木薯副产物的综合利用现状及发展趋势

张 婷,陈小伟,赵优萍,范昊安,姚 刚,蔡海莺,毛建卫

(浙江科技学院生物与化学工程学院,浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室,浙江省农业生物资源生化制造协同创新中心,浙江杭州 310023)

木薯(ManihotesculentaCrantz,Cassava)又名树薯、南洋薯等,属于双子叶植物纲,属热带和亚热带的块根作物,与甘薯、马铃薯并称之为世界三大薯类,且木薯有“淀粉之王”和“能源作物”之美誉。据国际热带农业研究中心预测,到2020年世界木薯的产量将达2.171亿吨。木薯被种植后或其生产淀粉及酒精的加工过程中会产生大量的木薯副产物,如木薯渣、木薯叶、木薯皮和木薯茎秆等。目前,木薯副产物绝大多数会被当做薪燎直接焚烧甚至被丢弃,这不仅浪费资源,且对环境造成严重污染,这凸显出木薯副产物综合利用的重要性。现有相关文献报道了将木薯渣、木薯叶与木薯皮等作为畜禽饲料[1-3],可解决牧草不足、饲料短缺等问题,在一定程度上可缓解国内外饲料资源匮乏的现状;以木薯渣、木薯皮和木薯茎秆等作农作物基质[4-6],能够使农工们获得较大的经济效益;以木薯叶作菜肴或膨化食品[7-8],可减少粮食危机。本文通过对木薯副产物发展动态的了解,阐述了木薯渣、木薯叶、木薯皮、木薯茎秆的资源化利用现状,旨在为木薯的高值化利用以及进一步开发利用功能化酵素提供理论依据。

1 木薯渣

目前我国木薯渣的产量为150万吨/年[9],其主要由木薯外皮、内部的薄壁组织及大多数有毒的生氰糖苷类等构成,主要分为木薯酒精渣和木薯淀粉渣,其营养成分多样,富含淀粉、纤维和少量脂肪、蛋白质等。此外,木薯渣还富含多种有益于各种动物生长发育的微量矿物质元素,如Fe、Mn、Zn和Cu等。不同来源的木薯渣营养物质及其含量见表1[10]。从表1可知,木薯酒精渣与木薯淀粉渣的营养成分差异较大,酒精渣中的粗纤维、粗灰分、粗蛋白及粗脂肪含量,以及铁、锰、锌、铜矿物质元素含量高于淀粉渣。木薯渣营养物质含量的差异,主要受木薯加工工艺的影响,加工工艺不同,所得的木薯成分也存在一定差异。

表1 不同来源的木薯渣营养物质及其含量 Table 1 Nutrients and contents of cassava residue from different sources

1.1 木薯渣生物饲料

目前,国内外学者正在寻求新型的天然饲料添加剂,用于代替危害动物乃至人类健康的抗生素和生长促进剂等,以降低单胃动物和反刍动物的患病率,提高其生长速率。现已有相关文献[11-15]报道,木薯渣可作为生物饲料,用于饲喂鸭、鹅、鸡、鱼、兔、猪、牛、羊等。由此可见,木薯渣作为单胃动物和反刍动物生物饲料的应用发展十分迅速。但木薯渣含水量较高,不耐保存,易发霉变质,且木薯渣中纤维素、木质素及半纤维素等含量较高,还含少量有毒物质氰化物,在一定程度上限制了动物的采食量。因此木薯渣并不适合作为饲料直接喂食,需将其进行一定的加工处理,以达到木薯渣的利用率最大化及无害化的目的。

1.1.1 发酵木薯渣 发酵是解决木薯渣营养利用率、降低毒性成分的主要方法。由于木薯副产物中的主要成分绝大多数都是粗纤维,而动物自身分泌的消化液内没有分解纤维类的相应酶,所以不利于动物的生长发育。因此需益生菌或其他微生物分解木薯副产物中纤维素类,从而提高单胃与反刍动物的采食量,促进其生长。徐元庆等[16]将热带假丝酵母和地衣芽孢杆菌等复合益生菌添加至日粮中,增加了中国荷斯坦后备牛的采食量,降低了血清中免疫球蛋白浓度。目前,国内外相关研究主要集中于单菌发酵木薯渣,Zhao等[17]研究以黑曲霉在38 ℃下发酵木薯渣,发现料液比1∶1.3 (m/V),发酵4 d后效果最佳,其粗蛋白含量增加了43%,粗脂肪含量上升了75%,还原糖含量提高至7.34%,这有效改善了木薯渣的营养品质。

