工農業廢料及其固態發酵利用綜述

Pardeep Kumar Sadh，Surekha Duhan，Joginder Singh Duhan

(Department of Biotechnology,Chaudhary Devi Lal University,Sirsa,Haryana 125055,India)

1 背景

農業相關產業每年都會產生大量殘余物。這些殘余物如未經適當處理而直接排放，則可能造成環境污染，危害人體和動物健康。然而，目前多數工農業廢料都未得到適當處理和充分利用，這些未處理的廢料大量增加了溫室氣體排放，產生了多種氣候變化問題。此外，化石燃料的使用進一步加劇了溫室氣體(GHG)排放產生的危害。因此，通過更加清潔的替代性可再生生物能源改善環境備受世界各國的關注。農業廢料產生了嚴重的處理問題。例如，果汁行業產生了大量果皮廢料、咖啡行業產生了大量咖啡渣廢料，而糧食行業則產生了大量谷皮廢料。上世紀九十年代，全世界纖維資源總量約為1.472億公噸，而小麥稈和稻稈廢料估算量分別達到了7.092億公噸和6.733億公噸。在成分方面，工農業殘余物具有較高的營養價值，因此，人們越來越注重對工農業廢料實施質控，并將其歸類為農業副產物。

多項研究均報道，石榴皮、檸檬皮及核桃青皮等廢料可用作天然抗菌劑。有機化合物廢料雖然對大氣有害，但卻是培植食用蘑菇及生產生物能、生物肥等生物基產品的潛在資源。此外，部分農業廢料還可用于動物飼料生產。這種廢料的成分不盡相同，可能含有大量蛋白、糖分和礦物質等。由于含有豐富的營養成分，這些農業廢料不再被稱為“廢料”，而是被視為其他產品的生產原料。這些原料中的營養素可為微生物的生長提供適當環境。通過發酵，微生物能夠重新對這些原料加以利用。工農業廢料被用作SSF過程中的載體，用于生產多種有益產品。同時，其還有助于降低可發酵糖生產過程中的食物作物消耗，從而降低生產成本。多項研究表明，農業廢料可通過多種微生物轉化為糖分。最后，文章概述了可通過SSF工藝實現的工農業廢料用途。

2 工農業廢料分類

2．1 農業廢料

圖1給出了兩種不同類型的工農業廢料，即農業廢料和工業廢料。農業廢料可進一步分為農田廢料和加工廢料。農田廢料是指農作物收割后殘留在農田的廢料，包括農作物的葉、稈、種子莢和莖等，而加工廢料是指農作物加工成替代性有價資源后殘留的廢料(見表1)。

圖1 工農業廢料及其類型

表1 工農業廢料成分

此類廢料包括糖蜜、外皮、甘蔗渣、種子、葉子、莖、稈、殼、漿、須茬、外皮、根等，可用于動物飼料、土壤改良、肥料、生產制造及其他加工等。農田廢料的產生量巨大，且大多數未被充分利用。農田廢料的適當使用可提高灌溉效率、控制水土流失。在中東地區，小麥和大麥是最主要的農作物。除這兩種作物外，世界各地還出產水稻、扁豆、玉米、鷹嘴豆、水果和蔬菜等農作物。農業廢料因可得性和與木炭、木頭及褐煤成型碳等其他固體燃料不同的特點而有別于其他廢料。

2.2 工業廢料

果汁、薯片、豬肉、糖果和水果等食品加工業每年都會產生大量有機廢料和相關廢水。這些有機廢料可用于不同的能源生產。隨著世界人口不斷增加，對食品的要求和消耗也在不斷提高。因此，為了滿足人們對食物的需求，多數國家的食品飲料行業都經歷了顯著增長。表2給出了水果工業廢料的不同成分，其中包括纖維素、半纖維素、木質素、水分、灰分、碳、氮等，同時，此類成分還可被生化消化，制成沼氣、生物乙醇和其他具有商業可用性的產品。在印度，每年約有20%的水果和蔬菜將轉化為廢料，因為印度的蘋果、棉花、大豆和小麥產量較大。因此，隨著印度國內農產品產量的增加，農業廢料在所有廢料中的百分占比也增加了。同樣，食品行業產生的廢料中含有較高的BOD,COD和其他懸浮物。這些廢料中，多數都未經處理和利用，對環境及人體和動物健康造成了危害。然而，這些廢料中含有大量有機化合物，可用于生產多種附加值產品，降低生產成本(如表1所示)。

