木薯渣再利用研究進展

劉　虎　湯小朋　方熱軍

（湖南農業大學動物科學技術學院，湖南長沙410128）

木薯渣再利用研究進展

劉虎湯小朋方熱軍*

（湖南農業大學動物科學技術學院，湖南長沙410128）

摘要：隨著木薯在我國種植和加工的不斷增加，其副產物——木薯渣也不斷增多，目前木薯渣尚未被充分利用，在一定程度上造成了資源的浪費。本文旨在總結前人研究，對木薯渣的再利用進行綜述。

關鍵詞：木薯渣；再利用；研究進展

木薯又名樹薯、樹番薯，有“淀粉之王”、“地下糧食”的美譽，與甘薯、馬鈴薯并稱為世界三大薯類。其原產自亞馬遜河流域，于19世紀20年代引入我國。目前，我國木薯種植面積較大，主要分布在南方多個省份，其中以廣西產量最高。據聯合國糧農組織（FAO）報道，我國2011年木薯產量高達450萬噸，并保持了一定的增長速度。木薯加工后產生大量殘渣，這些殘渣即為木薯渣，提取淀粉后的殘渣叫木薯淀粉渣，生產酒精后的殘渣叫木薯酒精渣。隨著木薯加工業的不斷擴大，木薯渣的產量也不斷增加，木薯渣的處理成為木薯加工企業不得不面對的難題。木薯渣因脂肪及蛋白質等營養成分低而被認為是質量低劣的原料物質，但其通過合理的生物技術手段，可以成為一種很有潛力的資源。就目前而言，木薯渣的再利用主要集中在飼料原料［1-2］、乙醇［3］、生物酶［4］、有機酸［5］、沼氣［6］、堆肥［7］及培養菌類［8］等方面。

1 用作飼料原料

木薯渣含纖維素、半纖維素、木質素等動物難以利用的成分，粗蛋白含量低（表1［9］），還含有氰化物，適口性較差，制約了木薯渣在動物飼料中的應用。

表1　木薯渣的營養成分（干物質基礎）　（%%）

1.1鮮飼

木薯渣淀粉含量較高，可以作為能量飼料添加到飼料中去［10］，目前我國很多地方都是直接將木薯渣添加到飼料中飼喂動物。研究表明，在奶牛飼料中添加木薯渣對其產奶量及奶質量沒有顯著影響［11］；對于單胃動物中，因木薯渣纖維素含量高、蛋白質含量低、氫氰酸含量高而使用受限［12］。木薯渣含有大量水分，貯存不便，容易發霉變質，引起動物中毒或發病，因此，鮮木薯渣的直接飼喂價值較低，在一定程度上限制了其在動物生產中的應用。

