工农业废料及其固态发酵利用综述

Pardeep Kumar Sadh，Surekha Duhan，Joginder Singh Duhan

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

1 背景

农业相关产业每年都会产生大量残余物。这些残余物如未经适当处理而直接排放，则可能造成环境污染，危害人体和动物健康。然而，目前多数工农业废料都未得到适当处理和充分利用，这些未处理的废料大量增加了温室气体排放，产生了多种气候变化问题。此外，化石燃料的使用进一步加剧了温室气体(GHG)排放产生的危害。因此，通过更加清洁的替代性可再生生物能源改善环境备受世界各国的关注。农业废料产生了严重的处理问题。例如，果汁行业产生了大量果皮废料、咖啡行业产生了大量咖啡渣废料，而粮食行业则产生了大量谷皮废料。上世纪九十年代，全世界纤维资源总量约为1.472亿公吨，而小麦秆和稻秆废料估算量分别达到了7.092亿公吨和6.733亿公吨。在成分方面，工农业残余物具有较高的营养价值，因此，人们越来越注重对工农业废料实施质控，并将其归类为农业副产物。

多项研究均报道，石榴皮、柠檬皮及核桃青皮等废料可用作天然抗菌剂。有机化合物废料虽然对大气有害，但却是培植食用蘑菇及生产生物能、生物肥等生物基产品的潜在资源。此外，部分农业废料还可用于动物饲料生产。这种废料的成分不尽相同，可能含有大量蛋白、糖分和矿物质等。由于含有丰富的营养成分，这些农业废料不再被称为“废料”，而是被视为其他产品的生产原料。这些原料中的营养素可为微生物的生长提供适当环境。通过发酵，微生物能够重新对这些原料加以利用。工农业废料被用作SSF过程中的载体，用于生产多种有益产品。同时，其还有助于降低可发酵糖生产过程中的食物作物消耗，从而降低生产成本。多项研究表明，农业废料可通过多种微生物转化为糖分。最后，文章概述了可通过SSF工艺实现的工农业废料用途。

2 工农业废料分类

2．1 农业废料

图1给出了两种不同类型的工农业废料，即农业废料和工业废料。农业废料可进一步分为农田废料和加工废料。农田废料是指农作物收割后残留在农田的废料，包括农作物的叶、秆、种子荚和茎等，而加工废料是指农作物加工成替代性有价资源后残留的废料(见表1)。

图1 工农业废料及其类型

表1 工农业废料成分

此类废料包括糖蜜、外皮、甘蔗渣、种子、叶子、茎、秆、壳、浆、须茬、外皮、根等，可用于动物饲料、土壤改良、肥料、生产制造及其他加工等。农田废料的产生量巨大，且大多数未被充分利用。农田废料的适当使用可提高灌溉效率、控制水土流失。在中东地区，小麦和大麦是最主要的农作物。除这两种作物外，世界各地还出产水稻、扁豆、玉米、鹰嘴豆、水果和蔬菜等农作物。农业废料因可得性和与木炭、木头及褐煤成型碳等其他固体燃料不同的特点而有别于其他废料。

2.2 工业废料

果汁、薯片、猪肉、糖果和水果等食品加工业每年都会产生大量有机废料和相关废水。这些有机废料可用于不同的能源生产。随着世界人口不断增加，对食品的要求和消耗也在不断提高。因此，为了满足人们对食物的需求，多数国家的食品饮料行业都经历了显著增长。表2给出了水果工业废料的不同成分，其中包括纤维素、半纤维素、木质素、水分、灰分、碳、氮等，同时，此类成分还可被生化消化，制成沼气、生物乙醇和其他具有商业可用性的产品。在印度，每年约有20%的水果和蔬菜将转化为废料，因为印度的苹果、棉花、大豆和小麦产量较大。因此，随着印度国内农产品产量的增加，农业废料在所有废料中的百分占比也增加了。同样，食品行业产生的废料中含有较高的BOD,COD和其他悬浮物。这些废料中，多数都未经处理和利用，对环境及人体和动物健康造成了危害。然而，这些废料中含有大量有机化合物，可用于生产多种附加值产品，降低生产成本(如表1所示)。

