循环生物经济的发展。研究首先对马铃薯加工废弃物的近似成分、生化特性和物理化学性质进行了分析，以了解其组成和性质，从而为后续的水解反应奠定基础。通过傅里叶变换红外光谱分析，比较了商业淀粉与马铃薯加工废弃物中的功能基团，发现两者中的淀粉都存在相似的峰值，同时还存在一些非淀粉多糖的功能基团。

作者贡献声明
J. Beula Isabel：概念设计、数据整理、研究实施、方法设计、资源协调、结果验证、初稿撰写。
M. Premalatha：正式分析、研究实施、方法设计、研究指导、结果验证、文章修订与编辑。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢印度政府科学技术部在WISE-Ph.D.计划下提供的财政支持，该项目编号为TPN: 97416，文件编号为DST/WISE-PhD/ET/2023/34。