木薯渣再利用研究進(jìn)展

劉　虎　湯小朋　方熱軍

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410128）

木薯渣再利用研究進(jìn)展

劉虎湯小朋方熱軍*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410128）

摘要：隨著木薯在我國種植和加工的不斷增加，其副產(chǎn)物——木薯渣也不斷增多，目前木薯渣尚未被充分利用，在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。本文旨在總結(jié)前人研究，對木薯渣的再利用進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：木薯渣；再利用；研究進(jìn)展

木薯又名樹薯、樹番薯，有“淀粉之王”、“地下糧食”的美譽(yù)，與甘薯、馬鈴薯并稱為世界三大薯類。其原產(chǎn)自亞馬遜河流域，于19世紀(jì)20年代引入我國。目前，我國木薯種植面積較大，主要分布在南方多個(gè)省份，其中以廣西產(chǎn)量最高。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）報(bào)道，我國2011年木薯產(chǎn)量高達(dá)450萬噸，并保持了一定的增長速度。木薯加工后產(chǎn)生大量殘?jiān)?，這些殘?jiān)礊槟臼碓?，提取淀粉后的殘?jiān)心臼淼矸墼a(chǎn)酒精后的殘?jiān)心臼砭凭?。隨著木薯加工業(yè)的不斷擴(kuò)大，木薯渣的產(chǎn)量也不斷增加，木薯渣的處理成為木薯加工企業(yè)不得不面對的難題。木薯渣因脂肪及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分低而被認(rèn)為是質(zhì)量低劣的原料物質(zhì)，但其通過合理的生物技術(shù)手段，可以成為一種很有潛力的資源。就目前而言，木薯渣的再利用主要集中在飼料原料［1-2］、乙醇［3］、生物酶［4］、有機(jī)酸［5］、沼氣［6］、堆肥［7］及培養(yǎng)菌類［8］等方面。

1 用作飼料原料

木薯渣含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等動(dòng)物難以利用的成分，粗蛋白含量低（表1［9］），還含有氰化物，適口性較差，制約了木薯渣在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用。

表1　木薯渣的營養(yǎng)成分（干物質(zhì)基礎(chǔ)）?。?%）

1.1鮮飼

木薯渣淀粉含量較高，可以作為能量飼料添加到飼料中去［10］，目前我國很多地方都是直接將木薯渣添加到飼料中飼喂動(dòng)物。研究表明，在奶牛飼料中添加木薯渣對其產(chǎn)奶量及奶質(zhì)量沒有顯著影響［11］；對于單胃動(dòng)物中，因木薯渣纖維素含量高、蛋白質(zhì)含量低、氫氰酸含量高而使用受限［12］。木薯渣含有大量水分，貯存不便，容易發(fā)霉變質(zhì)，引起動(dòng)物中毒或發(fā)病，因此，鮮木薯渣的直接飼喂價(jià)值較低，在一定程度上限制了其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1.2發(fā)酵后飼喂

