木薯渣再利用研究进展

刘　虎　汤小朋　方热军

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙410128）

木薯渣再利用研究进展

刘虎汤小朋方热军*

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙410128）

摘要：随着木薯在我国种植和加工的不断增加，其副产物——木薯渣也不断增多，目前木薯渣尚未被充分利用，在一定程度上造成了资源的浪费。本文旨在总结前人研究，对木薯渣的再利用进行综述。

关键词：木薯渣；再利用；研究进展

木薯又名树薯、树番薯，有“淀粉之王”、“地下粮食”的美誉，与甘薯、马铃薯并称为世界三大薯类。其原产自亚马逊河流域，于19世纪20年代引入我国。目前，我国木薯种植面积较大，主要分布在南方多个省份，其中以广西产量最高。据联合国粮农组织（FAO）报道，我国2011年木薯产量高达450万吨，并保持了一定的增长速度。木薯加工后产生大量残渣，这些残渣即为木薯渣，提取淀粉后的残渣叫木薯淀粉渣，生产酒精后的残渣叫木薯酒精渣。随着木薯加工业的不断扩大，木薯渣的产量也不断增加，木薯渣的处理成为木薯加工企业不得不面对的难题。木薯渣因脂肪及蛋白质等营养成分低而被认为是质量低劣的原料物质，但其通过合理的生物技术手段，可以成为一种很有潜力的资源。就目前而言，木薯渣的再利用主要集中在饲料原料［1-2］、乙醇［3］、生物酶［4］、有机酸［5］、沼气［6］、堆肥［7］及培养菌类［8］等方面。

1 用作饲料原料

木薯渣含纤维素、半纤维素、木质素等动物难以利用的成分，粗蛋白含量低（表1［9］），还含有氰化物，适口性较差，制约了木薯渣在动物饲料中的应用。

表1　木薯渣的营养成分（干物质基础）　（%%）

1.1鲜饲

木薯渣淀粉含量较高，可以作为能量饲料添加到饲料中去［10］，目前我国很多地方都是直接将木薯渣添加到饲料中饲喂动物。研究表明，在奶牛饲料中添加木薯渣对其产奶量及奶质量没有显著影响［11］；对于单胃动物中，因木薯渣纤维素含量高、蛋白质含量低、氢氰酸含量高而使用受限［12］。木薯渣含有大量水分，贮存不便，容易发霉变质，引起动物中毒或发病，因此，鲜木薯渣的直接饲喂价值较低，在一定程度上限制了其在动物生产中的应用。