在食用油行業，從作物種子中提取食用油后會產生大量加工廢料，這種廢料被稱為“油餅”。這些行業都造就了這些廢料含有高濃度的脂肪、油脂、懸浮物和溶解固體。不同來源的油餅，其成分有所不同(見表3)。同時，油餅也包括不同的種類，例如，菜籽油餅(CaOC)，葵花油餅(SuOC)，椰子油餅(COC)，芝麻油餅(SOC)，芥子油餅(MOC)，棕櫚仁餅(PKC)，豆餅(SBC)，花生油餅(GOC)，棉子餅(CSC)，橄欖油餅(OOC)，菜籽餅(RSC)等。這些工農業廢料價格相對較低，含有大量可用作替代性發酵基質的成分，應用前景廣泛。

表2 水果產業廢料成分

表3 油餅成分 (%)

表4 利用不同微生物和工農業廢料進行固態發酵的最新研究

3 固態發酵(SSF)

固態發酵是指微生物在無水或接近無水條件下，在不可溶材料或固體基質上生長的所有生物技術過程。

固態發酵常用的基質包括谷物(水稻、小麥、大麥和玉米)、豆類種子、麥麩、纖維材料(如稻草、鋸屑或刨花)及多種動植物材料等。此類基質的化合物為聚合物，不溶或微溶于水，但多數成本都很低，且易于獲得，同時是微生物生長的集中營養來源。發酵法制備食品是最古老的食品制備方法之一。文獻的關鍵研究表明，固態發酵中的低水量或無水條件具有幾個特點，例如產品易于回收、完整生產過程成本低、發酵罐尺寸較小、減少下游處理工作，同時還減少了攪拌和滅菌所需的能量。為使固態發酵過程成功，在開始任何發酵過程前，應該考慮不同的因素，例如微生物、使用的載體、水活性、溫度、曝氣和使用的發酵罐類型。固態發酵中所使用的微生物可以以單一純培養物、混合可識別培養物或混合本源微生物的聯合體形式存在。某些固態發酵工藝，例如丹貝(tempeh)和安康(oncom)生產，需要微生物選擇性生長，例如霉菌需要水分水平較低以便在發酵微生物分泌胞外酶的幫助下進行發酵。表4顯示了固態發酵過程中使用的不同微生物，例如真菌、酵母和細菌。在固態發酵中通常使用霉菌以最大化附加值產品的生產，因為它們能在固體基質，如木屑、種子、莖和根上自然生長。但是，為了有效發酵，也可使用需求水分含量較高的細菌和酵母進行固態發酵，但其產率較低。固態發酵為多步驟過程，涉及如下步驟：

(1)基質選擇。

(2)通過機械、化學或生化處理對基質進行預處理，以提高結合營養物的利用率，并減少成分大小。例如，粉碎稻草和切碎蔬菜原料，以優化過程的物理方面。但是，預處理成本應與最終產品價值相平衡。

(3)水解主要聚合物基質，例如多糖和蛋白質。

(4)利用水解產物的發酵過程。

(5)最終產物的純化和定量的下游處理。

3.1 生物燃料生產

由于被用作化石燃料的替代品，生物燃料仍占據舉足輕重的地位。前期的研究展示了利用有用的工農業廢料生產生物燃料，例如秸稈、紅薯渣、鋸屑、馬鈴薯渣、玉米秸稈、甘蔗渣以及甜菜渣。2011年，全球生物乙醇產量增加，達到850億升。在農業殘余物的幫助下，通過減少對森林木質生物質的依賴，有助于減少濫伐森林。此外，農田殘余物的收獲期很短，這便降低了其持續供應生物乙醇生產的能力。

許多研究已經研究出了利用木質纖維成分材料制備乙醇的方法。Najafi等人還對從不同農作物中提取的各種農業殘余物生產生物乙醇進行了研究。Saini等人論述了用于生產第二代生物乙醇的各種農業廢棄物。他們重點論述了不同工農業廢料的木質纖維素成分的利用。他們得出的結論是，生物燃料是汽油和柴油等各類化石燃料的有用替代品。根據他們對生物燃料的各種生產方法的論述和審查，很明顯，木質纖維素類生物燃料不僅具有成本效益，也是未來的環保、替代能源。Paepatung等人開展了另一項研究，即利用不同來源的農業殘余物以及香蒲和水葫蘆兩種雜草生產沼氣。

在大多數發展中國家，由于人口的快速增長和工業化的快速發展，對于利用經濟的農業殘余物生產廉價能源的需求巨大。這些國家擁有大量可供利用的生產生物燃料所需的廢料。在釀酒酵母的幫助下，Mushimiyimana和Tal-lapragada利用發酵技術利用蔬菜廢棄物生產生物乙醇。他們利用的都是常見的蔬菜廢棄物，例如土豆皮、胡蘿卜皮和洋蔥皮。生產生物乙醇可能是對消耗農業殘余物而言的最佳替代品。在印度，由于香蕉假莖廢料的可用性極高，利用香蕉莖桿作為生產生物乙醇的底物是一種很好的替代方案。Ingale等人利用香蕉假莖作為底物，對黃曲霉和煙曲霉進行預處理，生產生物乙醇。Maiti等人利用拜氏梭菌，用工農業廢料生產丁醇，在工農業廢料淀粉工業廢水(SIW)發酵96小時后可生成最大量的丁醇，即11.04 g·L-1。因此，利用廉價、生態的農業廢棄物生產寶貴的生物燃料，是利用有限的資源滿足能源需求的較好途徑。