木薯渣直接飼喂利用率的低下，引起了許多科研工作者對改善其營養(yǎng)價(jià)值（增加蛋白質(zhì)含量，降低纖維素、非淀粉物質(zhì)、氰化物的含量）的興趣［13］。林捷等［14］從自然界中篩選出6株纖維素分解菌（枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、產(chǎn)黃纖維單胞菌、強(qiáng)壯纖維單胞菌、綠色木霉、雜色曲霉）對木薯渣進(jìn)行混菌發(fā)酵，大幅提高了其纖維素酶的酶活及對還原糖的耐受力。湯燕花等［15］研究利用黑曲霉、啤酒酵母混菌發(fā)酵木薯渣，提高了木薯渣的蛋白質(zhì)含量，降低了木薯渣的有毒物質(zhì)含量。劉琨等［16］用工業(yè)化糖化酶和產(chǎn)朊假絲酵母固態(tài)發(fā)酵木薯渣，生產(chǎn)菌體蛋白，使得粗蛋白含量由11.59%提高到28.28%，提升了近17個(gè)百分點(diǎn)。管軍軍等［5］對木薯渣進(jìn)行了霉菌、酵母菌單菌種及混菌固態(tài)發(fā)酵的試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵溫度30℃、發(fā)酵時(shí)間5天、培養(yǎng)基含水量60%、接種比例2∶1（酵母：霉菌）的情況下，混菌發(fā)酵蛋白質(zhì)的含量最高，達(dá)到15.68%，較未發(fā)酵前有明顯提高。李永華等［17］利用紫外突變技術(shù)得到一株黑曲霉菌株GL1，用其固態(tài)發(fā)酵木薯渣，最終纖維降解率高達(dá)45.21%，還原糖產(chǎn)量為435.7 mg/g，改善了木薯渣的品質(zhì)。葛若梅等［3］用木薯酒精渣培養(yǎng)基篩選得到兩組高效降解纖維素、產(chǎn)蛋白能力強(qiáng)的混菌組合：黑曲霉G4、白地霉C15和黑曲霉Q4、青霉C32。混菌固態(tài)發(fā)酵后，粗蛋白含量分別提升了14.66%與17.12%，纖維素含量分別降低了4.84%和5.82%。兩組合中混入酵母培養(yǎng)后，發(fā)酵效果更好。卓義敏等［18］研究了DENA工程菌在混菌發(fā)酵木薯渣飼料生產(chǎn)中的作用，發(fā)現(xiàn)添加DENA工程菌發(fā)酵后，產(chǎn)物中各必需氨基酸的含量有較大幅度提升，并能提高發(fā)酵效率。艾必燕等［1］以木薯渣為原料，用黑曲霉、根霉R2、綠色木霉混菌發(fā)酵，優(yōu)化發(fā)酵工藝，使蛋白質(zhì)含量增加，提高了木薯渣的利用率。Ganiyu［19］用釀酒酵母和兩株乳酸菌混合發(fā)酵木薯渣3天，結(jié)果其蛋白質(zhì)含量由未發(fā)酵前的8.2%上升到發(fā)酵后的21.5%，氰化物和植酸的含量下降明顯，分別由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、黃曲霉、煙曲霉、木霉單菌發(fā)酵木薯渣，發(fā)酵結(jié)束后蛋白含量最高的是木霉發(fā)酵組，其次是煙曲霉、黃曲霉，最后是黑曲霉。Okpoko等［21］研究了用黑曲霉和乳酸桿菌混合發(fā)酵木薯皮對蛋白質(zhì)及氰化物含量的影響，試驗(yàn)共有六個(gè)處理，處理1：黑曲霉、乳酸菌混合發(fā)酵；處理2：只接種黑曲霉；處理3：只接種乳酸桿菌；處理4：自然發(fā)酵；處理5：浸濕木薯皮不發(fā)酵；處理6：不浸濕也不發(fā)酵。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。結(jié)果顯示，處理1蛋白質(zhì)含量升高，氰化物含量降低明顯；處理6的蛋白質(zhì)含量最低，氰化物含量最高。Ezekiel等［22］利用綠色木霉液態(tài)發(fā)酵木薯渣，使其粗蛋白含量由4.21%提高到37.63%，發(fā)酵效果明顯。Aro和Aletor［23］對木薯廢渣的兩種形式——木薯淀粉殘?jiān)–SR）和木薯皮（CAP）分別進(jìn)行微生物發(fā)酵研究，CSR的蛋白質(zhì)含量由發(fā)酵前的1.12 g/100 g增加到7.02 g/100 g，粗纖維含量由發(fā)酵前的19.20 g/100 g下降到12.06 g/100 g；CAP的蛋白質(zhì)含量由發(fā)酵前的5.30 g/100 g增加到10.94 g/100 g，粗纖維含量由發(fā)酵前的38.44 g/100 g下降到5.88 g/100 g。

2 發(fā)酵產(chǎn)乙醇

木薯渣含纖維素、半纖維素、淀粉等，可以用來生產(chǎn)酒精。目前國內(nèi)外利用木薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究及機(jī)理尚不清晰。近年來我國關(guān)于木薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究的主要有：蘇小建等［24］研究發(fā)酵木薯渣生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工藝，優(yōu)化發(fā)酵木薯渣制備乙醇的工藝條件為：料水比1∶4、發(fā)酵溫度35℃、纖維素酶0.15 g，發(fā)酵菌種為高活性干酵母。以最佳發(fā)酵工藝發(fā)酵木薯渣，在最優(yōu)發(fā)酵時(shí)間內(nèi)乙醇的產(chǎn)量可以高達(dá)27.3%。龔信芳［4］研究了釀酒酵母異步糖化發(fā)酵木薯渣與同步糖化發(fā)酵木薯渣產(chǎn)乙醇的最佳工藝條件，為木薯渣工業(yè)化生產(chǎn)乙醇提供了一定的理論基礎(chǔ)。趙曉峰等［25］研究同步糖化共同發(fā)酵與同步糖化分開發(fā)酵木薯渣對乙醇產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同步糖化共同發(fā)酵優(yōu)于同步糖化分開發(fā)酵，前者產(chǎn)乙醇更多，可達(dá)到28.04%。該研究對木薯渣的合理開發(fā)利用也具有一定的指導(dǎo)意義。

