甘薯加工主要用于生产淀粉及其制品（粉丝、粉条等），在淀粉生产过程中，会产生大量甘薯渣。甘薯渣（干基）富含淀粉和膳食纤维，可应用于食品、能源和材料等领域，具有较高的开发利用价值。为有效利用甘薯渣，将甘薯渣脱水干燥以延长储存期是关键。低场核磁共振（LF-NMR）是近年来新兴的分析水分状态的技术，已应用于肉类冻融、种子萌发和果蔬干燥过程中水分的分布与迁移规律研究。

重庆市农业科学院农产品加工研究所的张欢欢、高飞虎*、张玲等以10 个甘薯品种为原料，经刺辊破碎、浆渣分离后，得10 种不同品种鲜湿甘薯渣，采用LFNMR技术测定鲜湿甘薯渣中的水分相态分布情况，然后将各相态水分与薯渣中非水组分作相关性分析，再结合酶解前后鲜湿薯渣可排出水量的变化进行因果验证，以揭示鲜湿甘薯渣的束水机理，以期为开发快速、有效的薯渣脱水方式提供理论依据。

1鲜湿甘薯渣基本化学成分分析

甘薯块根经刺辊破碎前，贮藏细胞呈完整状态，细胞中含有大量贮藏淀粉的造粉体。甘薯块根经破碎后，约90%的贮藏细胞破裂，细胞中的淀粉颗粒、可溶性蛋白质和可溶性糖等营养组分随水排出，而果胶、纤维素等破碎细胞壁组分、被截留的淀粉粒及未破碎的细胞则保留在薯渣中。实验选取10 个甘薯品种，其中苏薯8号、173306为红心薯，万薯9号为黄心薯，其余均为白心薯。

由表1可知，10 种鲜湿甘薯渣的水分质量分数在75.24%～86.87%之间，与曹健生等报道的从4 个甘薯淀粉加工厂取样的甘薯渣水分质量分数一致，不同品种甘薯渣的水分含量差异较大，其中红心薯水分含量＞黄心薯水分含量＞白心薯水分含量。甘薯渣干物质中淀粉含量最高（高达43.68%～66.14%），这与韩俊娟等研究测定的10 种甘薯渣中的淀粉含量区间一致。薯渣蛋白质量分数在3.27%～6.66%之间，灰分质量分数在2.24%～4.55%之间，而粗脂肪质量分数仅为0.28%～0.86%，其中红心薯和黄心薯薯渣所测粗脂肪中，除油脂含量外还包括色素含量。

果胶是一种以半乳糖醛酸为主的酸性杂多糖，主要存在于植物细胞壁及胞间层中。文献中果胶含量一般用果胶占总膳食纤维的比例表示，为探寻果胶含量与水分含量的关系，本实验中果胶质量分数用果胶占薯渣干基比表示，10 种薯渣的果胶质量分数在4.40%～11.30%之间，且红心薯薯渣中果胶含量显著高于其他品种薯渣。总膳食纤维可分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维，其中不溶性膳食纤维包括纤维素、木质素和部分半纤维素，薯渣干基中总膳食纤维质量分数为17.84%～33.26%，不溶性膳食纤维质量分数在9.63%～19.83%之间。

2鲜湿甘薯渣

T
2弛豫时间分析

水分极性多层结构的形成机理是LF-NMR研究水分相态的基础依据，生物大分子（如蛋白质、淀粉、果胶、纤维素等）含有很多的亲水基团，这些亲水基团（—OH、—NH 2 ）与邻近水形成氢键，由于氢键极化，水分子反过来倾向于与下一层水分子形成氢键，如此反复，最后形成极性的多层结构。

T
2 弛豫时间与氢质子的结合力和自由度有关，
T
2 越短，说明结合的氢质子越多或自由度越小，反之说明氢质子受束缚越小或自由度越大，从而根据
T
2 弛豫时间的大小区分水分相态。由于油脂也可被LF-NMR仪检测到，因此有必要判断薯渣中油脂对
T
2 弛豫时间测量的影响，而鲜湿甘薯渣中的脂肪含量极少，干基质量分数仅为0.28%～0.86%（换算成鲜湿甘薯渣，质量分数为0.07%～0.14%），所以这里认为薯渣中油脂对水分弛豫信号测量的影响可以忽略。由图1可以看出，10 种鲜湿甘薯渣在0.1～10 000 ms弛豫时间范围内出现3～4 个波峰，代表甘薯渣中存在3～4 种不同相态的水分。各峰结束时间
T
2i 表示鲜湿甘薯渣中第
i
种水分的横向弛豫时间，从左至右依次命名为
T
21 、
T
22 、
T
23 、
T
24 ，其中万薯9号、万薯18号、万1914-6品种薯渣有
T
21 、
T
22 、
T
23 3 个峰，彭苏薯6号品种薯渣有
T
22 、
T
23 、
T
24 3 个峰，其余品种薯渣有
T
21 、
T
22 、
T
23 、
T
24 4 个峰。

