利用微生物发酵红薯渣的研究进展

■徐春城 左飒飒 牛东泽 郑明利 江 迪

（中国农业大学工学院生物质资源饲料调制与利用研究室，北京100083）

红薯(Solanum tuberosum)是世界上主要的粮食作物之一，它起源于热带美洲，主要分布于热带、亚热带地区[1]。据世界粮农组织报道[2]，2012年世界红薯产量达到1.03×108t，如表1所示，其中80%产自亚洲，16%产自非洲，中国是世界上最大的红薯生产国。在我国，红薯大部分用于鲜食及用作畜禽的饲料。近年来，一些地区为充分利用本地资源优势，兴建了红薯淀粉加工厂以及红薯饮料厂，使价格低廉的红薯转变成具有较高经济价值的淀粉和功能性饮料。然而在生产和加工过程中会产生大量的副产品——红薯渣，由于红薯渣含有多种抗营养因子，直接饲喂动物易造成腹泻，且新鲜红薯渣含水量高，不便于储存和运输，这些红薯渣大部分被露天堆积或野外倾倒，腐败变质产生恶臭，从而造成环境污染及资源浪费。为解决这一难题，有些地方消耗大量的热能将红薯渣蒸煮或烘干后作为动物饲料[3]，也有些地方则利用红薯渣提取果胶[4]、制备膳食纤维[5]、生产纤维素制品[6]等。但这些利用方式都面临着成本高、效率低、产生废渣、污染环境、难以实现工业化等问题。

表1 2012年红薯产量及其使用情况[2](kt)

在过去的几十年里，世界正日益重视自然资源的有效利用，越来越多的研究者通过发酵技术将农、工业副产品等生物质资源转化成各种生物制品[7]。通过微生物发酵农业副产品生产生物制品不仅能够增加经济效益而且能够有效降低环境污染。红薯和红薯渣由于来源广泛而且富含水分、淀粉、纤维素等物质，从而可以作为许多微生物产品的发酵基质，如发酵红薯渣产四环素[8]、微生物蛋白饲料[9]、柠檬酸[10]、乳酸[11]、氢和乙醇[12]等。有些产品已经形成完整的发酵体系，被应用于工业化生产中。

本文讨论了红薯渣与其他块茎类农产品副产品成分的比较以及复合菌种固态发酵技术的特点，详细讨论了当代微生物发酵技术在红薯渣中的应用，并讨论了微生物发酵红薯渣作为动物饲料存在的问题及发展前景。

1 红薯渣成分及发酵红薯渣的微生物

不同来源的红薯渣成分见表2[11-16]。红薯渣一般含有1%～15%的粗蛋白，15%～50%的淀粉，3%～18%的粗纤维，以及2%～5%的粗灰分。可见，红薯渣由于加工工艺的不同，成分相差比较大。红薯渣与其他块茎类副产品的化学成分见表3。红薯淀粉渣的水分含量高达850 g/kg,明显高于红薯饮料渣的746 g/kg。与其他块茎类副产品相比，红薯淀粉渣和饮料渣中的粗灰分含量均高于其他农副产品。由于红薯渣的矿物质含量较高，因此，在进行微生物发酵时只需添加少量的无机盐即可。红薯饮料渣中的粗蛋白含量为88.8 g/kg,明显高于红薯淀粉渣及木薯渣，略低于马铃薯淀粉渣、甜菜渣与菊芋渣；中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量均低于同类型中其他副产品；可溶性碳水化合物及淀粉含量却明显高于其他副产品，二者含量约为红薯淀粉渣的5倍、马铃薯渣的6倍。玉米中碳水化合物含量在70%以上，粗蛋白含量一般为7%～9%，粗脂肪含量一般为3%～4%[17]，由此可见，红薯饮料渣的成分非常接近玉米，因此，可以用红薯饮料渣代替部分玉米作为反刍家畜的饲料使用。也可以加入一定量的氮源，通过发酵进一步提高其蛋白含量，从而生产出高蛋白的饲料。