在食用油行业，从作物种子中提取食用油后会产生大量加工废料，这种废料被称为“油饼”。这些行业都造就了这些废料含有高浓度的脂肪、油脂、悬浮物和溶解固体。不同来源的油饼，其成分有所不同(见表3)。同时，油饼也包括不同的种类，例如，菜籽油饼(CaOC)，葵花油饼(SuOC)，椰子油饼(COC)，芝麻油饼(SOC)，芥子油饼(MOC)，棕榈仁饼(PKC)，豆饼(SBC)，花生油饼(GOC)，棉子饼(CSC)，橄榄油饼(OOC)，菜籽饼(RSC)等。这些工农业废料价格相对较低，含有大量可用作替代性发酵基质的成分，应用前景广泛。

表2 水果产业废料成分

表3 油饼成分 (%)

表4 利用不同微生物和工农业废料进行固态发酵的最新研究

3 固态发酵(SSF)

固态发酵是指微生物在无水或接近无水条件下，在不可溶材料或固体基质上生长的所有生物技术过程。

固态发酵常用的基质包括谷物(水稻、小麦、大麦和玉米)、豆类种子、麦麸、纤维材料(如稻草、锯屑或刨花)及多种动植物材料等。此类基质的化合物为聚合物，不溶或微溶于水，但多数成本都很低，且易于获得，同时是微生物生长的集中营养来源。发酵法制备食品是最古老的食品制备方法之一。文献的关键研究表明，固态发酵中的低水量或无水条件具有几个特点，例如产品易于回收、完整生产过程成本低、发酵罐尺寸较小、减少下游处理工作，同时还减少了搅拌和灭菌所需的能量。为使固态发酵过程成功，在开始任何发酵过程前，应该考虑不同的因素，例如微生物、使用的载体、水活性、温度、曝气和使用的发酵罐类型。固态发酵中所使用的微生物可以以单一纯培养物、混合可识别培养物或混合本源微生物的联合体形式存在。某些固态发酵工艺，例如丹贝(tempeh)和安康(oncom)生产，需要微生物选择性生长，例如霉菌需要水分水平较低以便在发酵微生物分泌胞外酶的帮助下进行发酵。表4显示了固态发酵过程中使用的不同微生物，例如真菌、酵母和细菌。在固态发酵中通常使用霉菌以最大化附加值产品的生产，因为它们能在固体基质，如木屑、种子、茎和根上自然生长。但是，为了有效发酵，也可使用需求水分含量较高的细菌和酵母进行固态发酵，但其产率较低。固态发酵为多步骤过程，涉及如下步骤：

(1)基质选择。

(2)通过机械、化学或生化处理对基质进行预处理，以提高结合营养物的利用率，并减少成分大小。例如，粉碎稻草和切碎蔬菜原料，以优化过程的物理方面。但是，预处理成本应与最终产品价值相平衡。

(3)水解主要聚合物基质，例如多糖和蛋白质。

(4)利用水解产物的发酵过程。

(5)最终产物的纯化和定量的下游处理。

3.1 生物燃料生产

由于被用作化石燃料的替代品，生物燃料仍占据举足轻重的地位。前期的研究展示了利用有用的工农业废料生产生物燃料，例如秸秆、红薯渣、锯屑、马铃薯渣、玉米秸秆、甘蔗渣以及甜菜渣。2011年，全球生物乙醇产量增加，达到850亿升。在农业残余物的帮助下，通过减少对森林木质生物质的依赖，有助于减少滥伐森林。此外，农田残余物的收获期很短，这便降低了其持续供应生物乙醇生产的能力。

许多研究已经研究出了利用木质纤维成分材料制备乙醇的方法。Najafi等人还对从不同农作物中提取的各种农业残余物生产生物乙醇进行了研究。Saini等人论述了用于生产第二代生物乙醇的各种农业废弃物。他们重点论述了不同工农业废料的木质纤维素成分的利用。他们得出的结论是，生物燃料是汽油和柴油等各类化石燃料的有用替代品。根据他们对生物燃料的各种生产方法的论述和审查，很明显，木质纤维素类生物燃料不仅具有成本效益，也是未来的环保、替代能源。Paepatung等人开展了另一项研究，即利用不同来源的农业残余物以及香蒲和水葫芦两种杂草生产沼气。

