提取路线作为从农业工业残留物中回收淀粉的结构设计变量：综述

《Carbohydrate Polymers》：Extraction route as a structural design variable for starch recovered from agro-industrial residues: A review

　　摘要
农业工业残留物是一个巨大的、不与食品竞争的淀粉储库，目前大部分仍被丢弃或用作饲料。本综述批判性地考察了这种淀粉是如何被回收的，以及回收途径如何改变其性质。原料被分为五大类：根茎类残留物、水果种子和果核、果皮和果肉、谷物和豆类副产品以及级联残留物。提取技术按机制分为机械、化学、酶法或生物法、物理法和联合法，并在产率、纯度和工艺强度方面进行比较。核心论点是：提取在结构上并非中性的——每条途径都会留下结构印记，其定义为相对于来自同一原料的、经最低限度加工的参照物，在分子、短程有序、结晶、层状和颗粒描述符上的变化方向和幅度。这些印记被关联到理化行为以及在薄膜、纳米颗粒、乳液、辅料和食品中的性能，并注明了证据强度。农业废弃物淀粉与商品淀粉进行了基准比较，并考察了经济、安全和监管约束。提出了一种以途径为中心的筛选框架作为可检验的假说。标准化工艺报告、受控的单原料比较、技术经济分析和污染物监测被确定为研究重点。

引言
淀粉是植物的储备碳水化合物，也是全球人类的主要能量来源（Bertoft, 2017）。在工业上，其来源的植物学基础非常狭窄。2012年世界淀粉产量约为7500万吨，主要来自玉米、木薯、小麦和马铃薯，大米产量较小（Waterschoot et al., 2015），这些作物中的每一种都直接参与食品和饲料市场的竞争。与此同时，产生这些淀粉的农业加工业，以及与之并行加工水果和蔬菜的行业，排放出大量含淀粉的残留物。文献报道的单个残留物的淀粉含量来自不同的研究和分析基础，因此仅具有指示性，但数值仍然很高。木薯皮含有约30 wt%的可回收淀粉，木薯蔗渣在干基上约为54%（Anh et al., 2019; Thuppahige et al., 2023）。西米髓废料，即西米棕加工产生的纤维性残留物，淀粉含量为65.7%（Santoso, 2018）。芒果种仁据报道可产出40–60%的淀粉（Akhter et al., 2024; Fontes et al., 2026），菠萝蜜种子总淀粉含量超过50%（Choy et al., 2016），青香蕉皮粉的总淀粉含量为14%，其中55%为天然抗性淀粉（Kaur et al., 2022）。总体而言，这些物流代表了一个具有工业规模、不与食品竞争的淀粉储库，但目前其价值化程度仅为其潜力的很小一部分。

过去十年，这一认识已转化为大量且迅速增长的原始文献。两个不同的研究计划并行开展。第一个是提取工程计划，关注于从棘手、富含纤维、富含酚类且通常高度水合的基质中最大化回收率和纯度，并日益关注在不使用常规湿磨所要求的碱、亚硫酸盐和长时间浸泡的情况下实现这一目标。第二个是材料科学计划，关注于在淀粉的结构层级上对其表征，并将其结构与功能性能相关联。直到最近，这两个计划的沟通一直很薄弱。提取论文通常报告产率、水分和灰分，然后就此结束。表征论文则常常将来源不明的淀粉视为一种植物学常数。

本综述的前提是这种分离是站不住脚的，因为提取在结构上并非中性。研究内部比较——对同一原料应用多种途径——现已在几个系统中提供了直接证据。菠萝蜜种子的碱性浸泡使颗粒尺寸减小约36%，并通过部分表面糊化降低相对结晶度（Luciano et al., 2017）。芒果仁的超声辅助提取将表观直链淀粉含量从28.46 g/100 g提高到36.56 g/100 g，同时将回生粘度从3.34 Pa·s降低到0.50 Pa·s（Mieles-Gómez et al., 2023）。木薯粉磨残留物的亚硫酸盐浸泡产生明显开裂的颗粒，其溶胀和溶解程度高于水提或柠檬酸提取的对应物。相比之下，柠檬酸在三种途径中表现出最高的相对结晶度，为45.96%（Farias et al., 2026）。鳄梨籽的微波-水热处理完全破坏了颗粒结构，将颗粒从5至35 μm减小到2 μm以下，并将90 °C下的溶解度从24.3%提高到93.6–96.8%（Araújo et al., 2020）。在所有这些比较中，原料保持不变，因此差异可归因于分离途径。途径或植物学来源何者在跨原料中占主导地位，尚未得到系统检验。