國外對木薯渣發(fā)酵制備乙醇也有研究。Srinorakutara等［26］研究了木薯渣預(yù)處理的最佳方法：先用纖維素酶和果膠酶在pH值4.5、溫度28℃條件下處理1小時(shí)，然后加入α-淀粉酶，將pH值調(diào)為5.5，在100℃條件下處理2小時(shí)，最后加入葡萄糖化酶，在pH值4.5、溫度60℃條件下保持24小時(shí)；最后獲得的還原糖達(dá)到6.2%（W/V）。利用釀酒酵母TISTR 5596發(fā)酵酶解產(chǎn)物24小時(shí)，可獲得相當(dāng)于理論上產(chǎn)量91%的乙醇。Rattanachomsri等［27］采用同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇，木薯渣的糖化采用黑曲霉BCC17849產(chǎn)生的混合酶，在40℃、pH 值5.5的條件下保持48小時(shí)，可發(fā)酵糖產(chǎn)量較高，每克木薯渣糖化后相當(dāng)于716 mg的葡萄糖、67 mg的木糖，糖化效果比在最佳工藝條件下的商業(yè)酶轉(zhuǎn)化效果更好。發(fā)酵產(chǎn)乙醇是利用耐熱的熱帶假絲酵母，這兩個(gè)過程同步進(jìn)行。發(fā)酵30小時(shí)后4%（W/V）的木薯渣能產(chǎn)14.3 g/L的乙醇，生產(chǎn)率為0.48 g/L·小時(shí)，相當(dāng)于總淀粉的93.7%或總可發(fā)酵糖的85.4%。Kosugi等［28］用一株產(chǎn)糖化酶的酵母菌株釀酒酵母K7G，發(fā)酵木薯渣產(chǎn)乙醇。木薯渣先熱處理（140℃1小時(shí)），然后用里氏木霉纖維素酶水解。在木薯渣中接種K7G，不添加任何能水解淀粉的酶類，結(jié)果5%木薯渣和8%的木薯渣組分別能生產(chǎn)91%和80%的乙醇（相對于木薯渣）。Apiwatanapiwat等［29］利用一株通過生物技術(shù)改造的能產(chǎn)兩種淀粉酶、兩種纖維素酶和β-葡萄糖苷酶的酵母菌株發(fā)酵木薯渣，結(jié)果表明，木薯渣中不需要添加其他任何水解酶類，就可以生產(chǎn)乙醇。Akponah和Akpomie［30］利用釀酒酵母分別發(fā)酵酸水解和酶水解的木薯廢水，得出pH值、營養(yǎng)成分、發(fā)酵天數(shù)的最佳組合是提高發(fā)酵木薯廢水轉(zhuǎn)化乙醇量的關(guān)鍵。最佳發(fā)酵組合是pH值5.5、發(fā)酵三天、添加NPK（添加效果是：NPK＞NaNO3＞K2HPO4）。

3 發(fā)酵產(chǎn)生物酶

目前國內(nèi)關(guān)于用木薯渣發(fā)酵制備酶的研究較少。馬艷等［31］研究了木薯渣產(chǎn)植酸酶的工藝條件，以木薯渣為唯一碳源，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，培養(yǎng)基中水分含量在60%～65%之間，每10 g木薯渣接種2 mL菌懸液（2.8×108個(gè)孢子/mL），培養(yǎng)溫度28～31℃，自然pH值，產(chǎn)酶在發(fā)酵第8天達(dá)到最高值（6 730 U/g干曲）。鐘秋平等［32］研究表明利用黑曲霉固態(tài)發(fā)酵木薯渣產(chǎn)植酸酶的最佳發(fā)酵條件為水分含量75%、料層厚度為5～10 cm、菌液接種量1.5%、發(fā)酵溫度32～32℃，發(fā)酵時(shí)間6～8天。在此條件下，最高酶活力可達(dá)4 189 μmol/分鐘·g。此外，還有利用木薯渣發(fā)酵產(chǎn)胞外多半乳糖醛酶［33］、α-淀粉酶［34］、果糖基轉(zhuǎn)移酶［35］等研究。

4 發(fā)酵產(chǎn)有機(jī)酸

木薯渣含有豐富的淀粉、纖維素和半纖維素，充分利用這些多糖既可以緩解能源危機(jī)，又可減少環(huán)境污染。以木薯渣為原料，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸的研究越來越廣泛。我國20世紀(jì)90年代有利用木薯渣發(fā)酵產(chǎn)檸檬酸的研究［6］，國外有木薯渣發(fā)酵產(chǎn)乳酸、谷氨酸檸檬酸［37-38］等的研究。