表2 红薯渣的成分（干物质基础）[11-16]

表3 红薯渣与其他块茎类副产品化学成分(干物质基础)(g/kg)

用于发酵红薯渣的微生物包括细菌、酵母、放线菌和真菌。真菌，尤其是担子菌是主要的用于发酵农业副产品的菌种，它们能够在底物表面甚至内部很好地生长；放线菌主要用于抗生素的生产；酵母菌则由于自身菌体蛋白含量比较高被用于生产单细胞蛋白，一些益生的芽孢杆菌除了分泌纤维素酶、淀粉酶也被用于广谱的抗生素。表4列举了近年来国内外科研工作者用于研究发酵红薯渣的部分微生物。

表4 利用红薯渣进行发酵的微生物

2 复合菌种固态发酵技术

目前，固态发酵被广泛应用于生物制品生产。与液态发酵相比，固态发酵所需能耗较低，产生废水较少，对环境更友好。近年来，许多研究发现，复合菌种固态发酵比单菌种固态发酵更占优势，这可能是由于在发酵过程中生物体之间通过直接触发细胞-细胞间通信或通过信号物质传递到细胞表面蛋白而相互作用的结果。也可能是由于菌体定植、渗透和降解固态基质依赖于它们所处的共同环境，在此环境下，复合菌之间可以通过特殊的酶相互作用从而协同共生[22]。目前，真菌联合发酵主要用于生产木质纤维素酶及酶系、单宁酶及没食子酸和高蛋白及次级代谢产物等生物制品；细菌联合发酵主要用于生产虫害防治剂、食品发酵风味剂；细菌、酵母及真菌联合发酵则主要用于提高蛋白含量，生产高蛋白动物饲料以及生产乙醇和酒类饮料。

3 红薯渣的发酵利用

3.1 有机酸类

3.1.1 生产乳酸（LA）

乳酸，作为主要的生物技术类产品有着广泛应用，主要用于食品、制药、皮革、纺织等行业。2011年全球对乳酸的需求已达到2×105t[23]。乳酸可以通过化学合成的方法制取，但加工过程中会形成外消旋混合物的同分异构体，利用廉价的原材料如乳清、糖蜜、淀粉类残渣等发酵生产的乳酸避免了外消旋混合物同分异构体的形成[24]。Pagana等[11]利用德氏乳杆菌、布氏乳杆菌和鼠李糖乳杆菌分别发酵来自红薯罐头加工过程中产生的红薯渣用于产乳酸。通过对比得出鼠李糖乳杆菌是乳酸生产的最适菌，利用鼠李糖乳杆菌在pH=5的条件下，发酵红薯渣72 h，乳酸产量可达到10 g/l。Altaf等[25]则利用解淀粉乳杆菌不经糊化和糖化过程直接将淀粉转化为乳酸，通过一步发酵法大大节省了人力和物力。

3.1.2 生产柠檬酸

柠檬酸，作为三羧酸循环的中间产物，由于被广泛应用于食品、药制品及其他领域而成为最具有商业价值的产品之一[26]。尤其是在食品行业中柠檬酸可作为饮料的风味添加剂和保藏剂而很受欢迎。Bin⁃dumole[10]利用黑曲霉（MTCC 282）发酵红薯渣水解物生产柠檬酸取得了良好成果。发酵红薯渣得到的柠檬酸含量为6.8 mg/ml，而柠檬酸在pH=4.5、初始糖含量14%的条件下产量最高，并在一定范围内，随着氮源含量的增加，柠檬酸的含量也随之增加。中国、日本和越南现在均采取发酵红薯渣生产柠檬酸，发酵过程基本上都采用将残留淀粉糖化后再使用黑曲霉等霉菌进行发酵[27]。