相反，一些研究表明产率提高和结构破坏是脱耦的。超声处理将豆薯淀粉产率从16.86%提高到24.76%，相对增加46.9%。然而，颗粒形态和X射线衍射（XRD）图谱保持不变。作者将此结果归因于共释放的可溶性纤维的保护作用（González-Lemus et al., 2018）。使用食品级蛋白酶的冻融浸提将碎米淀粉的提取效率提高到69.31%，而传统碱浸提为66.81%，且未改变颗粒形状、糊化或热转变（Choi et al., 2017）。蜡质高粱的酶法分离与湿磨回收率相当，同时将残留蛋白降至0.18–0.22%并提高糊粘度（Huang, Wu, et al., 2025）。这些案例表明，至少对于某些原料，可以选择提取途径来获得目标结构，而不仅仅是目标产率。

若干综述已涉及该领域的部分内容：非常规和热带淀粉来源及其性质（do Rosário et al., 2026; Tagliapietra et al., 2021）、根茎类的提取方法（Dorantes-Fuertes et al., 2024）、环境友好的淀粉改性途径（Maniglia et al., 2021），以及超声（Bei et al., 2026）、高静水压（Zheng, Qin, et al., 2025）、脉冲电场（Milanezzi & Silva, 2024）和深共熔溶剂（Skowrońska & Wilpiszewska, 2022）等单项技术。这些综述以来源或技术作为组织单元，通常将提取性能和淀粉性质并排报告，而不追问一方如何决定另一方。本综述在四个方面有所不同。第一，它把提取途径视为结构设计变量，并定义一个操作性的结构印记，使途径的效果能够以通用格式跨原料进行比较（第6节）。第二，它对证据进行分级，区分研究内部与跨研究比较、农业废弃物特定证据与一般淀粉证据、因果与相关性发现（第1.2节）。第三，它将提取途径直接关联到最终用途性能，而不仅仅通过结构（第8.1节）。第四，它增加了一个可行性层面，将农业废弃物淀粉与商品淀粉进行基准比较，并考察经济、安全和法规，这些因素决定了实验室结果能否转化（第10节）。

提取途径是本综述的主题，而农业废弃物是这一主题最为重要的情境。残留物基质富含纤维、富含酚类、含有矿物质且多变，因此比商品原料需要更强烈或更多样化的分离，分离步骤的结构后果也相应更大。来自常规淀粉的证据仅在提供农业废弃物研究尚未测试的机制时使用，并已如此标注。

本综述围绕这一命题组织。第1.1节陈述综述的范围并定义农业废弃物，第1.2节阐明证据分类。第2节总结原料类别、决定途径选择的基质障碍以及原料变异性。第3节按机制（机械、化学、酶法和生物法、物理法以及联合法）对提取技术进行分类，并比较其性能、强度和放大状态。第4节和第5节分别阐述农业废弃物淀粉的结构特征以及理化、热、流变和消化性质，以商品淀粉为参考。第6节定义每种途径的结构印记，第7节考察结构-性质关系并注明证据强度，第8节将途径和结构关联到应用。第9节将这些关联整合为一个以途径为中心的筛选框架，第10节评估可行性，第11节给出作者的批判性评价和研究重点，第12节总结。

这是一篇批判性的、以机制为导向的叙述性综述，而非系统综述或文献计量综述。研究的选择依据是其对分离途径影响淀粉结构和功能的揭示程度。重点放在研究内部比较上，即对同一原料应用两种或多种途径，因为这样可以分离出途径的效应。关于常规淀粉的研究仅在提供尚未在农业废弃物淀粉上测试的机制时引用，并已如此标注（第1.2节）。未尝试荟萃分析，因为方法和报告基础过于异质，无法合并。