1.2發酵后飼喂

木薯渣直接飼喂利用率的低下，引起了許多科研工作者對改善其營養價值（增加蛋白質含量，降低纖維素、非淀粉物質、氰化物的含量）的興趣［13］。林捷等［14］從自然界中篩選出6株纖維素分解菌（枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、產黃纖維單胞菌、強壯纖維單胞菌、綠色木霉、雜色曲霉）對木薯渣進行混菌發酵，大幅提高了其纖維素酶的酶活及對還原糖的耐受力。湯燕花等［15］研究利用黑曲霉、啤酒酵母混菌發酵木薯渣，提高了木薯渣的蛋白質含量，降低了木薯渣的有毒物質含量。劉琨等［16］用工業化糖化酶和產朊假絲酵母固態發酵木薯渣，生產菌體蛋白，使得粗蛋白含量由11.59%提高到28.28%，提升了近17個百分點。管軍軍等［5］對木薯渣進行了霉菌、酵母菌單菌種及混菌固態發酵的試驗，結果發現在發酵溫度30℃、發酵時間5天、培養基含水量60%、接種比例2∶1（酵母：霉菌）的情況下，混菌發酵蛋白質的含量最高，達到15.68%，較未發酵前有明顯提高。李永華等［17］利用紫外突變技術得到一株黑曲霉菌株GL1，用其固態發酵木薯渣，最終纖維降解率高達45.21%，還原糖產量為435.7 mg/g，改善了木薯渣的品質。葛若梅等［3］用木薯酒精渣培養基篩選得到兩組高效降解纖維素、產蛋白能力強的混菌組合：黑曲霉G4、白地霉C15和黑曲霉Q4、青霉C32。混菌固態發酵后，粗蛋白含量分別提升了14.66%與17.12%，纖維素含量分別降低了4.84%和5.82%。兩組合中混入酵母培養后，發酵效果更好。卓義敏等［18］研究了DENA工程菌在混菌發酵木薯渣飼料生產中的作用，發現添加DENA工程菌發酵后，產物中各必需氨基酸的含量有較大幅度提升，并能提高發酵效率。艾必燕等［1］以木薯渣為原料，用黑曲霉、根霉R2、綠色木霉混菌發酵，優化發酵工藝，使蛋白質含量增加，提高了木薯渣的利用率。Ganiyu［19］用釀酒酵母和兩株乳酸菌混合發酵木薯渣3天，結果其蛋白質含量由未發酵前的8.2%上升到發酵后的21.5%，氰化物和植酸的含量下降明顯，分別由44.6 mg/kg和1 043.6 mg/100 g下降到6.2 mg/kg和789.7 mg/100 g。Obadina等［20］用黑曲霉、黃曲霉、煙曲霉、木霉單菌發酵木薯渣，發酵結束后蛋白含量最高的是木霉發酵組，其次是煙曲霉、黃曲霉，最后是黑曲霉。Okpoko等［21］研究了用黑曲霉和乳酸桿菌混合發酵木薯皮對蛋白質及氰化物含量的影響，試驗共有六個處理，處理1：黑曲霉、乳酸菌混合發酵；處理2：只接種黑曲霉；處理3：只接種乳酸桿菌；處理4：自然發酵；處理5：浸濕木薯皮不發酵；處理6：不浸濕也不發酵。每個處理3個重復。結果顯示，處理1蛋白質含量升高，氰化物含量降低明顯；處理6的蛋白質含量最低，氰化物含量最高。Ezekiel等［22］利用綠色木霉液態發酵木薯渣，使其粗蛋白含量由4.21%提高到37.63%，發酵效果明顯。Aro和Aletor［23］對木薯廢渣的兩種形式——木薯淀粉殘渣（CSR）和木薯皮（CAP）分別進行微生物發酵研究，CSR的蛋白質含量由發酵前的1.12 g/100 g增加到7.02 g/100 g，粗纖維含量由發酵前的19.20 g/100 g下降到12.06 g/100 g；CAP的蛋白質含量由發酵前的5.30 g/100 g增加到10.94 g/100 g，粗纖維含量由發酵前的38.44 g/100 g下降到5.88 g/100 g。

2 發酵產乙醇

木薯渣含纖維素、半纖維素、淀粉等，可以用來生產酒精。目前國內外利用木薯渣發酵生產乙醇的研究及機理尚不清晰。近年來我國關于木薯渣發酵生產乙醇的研究的主要有：蘇小建等［24］研究發酵木薯渣生產乙醇的發酵工藝，優化發酵木薯渣制備乙醇的工藝條件為：料水比1∶4、發酵溫度35℃、纖維素酶0.15 g，發酵菌種為高活性干酵母。以最佳發酵工藝發酵木薯渣，在最優發酵時間內乙醇的產量可以高達27.3%。龔信芳［4］研究了釀酒酵母異步糖化發酵木薯渣與同步糖化發酵木薯渣產乙醇的最佳工藝條件，為木薯渣工業化生產乙醇提供了一定的理論基礎。趙曉峰等［25］研究同步糖化共同發酵與同步糖化分開發酵木薯渣對乙醇產量的影響，結果發現同步糖化共同發酵優于同步糖化分開發酵，前者產乙醇更多，可達到28.04%。該研究對木薯渣的合理開發利用也具有一定的指導意義。