为降解木薯渣中的粗纤维与氰化物等抗营养因子,Song等[18]利用黄孢原毛平革菌、硬毛盖孔菌、杂色云芝、糙皮侧耳和刺芹侧耳等白腐菌对木薯渣进行生物处理。研究发现,利用杂色云芝分解木薯渣中木质素,使其降解率降至42.14%,且糙皮侧耳对木薯渣中氰化物的降解能力较强,最终其含量仅为4.52 mg/kg。众多研究表明,混合菌种发酵木薯渣比单一菌种发酵的效果更好。魏立民等[19]以2000 mL/t混合菌种发酵木薯渣。研究发现,发酵木薯渣的粗蛋白质含量较自然发酵的木薯渣增加了19.84%,同时减少了中性和酸性洗涤纤维含量,依次为9.78%、6.02%。这与Tang等[20]的研究结果一致。这说明部分微生物协同使用,不仅可提升木薯渣的营养品质,延长其储存时间,还可代替各种动物日粮中的部分饲料。以上研究均表明,发酵会使得木薯蛋白含量增加,纤维素含量降低。前者增加的原因可能是淀粉酶和纤维素酶的一些细胞外分泌物[21],或是细菌/真菌复合而成的单细胞蛋白[22];而后者减少的原因可能是细菌和白腐真菌、软腐真菌及褐腐真菌等微生物会合成纤维二糖脱氢酶,使不可溶的粗纤维转化成葡萄糖、纤维二糖等可溶性糖类[23]。如今在饲养单胃与反刍动物等方面已取得了较好效果,进而能够缓解国内外饲料资源极为短缺的现象。

1.1.2 发酵木薯渣在动物饲养上的应用 发酵木薯渣能提高单胃动物的生长性能,维持其肠道微生态,增强其免疫力和抗应激力,还可降低养殖成本,创造更显著的经济效益。如Feng等[1]发现,10%发酵木薯渣添加至日粮中饲喂肉鸡,其发病率较基础日粮组降低了12%,日均增重量、日采食量分别提高了7.02%、5.95%,且毛利润提高了28.36%。发酵木薯渣还能提升养殖环境,促进动物生长。Jiang等[11]以发酵木薯淀粉渣替代肉鸭的部分全价饲料,这降低了养殖环境中H2S、NH3浓度,且其效果随木薯渣添加量的增加而增加。木薯渣不仅可代替鸡和鸭的部分饲料原料,也可作为新型饲料原料在鱼的养殖上加以运用。据报道,张伟涛等[13]分别采用五种发酵木薯渣添加至罗非鱼饲料中,这可使鱼体具备良好的防病力及维持肝功能正常,从而促进罗非鱼的正常生长。可见,发酵木薯渣饲料有利于单胃动物的养殖,提升了木薯渣饲料化的应用价值。

木薯渣在反刍动物饲养上的应用也较广泛。牛、羊等反刍动物由于具有独特的瘤胃结构和奇特的消化生理功能,能够以瘤胃微生物帮助自身利用饲料中难以消化的粗纤维,从而更好地吸收木薯渣饲料中丰富的营养物质。唐春梅等[14]发现,7%木薯酒精渣日粮组的育肥牛日均增重及经济效益均最高,比对照组分别增加8.45%、38.82%,且对育肥牛的血液指标无不良影响。而饲喂湖羊时,以20%发酵木薯酒精渣的育肥羊效果是最佳[15]。这说明不同动物的食性及消化代谢体制有所差异,因此饲料中木薯渣的最佳用量也相应有所不同。每年产量极高的木薯渣若经复合益生菌有效降解后,就可能成为适口性极佳的饲用酵素,这不仅降低饲料了成本,解决了饲料原料不足的问题,减少环境污染,而且极大改善了木薯渣饲料的营养价值。