1.2发酵后饲喂

木薯渣直接饲喂利用率的低下，引起了许多科研工作者对改善其营养价值（增加蛋白质含量，降低纤维素、非淀粉物质、氰化物的含量）的兴趣［13］。林捷等［14］从自然界中筛选出6株纤维素分解菌（枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、产黄纤维单胞菌、强壮纤维单胞菌、绿色木霉、杂色曲霉）对木薯渣进行混菌发酵，大幅提高了其纤维素酶的酶活及对还原糖的耐受力。汤燕花等［15］研究利用黑曲霉、啤酒酵母混菌发酵木薯渣，提高了木薯渣的蛋白质含量，降低了木薯渣的有毒物质含量。刘琨等［16］用工业化糖化酶和产朊假丝酵母固态发酵木薯渣，生产菌体蛋白，使得粗蛋白含量由11.59%提高到28.28%，提升了近17个百分点。管军军等［5］对木薯渣进行了霉菌、酵母菌单菌种及混菌固态发酵的试验，结果发现在发酵温度30℃、发酵时间5天、培养基含水量60%、接种比例2∶1（酵母：霉菌）的情况下，混菌发酵蛋白质的含量最高，达到15.68%，较未发酵前有明显提高。李永华等［17］利用紫外突变技术得到一株黑曲霉菌株GL1，用其固态发酵木薯渣，最终纤维降解率高达45.21%，还原糖产量为435.7 mg/g，改善了木薯渣的品质。葛若梅等［3］用木薯酒精渣培养基筛选得到两组高效降解纤维素、产蛋白能力强的混菌组合：黑曲霉G4、白地霉C15和黑曲霉Q4、青霉C32。混菌固态发酵后，粗蛋白含量分别提升了14.66%与17.12%，纤维素含量分别降低了4.84%和5.82%。两组合中混入酵母培养后，发酵效果更好。卓义敏等［18］研究了DENA工程菌在混菌发酵木薯渣饲料生产中的作用，发现添加DENA工程菌发酵后，产物中各必需氨基酸的含量有较大幅度提升，并能提高发酵效率。艾必燕等［1］以木薯渣为原料，用黑曲霉、根霉R2、绿色木霉混菌发酵，优化发酵工艺，使蛋白质含量增加，提高了木薯渣的利用率。Ganiyu［19］用酿酒酵母和两株乳酸菌混合发酵木薯渣3天，结果其蛋白质含量由未发酵前的8.2%上升到发酵后的21.5%，氰化物和植酸的含量下降明显，分别由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、黄曲霉、烟曲霉、木霉单菌发酵木薯渣，发酵结束后蛋白含量最高的是木霉发酵组，其次是烟曲霉、黄曲霉，最后是黑曲霉。Okpoko等［21］研究了用黑曲霉和乳酸杆菌混合发酵木薯皮对蛋白质及氰化物含量的影响，试验共有六个处理，处理1：黑曲霉、乳酸菌混合发酵；处理2：只接种黑曲霉；处理3：只接种乳酸杆菌；处理4：自然发酵；处理5：浸湿木薯皮不发酵；处理6：不浸湿也不发酵。每个处理3个重复。结果显示，处理1蛋白质含量升高，氰化物含量降低明显；处理6的蛋白质含量最低，氰化物含量最高。Ezekiel等［22］利用绿色木霉液态发酵木薯渣，使其粗蛋白含量由4.21%提高到37.63%，发酵效果明显。Aro和Aletor［23］对木薯废渣的两种形式——木薯淀粉残渣（CSR）和木薯皮（CAP）分别进行微生物发酵研究，CSR的蛋白质含量由发酵前的1.12 g/100 g增加到7.02 g/100 g，粗纤维含量由发酵前的19.20 g/100 g下降到12.06 g/100 g；CAP的蛋白质含量由发酵前的5.30 g/100 g增加到10.94 g/100 g，粗纤维含量由发酵前的38.44 g/100 g下降到5.88 g/100 g。

2 发酵产乙醇

木薯渣含纤维素、半纤维素、淀粉等，可以用来生产酒精。目前国内外利用木薯渣发酵生产乙醇的研究及机理尚不清晰。近年来我国关于木薯渣发酵生产乙醇的研究的主要有：苏小建等［24］研究发酵木薯渣生产乙醇的发酵工艺，优化发酵木薯渣制备乙醇的工艺条件为：料水比1∶4、发酵温度35℃、纤维素酶0.15 g，发酵菌种为高活性干酵母。以最佳发酵工艺发酵木薯渣，在最优发酵时间内乙醇的产量可以高达27.3%。龚信芳［4］研究了酿酒酵母异步糖化发酵木薯渣与同步糖化发酵木薯渣产乙醇的最佳工艺条件，为木薯渣工业化生产乙醇提供了一定的理论基础。赵晓峰等［25］研究同步糖化共同发酵与同步糖化分开发酵木薯渣对乙醇产量的影响，结果发现同步糖化共同发酵优于同步糖化分开发酵，前者产乙醇更多，可达到28.04%。该研究对木薯渣的合理开发利用也具有一定的指导意义。