由表2可知，4 个峰所对应的

T
2 弛豫时间（峰结束时间）分别为
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）。根据《食品化学》 中对食品中水分划分的方法，将此4 个弛豫时间段对应的4 种水分状态做以下定义：将
T
21 定义为“组成水”，表示与薯渣中非水组分结合的最牢固并构成非水组分整体的那部分水；
T
22 定义为“固定化水”，是指处在薯渣非水组分亲水性最强的基团周围的几层水；
T
23 定义为“滞化水”，主要是指被果胶、纤维素和半纤维素等破碎细胞壁组分及膜所阻留住的水分；
T
24 定义为“自由流动水”，是指薯渣内极少部分可以自由流动的水分。其中
T
21 、
T
22 为结合水，
T
23 、
T
24 为体相水。Cheng Shasha 、李春 等根据横向弛豫时间的差异将肉中水分分为结合水（
T
21 ）、不易流动水（
T
22 ）和自由水（
T
23 ），分别表示与蛋白质等大分子紧密结合的水分、肌肉纤维内部的水分和肌纤维间隙的水分；Shao Xiaolong 和陈毅 等利用LF-NMR技术研究甜玉米、蓝莓等植物果蔬组织的水分相态分布，根据横向弛豫时间的长短将果蔬组织的水分划分为3 种，其中
T
21 表示细胞壁中的结合水，
T
22 表示细胞质和细胞间隙中的水分，
T
23 表示液泡中的水分。但甘薯渣与上述两种基质的构 成存在明显不同，最大的区别在于甘薯渣是甘薯块根细胞破碎后的产物，而上述两种基质均为完整的细胞。因此，本实验对薯渣中的水分相态做了重新定义。

3 鲜湿甘薯渣

T
2弛豫峰面积与水分含量关系分析

单位质量鲜湿甘薯渣的弛豫峰面积见表3，

A
21 、
A
22 、
A
23 、
A
24 分别为
T
21 、
T
22 、
T
23 、
T
24 所对应峰的峰面积，
A
S 为总峰面积。
T
2 反演谱总峰面积与水分含量的拟合曲线见图2，总峰面积
A
S 与水分含量在95%置信区间内显示出良好的线性关系，其线性回归方程为
y
＝0.007 9
＋5.296 4，
R
2 为0.987 4， 说明方程拟合度高，
T
2 反演谱峰总面积可以很好地反映鲜湿甘薯渣的含水量。李然等采用LF-NMR法测定茶叶的含水量，与GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中直接干燥法（105 ℃恒质量法）测得的含水量对比，LF-NMR法测定的结果偏高，但未超过1%，原因是由于茶叶内部有部分结合水，该结合水即使采用105 ℃烘干法也无法去除，而LF-NMR测定的是物料内部结合水、束缚水和游离水的总和，因此LFNMR法比直接干燥法测得的含水量更接近真实含水量。

核磁共振

T
2 反演谱峰面积与样品中氢质子的数量呈正比，而氢质子主要来源于样品中的水分，且总峰面积与鲜湿薯渣水分含量呈良好的线性关系。因此，鲜湿薯渣中各相态水分的含量可以由
T
2 反演谱中各个对应峰面积反映，即组成水含量为
A
21 、固定化水含量为
A
22 、滞化水含量为
A
23 、自由流动水含量为
A
24 。从表3可知，
A
23 滞化水含量最高，占总水分含量的90.34%～96.70%，平均占比93.59%；
A
22 固定化水含量次之，占总水分含量的2.03%～8.01%，平均占比5.15%；组成水（0%～1.88%）和自由流动水（0%～0.87%）含量最低，平均占比分别为0.85%和0.41%，这表明造成不同品种鲜湿甘薯渣中水分差异的主要为滞化水。值得注意的是，滞化水
A
23 与自由流动水
A
24 均属于体相水，自由流动水含量与制样时物料之间所受挤压的程度有关，当物料之间挤压到一定程度时，小部分滞化水会转化成自由流动水。不同品种鲜湿薯渣其各相态水分存在差异，这是因为水分在不同品种薯渣中所处的化学环境及所受的束缚力不同，而此又与甘薯渣中的非水组分密切相关，因此有必要对甘薯渣中不同相态水分与非水组分进行相关性分析。

4甘薯渣中各相态水分与非水组分之间的相关性分析

从表4可以看出，组成水与薯渣中主要有机组分之间均无显著相关性，固定化水与淀粉含量呈显著正相关，与果胶、总膳食纤维和不溶性纤维呈显著负相关。组成水与固定化水之和为薯渣中结合水含量，有报道认为结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系，即与非水组分中全部有机大分子的极性基团数量呈显著正相关。