在大多数发展中国家，由于人口的快速增长和工业化的快速发展，对于利用经济的农业残余物生产廉价能源的需求巨大。这些国家拥有大量可供利用的生产生物燃料所需的废料。在酿酒酵母的帮助下，Mushimiyimana和Tal-lapragada利用发酵技术利用蔬菜废弃物生产生物乙醇。他们利用的都是常见的蔬菜废弃物，例如土豆皮、胡萝卜皮和洋葱皮。生产生物乙醇可能是对消耗农业残余物而言的最佳替代品。在印度，由于香蕉假茎废料的可用性极高，利用香蕉茎杆作为生产生物乙醇的底物是一种很好的替代方案。Ingale等人利用香蕉假茎作为底物，对黄曲霉和烟曲霉进行预处理，生产生物乙醇。Maiti等人利用拜氏梭菌，用工农业废料生产丁醇，在工农业废料淀粉工业废水(SIW)发酵96小时后可生成最大量的丁醇，即11.04 g·L-1。因此，利用廉价、生态的农业废弃物生产宝贵的生物燃料，是利用有限的资源满足能源需求的较好途径。

3.2 抗生素生产

抗生素由选择性抑制生长或以较低浓度杀死其他微生物的不同微生物生产得到的物质。各种农业废料可用于生产不同的抗生素。人们使用工农业废料和所生产的抗生素进行了不同的研究。Ifudu使用玉米穗轴、锯屑和稻壳作为原料生产了抗生素(即土霉素)。Asagbra等人以花生壳为原料，利用龟裂链霉菌菌株成功地生产了土霉素。Yang和Swei和Tobias等人还支持利用农业废料生产土霉素。

通过使用来自各种农业废料的低成本碳源，抗生素生产的成本显著降低。这些残余物可用作新霉素和其他抗生素构建的显著替代物。Vastrad和Neelagund研究了在以油料饼为原料(其也被视为工农业废料)的地中海拟无枝菌酸菌 MTCC 14的帮助下，利用固态发酵生产胞外利福霉素B的方法。在不同的工农业废料中，椰子油料饼和花生壳的抗生素产量最高。外部能源的供应被用于提高抗生素的生产。

3.3 单细胞蛋白生产

Mondal等人研究了从水果废料中生产单细胞蛋白(SCP)。他们以黄瓜和橘皮为基质，利用酿酒酵母进行深层发酵生产单细胞蛋白。他们发现，与橘皮相比，黄瓜皮产生的蛋白质更多。因此，利用适宜的微生物可以将这些水果废料转化为单细胞蛋白。从工农业废料的生物转化获得的产品是经济的并且在营养上含有高含量的蛋白质。

3.4 聚(3-羟基丁酸)生产

柑橘类水果在世界各地用于不同的工业目的，如制造果汁和果酱。因此，这些类型的工业也会产生大量果皮残余物或其他形式的废料，但这些柑橘废料可用于发酵，因为它们含有大量的碳水化合物。Sukan等人使用橘皮废料生产聚(3-羟基丁酸)。结果表明，橘皮含有大量丰富的、未利用的工农业废料。他们首次报道了使用橘皮作为单一碳源，使用非常简单的预处理方法生产了聚(3-羟基丁酸)。

3.5 生物表面活性剂生产

油污染地点发现了大量细菌物种，这些细菌物种具有生产对人类有用或有益的产品的能力。Saravanan和Vijayakumar从油污染地点分离出细菌菌株，即铜绿假单胞菌PB3A。他们通过使用诸如蓖麻油、葵花籽油、大麦麸、花生料饼和米糠等农业废弃物，将该菌株用于生产生物表面活性剂。他们通过使用分离的铜绿假单胞菌菌株，将这些废料用作生产生物表面活性剂的丰富替代碳源。

3.6 固定化载体生产

Orzuaa等人对十种工农业废料进行了研究，包括酸橙皮、橘皮、苹果渣、开心果壳、麦麸、椰子壳等。他们研究了各种工农业废料作为固态发酵固定化载体的适用性。在继续研究之前，他们通过物理化学处理对工农业废料进行了表征。最后，Orzuaa等人得出的结论是，在十种工农业废料中，其中包括柠檬、苹果、橙子和椰子等四种废料在作为固态发酵固定化载体方面具有极高潜力。这些工农业废料可以进一步用于提高废料管理的经济优势及环保性。

4 结论及展望

工农业废料或残余物含有丰富的营养成分和生物活性化合物。这种废料成分不尽相同，含有糖、矿物质和蛋白质等，因此，这些废料应该视为“原材料”，而不是其他工业过程的“废料”。这些残余物中的营养物为微生物的大量生长提供了适当的条件。微生物具有以废料为原料进行发酵生长的潜力。工农业废料可用作固态发酵载体，用于生产一系列重要的有益化合物。将农业和基于农业的工业废料作为原料使用，有助于废料循环利用、降低生产成本、保护环境。(农业农村部沼气科学研究所 徐娟 译自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.)