1.2 木薯渣农作物基质

现有相关文献[4,24-27]报道,木薯渣可作蔬菜瓜果及食用菌等基质。

1.2.1 蔬菜瓜果基质 木薯渣含有生长素与赤霉素等植物生长调节剂,可促进植物种子的发芽及根茎叶等器官的发育。大量研究表明,木薯渣可作辣椒、甘蓝、黄瓜和番茄等经济作物的主要栽培基质,如今在生产上已大规模运用。由于木薯渣存在体积质量和总孔隙度较低、pH较高等缺陷,因此其需与其他基质混合,以改善自身的理化性状,进而栽培出最优质的农作物。如王林闯等[4]以木薯渣、椰糠、蛙石和珍珠岩为基础原料,以有机肥、硫酸亚铁和硝酸钙等辅料配制而成的育苗基质育辣椒苗,发现其出苗率达到了93.6%,叶绿素量提高了38.0%,同时茎粗、株高及壮苗指数等指标均有明显的提升。这与在甘蓝育苗[24]上的应用效果类似。徐刚等[25]以体积比2∶1∶1(木薯渣∶草炭∶蛭石)作为栽培黄瓜的最佳复配基质,这与彭天沁[26]的研究结果一致。但Li等[27]发现,体积比4∶1∶3(木薯渣:醋糟∶蛭石)复配基质育番茄苗的作物效果最佳。这说明不同辅料基质及不同经济作物的生长特性在一定程度下会影响复配基质的最佳比例。

1.2.2 食用菌基质 据文献报道,木薯渣还可栽培木耳[28]、真姬菇[29]和鸡腿菇[30]等食用菌,食用菌是我国第五大农作物[31]。这不仅可变废为宝,还能够提高各种菌丝品质,且栽培食用菌后的剩余菌渣又可回归至木薯种植地,实现木薯资源的循环利用,或用来加工生物饲料、二次栽培农作物,或作为燃料及作为土壤调理剂等,为薯农带来额外的附加经济效益,从而促进木薯及食用菌等农作物产业的经济发展。但木薯渣质黏、通透性较差。韦仕岩等[32]以木薯酒精渣中添加适量的谷壳、玉米芯等辅料,以改善培养料的通透性,促进平菇、姬菇和茶树菇等菌丝生长。Qin等[33]以70%木薯酒精渣为主料,以15%棉籽壳及12%麸皮为辅料,栽培13种草菇,结果发现草菇V9菌丝生长强势,其生长速度可达到14.86 mm/d,且具有子实体较大、菌膜较厚、难以开伞等特征,其产量和生物转化率均为最高值。这说明木薯酒精渣最适栽种草菇V9。因此只要加入适宜添加量的辅料,就能以木薯酒精渣为原料栽培不同品种的优质食用菌。

农用酵素是利用细菌、酵母菌、放线菌及丝状真菌等酵素菌的生物发酵技术,将农副产品的副产物转化为有益成分,提高土壤中的有机质和腐殖酸含量,专门用于种植养殖的专用酵素产品;农用酵素能够满足经济作物及食用菌等营养需要,使农产品品质更安全更健康,有益于人畜的生长与环境的保护[34-35]。因此可采用酵素菌以高效利用木薯渣等副产物,进而生产出适合不同农作物生长或土壤营养的农用酵素,这不仅防治环境污染,节约资源,降低生产成本,还减少化肥与农药的使用量,进而提高农产品的产量与品质。

2 木薯叶

木薯叶富含蛋白、纤维、脂肪及矿物质等营养物质,其价值可与绝大多数的热带豆科牧草相似。目前,国内外将木薯叶作为鹅、猪、鱼、牛、羊和蚕类等饲料的相关报道较多,且均取得了良好效果。再加上其主要氨基酸的组成较均衡,也可供人食用。此外,木薯叶还含有丰富的酚类、醌类、黄酮类和甾体皂苷等生物活性物质,其市场前景极为广阔。木薯叶的营养物质及其质量分数比较见表2[36]。由表2可知,木薯叶中干物质含量为38.20%～45.80%,粗蛋白含量为19.70%～38.10%,粗纤维含量为8.30%～27.40%,粗灰分含量为4.00%～7.90%,粗脂肪含量为3.80%～6.80%。木薯叶各类营养物质含量存在一定差异,主要与木薯品种、生长环境、气温、湿度变化等因素相关,尤其受木薯叶成熟度的影响。随着木薯叶的成熟,其粗蛋白质含量减少,而其脂肪、灰分、纤维含量增多。