3.2 生产酶制剂

根茎类作物由于富含淀粉且价格低廉一直是酶制剂生产的良好基质[28]。能够分解淀粉的真菌通常被用于固态发酵红薯渣生产酶，例如曲霉、根霉和毛霉等[29]。Yang等[30]用链霉菌发酵红薯渣和花生粕生产蛋白酶和淀粉酶，同时采用液态发酵和固态发酵两种方式。结果表明，两种发酵方式得到的酶主要是α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和支链淀粉酶，α-淀粉酶的活性较高。经过液态发酵24 h后，每克淀粉产生的α-淀粉酶活力为（680±60）U，葡萄糖淀粉酶活力为（65±5）U，支链淀粉酶活力为（20±2）U，经过96 h固态发酵后测得α-淀粉酶活力为（1 903±268）U，葡萄糖淀粉酶活力为（227±40）U，支链淀粉酶活力为（85±6）U。两种发酵方式产淀粉酶的最优pH值均为5.0～6.0，液态发酵条件下高于9.1或低于2.6均难以检测到酶活，而在固态发酵条件下在pH=9.1和pH=2.6条件下依然能够检测到酶活。因此，利用固态发酵淀粉类副产品比液态发酵更方便且更具优势。

3.3 生产微生物蛋白饲料

Abu等[31]分别利用黑曲霉、米曲霉和糙皮侧耳三种真菌发酵红薯，并每隔相同时间测定脂肪、脂肪酸和蛋白含量。结果表明，经发酵后蛋白含量明显增高，其中黑曲霉发酵效果最好，其次是米曲霉，糙皮侧耳效果最差。Aziz等[9]将红薯渣用0.5 mol/l的盐酸水解后经γ射线照射处理，然后分别接种串珠镰刀菌和酿酒酵母以及它们的混合菌进行液态深层发酵。发酵3 d后，生物量和蛋白质含量均达到最大值，分别为13.96 g/l和65.8%。Yang[14,32]研究了单独使用解淀粉酵母菌及混合使用解淀粉的霉菌对红薯渣发酵产蛋白的影响。结果表明，使用酵母菌发酵2～3 d后粗蛋白含量为16.11%～20.82%，而复合霉菌发酵红薯渣后粗蛋白含量达到32%。

Zhao H等[33]研究了多种微生物对红薯渣固态发酵的影响，通过复合菌种发酵，以干物质为基础，使其粗蛋白质含量从6.37%提高到9.75%；粗脂肪含量从2.71%提高到4.92%；发酵后还原糖含量达到8.22%。欧荣娣等[34]则通过固态发酵红薯渣条件的优化使得产物粗蛋白含量达到12.35%。王淑军等[35]向红薯渣中添加少量的麸皮和尿素作为氮源，用微生物进行多菌种发酵后，粗蛋白质含量提高到42.4%。赵启美等[36]采用固液结合的方法，发酵甘薯渣后，粗蛋白质含量提高了58.4%；粗纤维含量由25.3%下降到14.2%。

3.4 生产青贮饲料

由于红薯及红薯渣中的淀粉难以被消化利用且蛋白含量低，并且含有的胰蛋白酶抑制因子更是阻碍了蛋白的吸收，使得直接饲喂畜禽营养价值不高[37]。为了解决这些问题，传统的方式是将红薯或红薯渣蒸煮后再饲喂，但费力又消耗热能。虽然可以通过发酵的方式提高蛋白含量，但红薯及红薯渣非常不易保存，因此，可以在进行发酵前将大量的红薯渣青贮保藏起来。Peters等[37]将红薯及红薯渣与米糠、木薯叶粉及鸡粪等进行混合青贮，不仅降低了胰蛋白酶的抑制作用，而且能够贮藏长达5个月。郑明利等[13]研究了不同乳酸菌接种剂对红薯饮料渣青贮品质的影响。得出添加乳酸菌接种剂能进一步提高红薯饮料渣的青贮品质，并且乳酸菌接种剂中乳酸菌种类多样性越丰富效果越明显的结论。