5 其他應(yīng)用

除了以上的研究外，還有學(xué)者做了其他研究，如利用非生物發(fā)酵木薯渣生產(chǎn)無污染的有機(jī)肥［7，9，］、厭氧發(fā)酵木薯渣產(chǎn)沼氣［39］和利用木薯渣栽培食用菌等。

6 前景

木薯渣作為一種重要的工業(yè)副產(chǎn)物，目前其利用尚未形成一定體系，造成了巨大浪費(fèi)，木薯渣發(fā)酵的機(jī)理以及優(yōu)化條件也尚未完善；木薯渣在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用可以在一定程度上解決人畜爭糧的問題，利用其發(fā)酵生產(chǎn)綠色能源則不僅能夠保護(hù)環(huán)境，而且還能節(jié)約能源。

參考文獻(xiàn)

［1］艾必燕，劉長忠，陳建康，等.木薯渣發(fā)酵飼料的工藝篩選［J］.飼料工業(yè)，2012，33（7）:57-60.

［2］陳麗新，黃卓忠.木薯酒精廢渣栽培金福菇試驗(yàn)［J］.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，40（11）: 1473-1475.

［3］葛若梅，李海燕，張惠芬，等.固態(tài)發(fā)酵木薯酒精渣生產(chǎn)生物飼料菌種的篩選［J］.生物技術(shù)，2010，20（2）:82-84.

［4］龔信芳.木薯渣異步糖化發(fā)酵與同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.

［5］管軍軍，張同斌，崔九紅，等.木薯渣生產(chǎn)菌體蛋白的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（22）:9556-9558，9596.

［6］洪葵，劉四新，雷雄飛，等.木薯渣發(fā)酵檸檬酸研究初報(bào)［J］.熱帶作物研究，1996（1）:23-25.

［7］侯憲文，鄧曉，李光義，等.木薯渣堆肥過程中理化性質(zhì)變化和腐熟度評價(jià)［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2009，30（10）:1422-1428.

［8］胡忠澤，劉雪峰.木薯渣飼用價(jià)值研究［J］.安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)［J］. 2002，16（4）:4-6.

［9］李光義，李勤奮，張晶元.木薯莖稈基質(zhì)化的堆肥工藝及評價(jià)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，201l，27（1）:320-325.

［10］Aro SO. Improvement in the nutritive quality of cassava and its by-products through microbial fermentation［J］. African Journal of Biotechnology，2008，7（25）:4789-4797.

［11］Ndubueze AL，Ukachukw SN，Ahamefule FO，et a1. Milk yield and composition of grazing white fulani COWS fed poultry waste-cassavapeel based diets［J］. Pakistan Journal of Nutrition，2006，5（5）:436-440.

［12］Ubalua AO. Cassava wastes:treatment options and value addition alternatives［J］. African Journal of Biotechnology，2007，6（18）:2065-2073.

［13］Tijani IDR，Jamal P，Alam MZ，et a1. Optimization of cassava peel medium to all enriched animal feed by the white rot fungi Panus tigrinus M609RQY［J］. International Food Research Journal，2012，19（2）: 427-432.

［14］林捷，譚兆贊，羅偉誠.利用木薯渣進(jìn)行纖維素分解菌混合發(fā)酵工藝研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005，6（5）:26-29.

［15］湯燕花，謝必峰.利用木薯渣發(fā)酵生產(chǎn)啤酒酵母單細(xì)胞蛋白的研究［J］.藥物生物技術(shù)，2006，13（1）:51-54.

［16］劉琨，賴翠華，童張法.工業(yè)糖化酶固態(tài)發(fā)酵木薯渣制取單細(xì)胞蛋白飼料的研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21（4）:720-724.

［17］李永華，管軍軍.黑曲霉突變株GLl固態(tài)發(fā)酵木薯渣的研究［J］.河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（11）:118-121.

［18］卓義敏，盤柳萍，韓宏明. DENA工程茵在木薯渣飼料生產(chǎn)中的研究［J］.廣西輕工業(yè)，2011（9）:37-38.

［19］Ganiyu Oboh. Nutrient enrichment of cassava peels using a mixed culture of Saccharomyces cerevisae and Lactobacitlus spp solid media fermentation techniques［J］.Electronic Joumal of Biotechnology，2006，9 （1）:46-49.

［20］Obadina AO，Oyewole OB，Sanni LO，et a1. Fungal enrichment of cassava peels proteins［J］. African Journal ofBiotechnology，2006，5（3）:302-304.