表2 木薯叶的营养物质及其质量分数(以干物质基础计)

2.1 木薯叶生物饲料

除木薯渣是主要饲料的来源外,含高能量的木薯叶同样能够作为生产饲料的原料。目前,国内外学者主要研究了木薯叶饲料原料的最佳添加量及其对动物的生长特性影响。Iheukwumere等[2]将日粮中添加5%木薯叶饲喂肉仔鸡后,发现肉仔鸡的采食量、体增重、饲料转化率及总血清白蛋白、血红蛋白显著高于添加10%和15%木薯叶组(p<0.05),且不影响其生长发育、血液化学及产肉量。木薯叶经简单的干燥粉碎等加工过程后,可达到明显降低其单宁、氰化物等有毒物质含量的效果。Mao等[37]以添加5%木薯叶粉日粮饲养杂交鹅时,发现不仅不会影响杂交鹅的健康及血液生理指标,反而其生长性能能够达到最佳效果。现有许多文献报道,用木薯叶饲喂单胃动物均取得了良好效果,这可能与木薯叶富含黄酮类化合物有关。鉴于Hao等[38]提取木薯叶中黄酮类化合物的方法,吕飞杰等[39]发现,与商品鱼饲料相比,木薯叶乙醇提取液使图丽鱼、罗非鱼的存活率分别达到90%、100%,使罗非鱼的血清溶菌酶含量提高了7.08%,将罗非鱼的碱性磷酸酶活力降低了17.86%。

除了可用作单胃动物的饲料外,木薯叶还可作为反刍动物的饲料。Thang等[40]利用木薯叶饲料直接饲喂杂交牛时,发现牛的采食量、中性洗涤纤维消化率及氮滞留率降低,导致牛生长速率变缓慢。这可能由于木薯叶中有机质量较低、氢氰酸量较高所造成的。因此木薯叶也需经生物发酵技术以达到降解抗营养因子的效果。Oni等[41]以木薯叶作主料,添加5%糖蜜后的青贮饲料中蛋白质、干物质含量分别降低了4.38%、5.35%,且分别加入糖蜜、笼层废弃物添加剂后,其HCN含量依次减少至84.7、89.3 mg/kg。这说明青贮木薯叶与5%糖蜜、笼层废弃物的搭配,可改善侏儒山羊的青贮条件和瘤胃参数。

木薯叶不仅是营养较均衡的单胃动物、反刍动物饲料原料,还可用来饲养蚕类等昆虫。Long等[42]研究的SC9木薯鲜叶中氢氰酸(HCN)含量较低,故其可作家蚕饲料。罗群等[43]以木薯叶饲养熟蚕、预蛹及蛹,结果发现其氨基酸、蛋白质含量分别高于蓖麻叶饲养的,其中木薯叶饲养熟蚕的氨基酸、蛋白质含量最高,依次为14.42%、18.70%。木薯叶饲养蛹的无机元素含量是最丰富,而木薯叶饲养预蛹的总糖含量最低,为0.34%。由此认为,若食用含低浓度氰化物的木薯叶饲养的熟蚕、预蛹和蛹后,均不会使人中毒,且该产品又符合当今世人所追求的高蛋白、低脂肪和低糖度等食用标准。另外,吴俊才等[44]以25%中草药红茶菌处理的木薯叶养殖黄粉虫幼虫后,发现其成活率最高,可达到96.67%,且幼虫的增重效果最佳,平均每日增重率为28.20%。这说明经低浓度的中草药红茶菌处理木薯叶后,会使黄粉虫对木薯叶的食欲大增,且促进木薯叶在黄粉虫体内的消化吸收,从而促进黄粉虫的生长。