滞化水与果胶、总膳食纤维和不溶性膳食纤维含量呈显著正相关，这可能与甘薯渣中果胶强大的持水性、黏滞性及纤维的多孔性有关，果胶分子链通过氢键和范德华力等作用力使纤维素、半纤维素等破碎细胞壁组分黏合在一起，形成稳定的三维网络结构而截留大部分水分；多孔性的纤维会由于毛细管力的作用截留一部分水，导致水分子逃逸速度较慢。而滞化水与淀粉含量呈显著负相关，即甘薯渣中的淀粉含量越高，滞化水越少，这可能是因为淀粉占据了由果胶等破碎细胞壁组分形成的三维网络结构的部分空间，从而导致网络结构所截留的水分减少。自由流动水与滞化水均属于体相水，当鲜湿薯渣受到外力挤压、离心力、重力等影响时，部分滞化水转化成自由流动水，这是实际生产中运输大量鲜湿薯渣时会产生部分自由流动水的原因所在。

相关性体现了两个事物之间相互关联的程度，但具有相关性的两个变量不一定存在因果关系，为确定甘薯渣中主要水分相态与某种非水组分的因果关系，还需进一步做验证实验。

5酶解前后薯渣可排出水量的变化

由表5可知，10 种鲜湿甘薯渣经高速离心后的可排出水量在21.76%～26.44%之间，其中红心薯（苏薯8号、173306）薯渣的可排出水量较其他品种薯渣高，这可能与鲜湿甘薯渣的初始含水量有关；经果胶酶酶解后，各品种薯渣的可排出水量增至45.95%～55.12%，而经纤维素酶、半纤维素酶和木质素过氧化物酶酶解后的薯渣，其可排出水量与原鲜湿甘薯渣无显著差异，这是因为果胶具有较强的吸水和持水特性，而纤维素、半纤维素等细胞壁组分虽有一定的吸水特性，但其持水能力不强，因此当薯渣中的果胶被果胶酶水解后，逐渐失去了胶联作用，形成的网络结构被破坏，使得被截留的水分失去阻力而更易排出。以上结果表明，果胶的存在是鲜湿甘薯渣束缚水分，并使薯渣具有一定黏性的主要原因。

6SEM分析

从图3可以看出，甘薯渣中残留大量圆形的淀粉颗粒，且大部分淀粉颗粒被包裹或束缚于呈网络多孔结构的细胞壁碎片中，这与Vannini等报道的甘薯渣的微观形态一致，说明在甘薯淀粉提取过程中，部分淀粉因细胞壁碎片的包裹束缚作用而未能从体系中分离出来。甘薯细胞壁碎片主要由纤维素、果胶、半纤维素和木质素等组分构成，其中果胶起黏附、团聚其他细胞壁组分的作用，果胶的存在也是薯渣烘干过程中易结块的原因所在。

7 结 论

本实验以10 种不同品种鲜湿甘薯渣为研究对象，采用LF-NMR技术测定鲜湿甘薯渣中水分的相态分布，分析甘薯渣各相态水分与非水组分之间的相关性，再结合酶解实验进行因果关系验证，以揭示鲜湿甘薯渣束缚水分的作用机制。结果表明，薯渣中的果胶将纤维素、半纤维素等破碎细胞壁组分黏合在一起，形成稳定的多孔网络结构而截留大部分水分，这部分水分被定义为滞化水，是鲜湿甘薯渣中主要相态水分；果胶的存在是鲜湿甘薯渣束缚水分，并使薯渣具有一定黏性的主要原因。根据以上研究结果，下一步拟开展薯渣高效脱水技术研究：1）寻找或制备强力吸水介质，将原截留在由果胶、纤维素等组成的网络结构中的水分诱导出来；2）通过调节薯渣的pH值破坏果胶分子链间的相互作用力，使其失去黏附作用；3）利用酶解技术将果胶水解，使薯渣中的大部分水分得以释放。从中挑选出效率高且成本低的技术方案，通过此项技术研究，以期解决制约薯渣资源化利用的首要技术瓶颈。

作者简介

通信作者：

高飞虎， 研究员，重庆市农业科学院粮油加工创新团队学术带头人。现担任国家食物营养健康科学指导联盟理事（农业农村部），中国医药教育协会营养医学专业委员会委员，重庆市薯类产业技术体系副首席，重庆市农学会常务理事，农产品加工专委会主任，重庆市农业科学院学术委员会委员。主要从事薯类加工与副产物综合利用方面的研究。2011年任研究员以来，主持省部级项目13 项，获重庆市人民政府“科技进步二等奖”1 项，登记成果15 项，申请发明专利21 项，发表学术论文62篇。曾获科技部“全国优秀科技特派员”、“重庆最美科技工作者”等荣誉称号。

第一作者：

张欢欢，助理研究员，重庆市农业科学院粮油加工创新团队核心成员。研究方向为粮油加工，近年来主要从事薯类加工与副产物综合利用研究。先后主持重庆市农业科学院绩效激励引导项目1 项，重庆市财政项目2项，近5 年以第一作者发表高水平学术论文7 篇，授权专利3 项，参编教材1 部。

本文《鲜湿甘薯渣水分相态分布测定及其束水机制分析》来源于《食品科学》2024年45卷19期1-7页。作者：张欢欢，高飞虎，张 玲，钟巍然，杨世雄，李 雪，张雪梅，梁叶。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231027-233. 。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：陈丽先；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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