［21］Okpoko CE，Ntui VO，Osuagwu AN，et a1. Proximate composition and cyanide content of cassava peels fermented with Aspergillus niger and Lactobacillus rhamnosus［J］. Journal of Food，Agriculture&Environment，2008，6（2）:251-255.

［22］Ezekiel O，Aworh O，Blaschek H，et a1. Protein enrichment of cassava peel by submerged fermentation with Trichoderma viride （ATCC36316）［J］. African Journal of Biotechnology，2010，9（2）:187-194.

［23］Aro SO，Aletor VA. Proximate composition and amino acid profile of differently fermented cassava tuber wastes collected from a cassava starch producing factory in Nigeria［J］. Livestock Research for Rural Development，2012，24（3）:. http://www.lrrd.org/lrrd24/3/aro24040.htm.

［24］蘇小建，謝麗霞，曹子慧，等.木薯渣的發(fā)酵工藝研究［J］.糧油加工，2010（10）:127-129.

［25］趙曉峰，張全，姚秀清，等.木薯渣制各乙醇探索研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（20）:10588-10589，10608.

［26］Srinorakutara T，Kaewvimol L，Saengow L. Approach of Cassava Waste Pretreatments for Fuel Ethanol Production in Thailand［J］. J Sci Res Chula Univ，2006，31（1）:77-84.

［27］Rattanachomsri U，Tanapongpipat S，Eurwilaichitr L，et a1. Simultaneous nonthermal saccharification of cassava pulp by multienzyme activity and ethanol fermentation by Candida tropicalis［J］. Journal of Bioscience and Bioengineering，2009，107（5）: 488-493.

［28］Kosugi A，Kondo A，Ueda M，et a1.Production of ethanol from cassava pulp via fermentation with a surface-engineered yeast strain displaying glucoamylase［J］.Renewable Energy，2009（34）:1354-1358

［29］Apiwatanapiwat W，Murata Y，Kosugi A，et a1. Direct ethanol production from cassava pulp using a surface-engineered yeast strain CO-displaying two amylases，two cellulases，and B-glucosidase［J］. Appl Microbiol Biotechnol，2011（90）:377-384.

［30］Akponah E，Akpomie OO. Optimization of bio -ethanol production from cassava effluent using Saccharomyces cerevisiae［H］. African Journal of Biotechnology，2012，11（32）:8110-8116.

［31］馬艷，洪葵，李枚秋，等.木薯渣固態(tài)發(fā)酵植酸酶的條件研究［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2000，21（2）:58-64.

［32］鐘秋平，周文化，李建娜，等.木薯渣固態(tài)發(fā)酵植酸酶的中試條件［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2004，25（1）:45-48.

［33］Swain MR，Kar S，Ray RC. Exo-polygalacturonase production by Bacillus subtilis CM5 in solid state fermentation using cassava bagasse［J］. Brazilian Journal of Microbiology，2009（40）:636-648.

［34］Shaktimay Kar，Tapan Kumar Datta，Ramesh Chandra Ray. Optimization of Thermostable alpha- Amylase Production by Streptomyces erumpens MTCC 7317 in Solid-state Fermentation Using Cassava Fibrous Residue［J］. Brazilian Archives of Biology and Technology，2010，53（2）: 301-309.

［35］Lateef A，Gueguimkana EB. Utilization of cassava wastes in the production offructosyltransferase by Rhizopus stolonifer LAU 07［J］. Romanian BiotechnologicalLetters，2012，17（3）:7309-7316.

［36］John RP，Nampoothiri KM，Pandey A. Simultaneous saccharification and fermentation of cassava bagasse for L-（+）-lactic Acid production using Lactobacilli［J］. Appl Biochem Biotechnol，2006（134）:263-272.

［37］Thongchul N，Navankasattusas S，Yang ST. Production of lactic acid and ethanol byRhizopus oryzae integrated with cassava pulp hydrolysis［J］. Bioprocess Biosyst Eng，2010，33（1）:407-416.

［38］Jyothi AN，Sasikiran K，Nambisan B，et a1. Optimisation of glutamic acid production from cassava starch factory residues using Brevibacterium divaricatum［J］. Process Biochemistry，2005（40）:3576-3579.

［39］浦躍武，劉堅(jiān).木薯渣厭氧發(fā)酵制取沼氣的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（29）:14308-14310.

中圖分類號：S816.35

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4645（2016）05-0052-04

收稿日期：2015-11-04

作者簡介：劉虎（1992-），男，湖南益陽人，碩士生，專業(yè)為動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)，E-mail：15111406674@163.com

*通訊作者：方熱軍（1963-），博士生導(dǎo)師，E-mail：fangrj63@126.com