2.2 木薯叶加工食品

Kubo等[45]发现,木薯叶是巴西帕拉洲当地人极为青睐的菜肴,且其富含显著抗氧化性的芦丁与槲皮素3-芸香苷,且含有穗花杉双黄酮、二氢黄酮甙、儿茶素和山奈酚等[46]多种活性物质。据有关报道,木薯叶的保健功能可能与其含有丰富的黄酮类化合物有关,如能调节血脂、抗炎抑菌、抗氧化、抗肿瘤及抗病毒等[47-48]。已有学者对木薯叶中黄酮的提取方法进行了优化,雍梁敏等[49]采用碳酸氢钠浸提法,得到黄酮提取的最佳条件为浸提温度79.65 ℃,浸提时间11.82 min,加水量30.77 mg/L,在此条件下木薯叶中总黄酮的提取率达到11721.7 mg/kg。木薯叶中活性物质除了黄酮类,还有类胡萝卜素,如富含抗癌延衰老、提高免疫等功效的β-胡萝卜素[50]。据相关报道,鲜木薯叶中含483～880 mg/kg的β-胡萝卜素[51]。木薯叶中β-胡萝卜素不仅含量丰富,且具有良好的生理功能。Siqueira等[52]发现,木薯叶粉中β-胡萝卜素能够维持鼠生长,还能够促进鼠肝脏中维生素A的合成,但食用鲜木薯叶前应将其进行脱毒。Fasuyi[53]采用不同的处理方法降解木薯叶中氰化物,结果发现木薯叶日晒后并切碎膨化是最有效的加工方法。目前,国内外学者不仅研究了木薯叶中的各种功能性成分提取方法及其生理功能,而且在木薯叶加工食品方面也进行了一系列研究,如以木薯叶粉、基料、水和植物油混合后进行挤压膨化制成了木薯叶膨化食品[7];以木薯叶粉和黄豆作为原料进行发酵,生产出风味独特,滋味鲜美的木薯叶豆腐乳[8]。可见木薯叶可作为供人食用的膨化食品或烹调的菜肴。

据有关报道,食用酵素[54]是以益生菌来发酵蔬菜、菌菇、水果和中草药等,从而生产出富含多种活性酶及次生代谢物等营养成分的功能性食品。开发木薯叶中黄酮类化合物、类胡萝卜素等营养保健成分,研发木薯叶相应产品的,不仅可减少粮食危机,减少环境污染,还有益于人的身心健康。

3 木薯皮

利用木薯进行加工其淀粉或酒精时,去皮是必要流程。木薯皮营养物质及其质量分数见表3[55]。表3可知,木薯皮中粗淀粉为28.90%～37.00%、粗蛋白含量为25.00%～28.20%,粗纤维含量为14.00%～19.90%。VC含量为119.00～261.00 mg·kg-1,β-胡萝卜素含量为2.80～6.30 mg·kg-1。可见,从营养物质的角度出发,木薯皮也可作为饲料加以利用。

表3 木薯皮营养物质及其质量分数Table 3 Nutrient substance and mass fraction of cassava peelings

3.1 木薯皮生物饲料

国内外已有将木薯皮作为生物饲料,提高动、植物产量的相关研究。据报道,Ubalua等[56]将木薯皮经植物乳杆菌、肠串珠菌、酿酒酵母及粟酒裂殖酵母等混合菌种发酵3 d后,发现发酵木薯皮的粗蛋白量从5.4%增加至17.2%,且以发酵木薯皮喂养罗非鱼后,罗非鱼重量增加了50%。另外,木薯皮在反刍动物的饲养上同样有应用。如Olorunnisomo等[3]发现添加木薯皮的青贮饲料饲喂索科托山羊后,山羊的血糖水平维持在2.44～3.09 mmol/L,血红细胞含量在14.57～16.11×1012个/L的健康水平。结果表明,在饲料资源不足的热带地区,象草和木薯皮可作优质的青贮饲料原料,以改善热带山羊的产量。