农业废弃物淀粉的操作性定义。在本综述中，农业废弃物淀粉是指从两类材料中的任一类回收的淀粉。第一类是当初级农产品被收获、加工或分级时产生的残留物或副产品物流：水果加工过程中丢弃的果皮、种子和果核，淀粉或果汁提取后剩余的蔗渣、果肉和髓部，磨粉产生的麸皮和碎粒，蛋白分离残留物，等外或废弃农产品，以及先前提取后剩余的固体（级联残留物）。第二类是初级产品收获后仍未被充分利用的植物部位，如香蕉假茎、苎麻根和已砍伐的油棕树干。从非残留物流的整株作物中分离的淀粉，包括未被充分利用的淀粉作物如芋头、天南星科球茎、Mangarito、高粱和黍粒、豇豆和蛾豆、水菱角、莲藕和芡实种子，在此意义上不属于农业废弃物淀粉。关于此类作物的研究仅作为比较对象或机制证据来源引用，并单独标注（第1.2节）。

产率、纯度、直链淀粉含量、相对结晶度、傅里叶变换红外（FTIR）谱带比值、溶胀力和消化性都强烈依赖于植物学来源、品种、水分基准、分析方法、样品制备和报告单位。因此，本文始终采用三个区分。 (i) 研究内部比较，即对同一原料批次应用两种或多种途径并用相同方法分析，被视为途径效应的证据。跨研究比较仅用于指示范围，未经标准化不从中得出定量结论。 (ii) 来自第1.1节所定义的农业废弃物物流的淀粉的证据（AW）与来自整株未被充分利用的非残留物流作物的淀粉的证据（UC）以及来自商品或模型淀粉的一般淀粉证据（GS）区分开来。UC和GS证据用于指示范围或提出有待在农业废弃物淀粉上确认的机制。 (iii) 因果证据分为两个层级。处理级因果发现（Ct）是指在受控条件下应用单一处理，表明处理导致了结果，但当处理同时改变多个结构描述符时，不能确定哪个描述符介导效应。描述符级因果发现（Cd）是指拟议的介导因素在保持其他描述符恒定或受控的情况下变化，例如在一个位点不同的近等基因系、一种淀粉的粒径级分、单一配方变量，或选择性去除和回添实验。当发现基于样本间的协变时，其为相关性发现（R）；当其为未经直接测试的机制解释时，其为假设性发现。将特定描述符决定某一性质的陈述保留给Cd证据。表1至表5带有这些标签，正文在结论依赖于证据等级时均加以说明。产率按原作者声明的基准给出，不进行跨研究标准化。

章节片段
原料分类
农业废弃物淀粉来源分为五组，四组按植物学来源定义，第五组按加工历史定义。未被充分利用的植物部位被归入其基质最相似的那一组，并在表2中如此标识。

这些区别之所以重要，是因为它们能够预测哪种提取障碍占主导地位，从而决定哪种提取路线是合适的。根茎类作物加工残渣包括木薯皮、木薯渣、木薯粉磨制残渣（crueira）、马铃薯皮及……

**提取技术**

本文按释放淀粉颗粒脱离基质的机制对提取路线进行分组：机械与水相分离；化学浸渍，即用碱、酸或还原剂去除或削弱基质成分；酶法与生物释放；物理路线，即通过机械、热能或电能破坏细胞壁；以及联合路线。每个小节首先说明该路线如何释放淀粉颗粒，随后给出研究内的代表性数据。

**农业废弃物淀粉的结构性特征**

表2汇总了主要农业废弃物淀粉在多个尺度上报告的结构性与理化描述符，以下各小节按层级逐级展开。图1和图2展示了全文涉及的结构层次，并附有农业废弃物淀粉的已发表实验数据。表2对每一项条目标明了淀粉所回收的残渣或副产品流，全作物对照品则单独列出。典型数值为……