3.2 抗生素生產

抗生素由選擇性抑制生長或以較低濃度殺死其他微生物的不同微生物生產得到的物質。各種農業廢料可用于生產不同的抗生素。人們使用工農業廢料和所生產的抗生素進行了不同的研究。Ifudu使用玉米穗軸、鋸屑和稻殼作為原料生產了抗生素(即土霉素)。Asagbra等人以花生殼為原料，利用龜裂鏈霉菌菌株成功地生產了土霉素。Yang和Swei和Tobias等人還支持利用農業廢料生產土霉素。

通過使用來自各種農業廢料的低成本碳源，抗生素生產的成本顯著降低。這些殘余物可用作新霉素和其他抗生素構建的顯著替代物。Vastrad和Neelagund研究了在以油料餅為原料(其也被視為工農業廢料)的地中海擬無枝菌酸菌 MTCC 14的幫助下，利用固態發酵生產胞外利福霉素B的方法。在不同的工農業廢料中，椰子油料餅和花生殼的抗生素產量最高。外部能源的供應被用于提高抗生素的生產。

3.3 單細胞蛋白生產

Mondal等人研究了從水果廢料中生產單細胞蛋白(SCP)。他們以黃瓜和橘皮為基質，利用釀酒酵母進行深層發酵生產單細胞蛋白。他們發現，與橘皮相比，黃瓜皮產生的蛋白質更多。因此，利用適宜的微生物可以將這些水果廢料轉化為單細胞蛋白。從工農業廢料的生物轉化獲得的產品是經濟的并且在營養上含有高含量的蛋白質。

3.4 聚(3-羥基丁酸)生產

柑橘類水果在世界各地用于不同的工業目的，如制造果汁和果醬。因此，這些類型的工業也會產生大量果皮殘余物或其他形式的廢料，但這些柑橘廢料可用于發酵，因為它們含有大量的碳水化合物。Sukan等人使用橘皮廢料生產聚(3-羥基丁酸)。結果表明，橘皮含有大量豐富的、未利用的工農業廢料。他們首次報道了使用橘皮作為單一碳源，使用非常簡單的預處理方法生產了聚(3-羥基丁酸)。

3.5 生物表面活性劑生產

油污染地點發現了大量細菌物種，這些細菌物種具有生產對人類有用或有益的產品的能力。Saravanan和Vijayakumar從油污染地點分離出細菌菌株，即銅綠假單胞菌PB3A。他們通過使用諸如蓖麻油、葵花籽油、大麥麩、花生料餅和米糠等農業廢棄物，將該菌株用于生產生物表面活性劑。他們通過使用分離的銅綠假單胞菌菌株，將這些廢料用作生產生物表面活性劑的豐富替代碳源。

3.6 固定化載體生產

Orzuaa等人對十種工農業廢料進行了研究，包括酸橙皮、橘皮、蘋果渣、開心果殼、麥麩、椰子殼等。他們研究了各種工農業廢料作為固態發酵固定化載體的適用性。在繼續研究之前，他們通過物理化學處理對工農業廢料進行了表征。最后，Orzuaa等人得出的結論是，在十種工農業廢料中，其中包括檸檬、蘋果、橙子和椰子等四種廢料在作為固態發酵固定化載體方面具有極高潛力。這些工農業廢料可以進一步用于提高廢料管理的經濟優勢及環保性。

4 結論及展望

工農業廢料或殘余物含有豐富的營養成分和生物活性化合物。這種廢料成分不盡相同，含有糖、礦物質和蛋白質等，因此，這些廢料應該視為“原材料”，而不是其他工業過程的“廢料”。這些殘余物中的營養物為微生物的大量生長提供了適當的條件。微生物具有以廢料為原料進行發酵生長的潛力。工農業廢料可用作固態發酵載體，用于生產一系列重要的有益化合物。將農業和基于農業的工業廢料作為原料使用，有助于廢料循環利用、降低生產成本、保護環境。(農業農村部沼氣科學研究所 徐娟 譯自Sadh,P.K.,Duhan,S. ，Duhan,J.S. Agro-industrial wastes and their utilization using solid state fermentation: a review[J].Bioresources and Bioprocessing,2018，5(1)：1-15.)