3.2 木薯皮农作物基质

木薯皮虽含有大量粗纤维及有毒物质氰化物,但其作为栽培基质,却具有容重较小、大小孔隙比偏大的优势。木薯皮作农作物基质的研究和应用已取得一定成果。苏天明等[5]发现,甘蔗套种花生(化肥配施半量木薯皮和半量鸡粪)处理组比甘蔗单种化肥组增收3904.2 kg/hm2的花生,使花生粗脂肪量达51.3%,其纯收益增加至17442.15元/hm2。现相关报道,利用发酵木薯皮作为基质,已成功栽培了黄瓜等农作物。如Chen等[57]发现,EM菌和酵素菌适宜作为木薯皮的发酵菌,且8∶2(木薯皮∶砂子)比例用于黄瓜育苗效果较佳。木薯皮还可作多种食用菌的栽培基质。如劳有德[58]以木薯皮成功栽培了草菇。其中pH为11时,培养基出菇最早,且其生物效率最高,可达19.9%。且发酵木薯皮可栽培杏鲍菇[59]、长根菇[60]和杨树菇[61]等食用菌。另外,发酵木薯皮还成功栽培出龙血树、散尾葵及鱼尾葵等盆栽观叶植物[62],具有较大的经济效益。

4 木薯茎杆

将木薯茎杆作为农作物基质,如作为食用菌基质,能够满足多种食用菌的生长需求,提高食用菌的产量。木薯茎秆每年产量约为329.94万吨[63],且其质地疏松,吸水性良好,其培养基能满足各种农作物幼苗或菌体子实体生长发育的基本营养需求。因此,木薯茎杆可用于发展瓜果蔬菜的农作物基质以及食用菌的培养基质。据报道,木薯茎秆可用于番茄、黄瓜和茄子育苗[64],同时也是栽培毛木耳[65]、秀珍菇[66]和金福菇[67]等食用菌的好原料。目前,国内外学者关注并研究了不同比例木薯茎秆对不同食用菌的菌丝效果及经济效益的影响。如Wang等[6]分析不同比例木薯茎秆栽培的黑木耳、平菇和榆黄蘑分别对其含海藻糖量的影响,研究表明,以31.2%木薯茎秆作食用菌基质时,平菇中的海藻糖含量最多,其达到250.3 mg/g,其次是黑木耳。这说明食用菌种类及木薯茎秆的比例同时会影响海藻糖含量的高低。在综合评价木薯茎秆栽培各种食用菌的最佳比例时,不仅要看食用菌中海藻糖含量,同时还应考虑菌丝生长指标、食用菌的产量及利润。吴章荣等[68]以6种不同配方栽培杏鲍菇,发现以70%木薯茎秆,13%棉子壳的复合配方栽培后的杏鲍菇盖小,现蕾数多,果实体柄长等效果极为理想,且杏鲍菇的转化率及获利指数最高,分别达到76.40%、4.52。这与黄雪星[65]的研究结果类似,而有异于Wang等[6]研究结果,说明了栽培不同食用菌时,所需木薯茎秆基质的最佳比例也所不同。另外,木薯茎秆还可粉碎还田,以18000 kg/公顷处理土壤肥力的效果极好[69]。

5 展望

目前国内外市场上木薯副产物呈快速发展的态势,但仍有许多问题亟待深入探讨。从产品的安全及营养角度考虑,以木薯渣、木薯叶及木薯皮作生物饲料资源,除了应注意木薯副产物中抗营养因子障碍,还需注意饲料的营养均衡问题。若将木薯副产物大规模地应用于生产食用酵素、饲用酵素和农用酵素,则存在发酵菌的有效筛选、发酵工艺的确定及产品的标准化等难题。另外农用酵素涉及的酵素菌能否抑虫,其效果与机理仍尚需深入研究。同时利用体外或体内模拟揭示木薯副产物食用酵素、饲用酵素和农用酵素的作用机制,并在此基础上有目的性地改造、设计或生产最优酵素,成为今后重要的研究。对木薯副产物生产的食用酵素、饲用酵素和农用酵素等产品质量进行安全风险评估,通过识别分析该酵素产品在其生产加工及摄食等环节的潜在危害及特性,建立恰当模型对木薯副产物抗营养因子进行暴露评估等,为酵素产品中的有毒物质作出风险评价,也是之后的研究重点。以木薯副产物发展酵素产品是未来的重要发展方向之一,若以资源丰富的木薯副产物作为新型的功能性酵素资源,成功生产食用酵素、饲用酵素和农用酵素等高附加值产品,不仅能够达到节约资源和保护环境的目的,还能够实现木薯副产物的高价值资源化利用,为木薯副产物的国际市场开拓提供了新途径。