3.5 生产氢和乙醇

当今世界面临着能源短缺和环境污染的双重压力，寻求新的可再生洁净能源已成为能源开发的热点。Yokoi等[38]利用丁酸梭菌和肠杆菌混合发酵红薯淀粉渣产氢，在pH=5.25的条件下得到氢产率为2.4 molH2/mol葡萄糖，在含有丁酸梭菌和肠杆菌的上清液中加入50 mg/l Na2MoO4·2H2O和20 mg/l EDTA，调节pH值为7.5。然后用Rhodobacter sp.M-19进一步发酵，使得氢产率达到7 molH2/mol葡萄糖。Lay等[12，39]利用内源微生物、牛粪和污水污泥作为种子菌种在37℃条件下发酵红薯产氢和乙醇。研究表明，在不加入牛粪和污水污泥条件下，红薯均能在内源微生物的发酵作用下产氢，所用内源微生物包括Klebsi⁃ella oxytoca，Clostridium f i metarium，Grimontella sene⁃galensis和Enterobacter asburiae(或Escherichia coli)这五种菌出现在乙醇的峰值。另外两种菌Ruminococ⁃cus schinkii和Lactovum则出现在氢的峰值处。但加入牛粪和污水污泥后，氢和乙醇的产量均有进一步的提高。

3.6 其他生物制品

基于红薯渣发酵的其他生物制品包括发酵红薯淀粉渣产四环素等抗生素类药品[8]、产膳食纤维[40]、制备低聚糖[41]和寡糖[42]以及发酵产红醋[43]等。

4 当前利用微生物发酵红薯渣存在的问题

①红薯渣水分含量高，单位重量大，从而在发酵过程中搅拌困难，造成水分含量不均，发酵品质参差不齐；另外，现在市场上存在多种发酵红薯渣的菌制剂，不同的微生物发酵产生众多代谢物质，也使得发酵红薯渣饲料品质难以保障。因此，建立完善的行业标准和检测标准非常重要。②菌种不易保存，有的菌种极易退化；有些微生物在发酵过程中会发生变异成为病原微生物，使得发酵红薯渣存在安全隐患；针对这些问题，相关企业应该和高校及研究院所紧密结合，从而筛选并驯化出性能良好且稳定的微生物。③规模化生产难以实行，微生物发酵要求的条件比较严格，在发酵前及发酵过程中难以做到严格灭菌而造成杂菌污染，发酵失败，这也是目前微生物发酵红薯渣尚处在试验阶段，在中试及规模化生产中难以实行的主要问题。

5 结论及展望

现代社会中，随着消费水平的增长以及健康意识的提高，具有高附加值的红薯产品必将日益受到消费者的青睐。在加工过程中产生的大量红薯渣，由于含水量高，容易霉变，而且运输成本过高等因素，是其进一步加工和利用的瓶颈。将红薯渣通过生物技术转化为生物制品或者转化为生物乙醇等能源类物质是解决该问题的有效方法之一。另外，经过微生物发酵将红薯渣制成发酵饲料也是一条有效的解决途径。近些年来，我国红薯产量保持稳定增长，单按照红薯产量的5%用于加工红薯饮料计算，每年产生的红薯渣就超过250万吨，若将这些红薯渣制成蛋白饲料，其价值相当于100万吨的豆粕。因此，该方法的实施，对于缓解饲料粮对我国粮食安全的压力，降低环境污染均具有重要意义。且发酵后的红薯渣水分含量变低，从而只需少量的热能烘干或严格密封，压紧压实，不仅能够节约能源而且延长了红薯渣的保存时间，虽然上述利用微生物发酵红薯渣还存在很多问题，但我坚信，随着科学技术的发展及我国市场经济的完善，以上问题都能得到较好的解决。