國外對木薯渣發酵制備乙醇也有研究。Srinorakutara等［26］研究了木薯渣預處理的最佳方法：先用纖維素酶和果膠酶在pH值4.5、溫度28℃條件下處理1小時，然后加入α-淀粉酶，將pH值調為5.5，在100℃條件下處理2小時，最后加入葡萄糖化酶，在pH值4.5、溫度60℃條件下保持24小時；最后獲得的還原糖達到6.2%（W/V）。利用釀酒酵母TISTR 5596發酵酶解產物24小時，可獲得相當于理論上產量91%的乙醇。Rattanachomsri等［27］采用同步糖化發酵產乙醇，木薯渣的糖化采用黑曲霉BCC17849產生的混合酶，在40℃、pH 值5.5的條件下保持48小時，可發酵糖產量較高，每克木薯渣糖化后相當于716 mg的葡萄糖、67 mg的木糖，糖化效果比在最佳工藝條件下的商業酶轉化效果更好。發酵產乙醇是利用耐熱的熱帶假絲酵母，這兩個過程同步進行。發酵30小時后4%（W/V）的木薯渣能產14.3 g/L的乙醇，生產率為0.48 g/L·小時，相當于總淀粉的93.7%或總可發酵糖的85.4%。Kosugi等［28］用一株產糖化酶的酵母菌株釀酒酵母K7G，發酵木薯渣產乙醇。木薯渣先熱處理（140℃1小時），然后用里氏木霉纖維素酶水解。在木薯渣中接種K7G，不添加任何能水解淀粉的酶類，結果5%木薯渣和8%的木薯渣組分別能生產91%和80%的乙醇（相對于木薯渣）。Apiwatanapiwat等［29］利用一株通過生物技術改造的能產兩種淀粉酶、兩種纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的酵母菌株發酵木薯渣，結果表明，木薯渣中不需要添加其他任何水解酶類，就可以生產乙醇。Akponah和Akpomie［30］利用釀酒酵母分別發酵酸水解和酶水解的木薯廢水，得出pH值、營養成分、發酵天數的最佳組合是提高發酵木薯廢水轉化乙醇量的關鍵。最佳發酵組合是pH值5.5、發酵三天、添加NPK（添加效果是：NPK＞NaNO3＞K2HPO4）。

3 發酵產生物酶

目前國內關于用木薯渣發酵制備酶的研究較少。馬艷等［31］研究了木薯渣產植酸酶的工藝條件，以木薯渣為唯一碳源，每1 000 g木薯渣添加20 g NH4NO、0.1 g K2HPO4、0.5 g MgSO4·7H2O、0.5 g KCl、0.1 g FeSO4· 7H2O和9 g SDS，培養基中水分含量在60%～65%之間，每10 g木薯渣接種2 mL菌懸液（2.8×108個孢子/mL），培養溫度28～31℃，自然pH值，產酶在發酵第8天達到最高值（6 730 U/g干曲）。鐘秋平等［32］研究表明利用黑曲霉固態發酵木薯渣產植酸酶的最佳發酵條件為水分含量75%、料層厚度為5～10 cm、菌液接種量1.5%、發酵溫度32～32℃，發酵時間6～8天。在此條件下，最高酶活力可達4 189 μmol/分鐘·g。此外，還有利用木薯渣發酵產胞外多半乳糖醛酶［33］、α-淀粉酶［34］、果糖基轉移酶［35］等研究。

4 發酵產有機酸

木薯渣含有豐富的淀粉、纖維素和半纖維素，充分利用這些多糖既可以緩解能源危機，又可減少環境污染。以木薯渣為原料，利用微生物發酵生產有機酸的研究越來越廣泛。我國20世紀90年代有利用木薯渣發酵產檸檬酸的研究［6］，國外有木薯渣發酵產乳酸、谷氨酸檸檬酸［37-38］等的研究。

5 其他應用

除了以上的研究外，還有學者做了其他研究，如利用非生物發酵木薯渣生產無污染的有機肥［7，9，］、厭氧發酵木薯渣產沼氣［39］和利用木薯渣栽培食用菌等。

6 前景

木薯渣作為一種重要的工業副產物，目前其利用尚未形成一定體系，造成了巨大浪費，木薯渣發酵的機理以及優化條件也尚未完善；木薯渣在動物生產中的應用可以在一定程度上解決人畜爭糧的問題，利用其發酵生產綠色能源則不僅能夠保護環境，而且還能節約能源。

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中圖分類號：S816.35

文獻標識碼：A

文章編號：1673-4645（2016）05-0052-04

收稿日期：2015-11-04

作者簡介：劉虎（1992-），男，湖南益陽人，碩士生，專業為動物營養與飼料科學，E-mail：15111406674@163.com

*通訊作者：方熱軍（1963-），博士生導師，E-mail：fangrj63@126.com