国外对木薯渣发酵制备乙醇也有研究。Srinorakutara等［26］研究了木薯渣预处理的最佳方法：先用纤维素酶和果胶酶在pH值4.5、温度28℃条件下处理1小时，然后加入α-淀粉酶，将pH值调为5.5，在100℃条件下处理2小时，最后加入葡萄糖化酶，在pH值4.5、温度60℃条件下保持24小时；最后获得的还原糖达到6.2%（W/V）。利用酿酒酵母TISTR 5596发酵酶解产物24小时，可获得相当于理论上产量91%的乙醇。Rattanachomsri等［27］采用同步糖化发酵产乙醇，木薯渣的糖化采用黑曲霉BCC17849产生的混合酶，在40℃、pH 值5.5的条件下保持48小时，可发酵糖产量较高，每克木薯渣糖化后相当于716 mg的葡萄糖、67 mg的木糖，糖化效果比在最佳工艺条件下的商业酶转化效果更好。发酵产乙醇是利用耐热的热带假丝酵母，这两个过程同步进行。发酵30小时后4%（W/V）的木薯渣能产14.3 g/L的乙醇，生产率为0.48 g/L·小时，相当于总淀粉的93.7%或总可发酵糖的85.4%。Kosugi等［28］用一株产糖化酶的酵母菌株酿酒酵母K7G，发酵木薯渣产乙醇。木薯渣先热处理（140℃1小时），然后用里氏木霉纤维素酶水解。在木薯渣中接种K7G，不添加任何能水解淀粉的酶类，结果5%木薯渣和8%的木薯渣组分别能生产91%和80%的乙醇（相对于木薯渣）。Apiwatanapiwat等［29］利用一株通过生物技术改造的能产两种淀粉酶、两种纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酵母菌株发酵木薯渣，结果表明，木薯渣中不需要添加其他任何水解酶类，就可以生产乙醇。Akponah和Akpomie［30］利用酿酒酵母分别发酵酸水解和酶水解的木薯废水，得出pH值、营养成分、发酵天数的最佳组合是提高发酵木薯废水转化乙醇量的关键。最佳发酵组合是pH值5.5、发酵三天、添加NPK（添加效果是：NPK＞NaNO3＞K2HPO4）。

3 发酵产生物酶

目前国内关于用木薯渣发酵制备酶的研究较少。马艳等［31］研究了木薯渣产植酸酶的工艺条件，以木薯渣为唯一碳源，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，培养基中水分含量在60%～65%之间，每10 g木薯渣接种2 mL菌悬液（2.8×108个孢子/mL），培养温度28～31℃，自然pH值，产酶在发酵第8天达到最高值（6 730 U/g干曲）。钟秋平等［32］研究表明利用黑曲霉固态发酵木薯渣产植酸酶的最佳发酵条件为水分含量75%、料层厚度为5～10 cm、菌液接种量1.5%、发酵温度32～32℃，发酵时间6～8天。在此条件下，最高酶活力可达4 189 μmol/分钟·g。此外，还有利用木薯渣发酵产胞外多半乳糖醛酶［33］、α-淀粉酶［34］、果糖基转移酶［35］等研究。

4 发酵产有机酸

木薯渣含有丰富的淀粉、纤维素和半纤维素，充分利用这些多糖既可以缓解能源危机，又可减少环境污染。以木薯渣为原料，利用微生物发酵生产有机酸的研究越来越广泛。我国20世纪90年代有利用木薯渣发酵产柠檬酸的研究［6］，国外有木薯渣发酵产乳酸、谷氨酸柠檬酸［37-38］等的研究。

5 其他应用

除了以上的研究外，还有学者做了其他研究，如利用非生物发酵木薯渣生产无污染的有机肥［7，9，］、厌氧发酵木薯渣产沼气［39］和利用木薯渣栽培食用菌等。

6 前景

木薯渣作为一种重要的工业副产物，目前其利用尚未形成一定体系，造成了巨大浪费，木薯渣发酵的机理以及优化条件也尚未完善；木薯渣在动物生产中的应用可以在一定程度上解决人畜争粮的问题，利用其发酵生产绿色能源则不仅能够保护环境，而且还能节约能源。

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中图分类号：S816.35

文献标识码：A

文章编号：1673-4645（2016）05-0052-04

收稿日期：2015-11-04

作者简介：刘虎（1992-），男，湖南益阳人，硕士生，专业为动物营养与饲料科学，E-mail：15111406674@163.com

*通讯作者：方热军（1963-），博士生导师，E-mail：fangrj63@126.com