**水合行为**

膨胀力和溶解度指数作为温度的函数，将直链淀粉含量、结晶稳定性和颗粒完整性整合于单一测量之中。农业废弃物淀粉覆盖范围极广，从高粱品种在85°C时14.8至45.7 g/g的膨胀力（Yan等人，2023），到大多数果籽淀粉介于约8至20 g/g之间（Akhter等人，2024；De Dios-ávila等人，2022；Kaur & Singh，2015）。由于测量温度和方案在不同研究之间有所不同……

**从提取到结构：各路线的结构特征**

定义：我们将提取路线的结构特征定义为该路线相对于同一原料批次中经最小限度加工参考淀粉（通常采用冷水湿法磨制）所产生的一组变化，涵盖五个结构层面的最少描述符集合：分子层面（表观直链淀粉、重均分子量及支链淀粉链长分布）、短程有序（以固定波段对测量并解释为短程……的傅里叶变换红外光谱波段比）……

**支链淀粉链长分布与热行为**

这一关系主要基于来自不同植物来源比较的通用淀粉证据（GS）。在14种稻淀粉中，糊化起始温度和峰值温度与支链淀粉短链的相对贡献呈负相关，而结论温度则与中链相关（Li & Gong，2020），这与短链形成较短双螺旋、在较低温度下熔化的结论一致。该效应可与直链淀粉的贡献分离，后者……

**提取路线、结构与应用性能**

本节首先考察将提取路线与应用相关性质或终端使用性能联系起来的研究（第8.1节，表5），随后按应用领域总结支配性能的结构描述符（表4）。表4对每条证据链注明了其证据是农业废弃物特有的、来自未充分利用的全作物，还是通用证据，以及其为描述符层面因果关系、处理层面因果关系还是相关性证据。

**以路线为中心的选择框架**

第3节提取技术、第4节农业废弃物淀粉的结构性特征、第5节理化、热学、流变学与消化特性、第6节从提取到结构：各路线的结构特征、第7节从结构到性质：关系与证据强度、第8节提取路线、结构与应用性能中的证据，可以按照它们留下的结构特征（表3）而非按……来进行整合，围绕提取路线本身进行归类。

**与商品淀粉的经济可行性对比**

农业废弃物淀粉与一个成熟的商品淀粉行业展开竞争，该行业在2012年从少数作物中生产了约7500万吨淀粉，并具有成熟的供应链（Waterschoot等人，2015）。第4节显示，农业废弃物淀粉在纯度方面可以匹敌商品淀粉，在某些功能细分领域甚至超越后者。然而，经济可行性极少被系统考察。我们仅知晓两项关于农业废弃物淀粉生产的实质性技术经济分析。芒果籽淀粉生产方面……

**对该领域的批判性评估**

该领域远更频繁地测量收率而非结构，这是核心的方法论弱点。许多提取论文仅报告收率、水分、灰分和色泽，便到此为止。然而，第6节汇总的研究内比较表明，应用于同一原料的不同路线在颗粒大小方面可相差约三分之一（Luciano等人，2017），在相对结晶度方面可相差约6个百分点（Farias等人，2026），在后 setback 粘度方面可相差数倍（Mieles-Gómez……

**结论**

农业工业残渣构成了一个规模可观的淀粉储备库，不与粮食生产相竞争，通过多种路线回收这些淀粉在技术上是可行的。研究内比较已确立性能基准：纤维素酶与果胶酶的联合处理从木薯渣中回收了86.55%的残留淀粉；超声波在5分钟内从西米芯废料中获得了71.4%的收率，而搅拌30分钟的收率为60.9%；超声波从指头芋……

**CRediT作者贡献声明**

Chandra Mohan Chandrasekar：审稿与编辑、原始稿件撰写、验证、监督、资源获取、项目管理、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究由美国农业部农业研究服务局ORISE项目（编号：USDA-ARS-SE-2023-0421C）资助。作者还衷心感谢印度科学与工业研究委员会（CSIR）在2017至2021年期间颁发的资深研究员奖学金（编号：09/468/0500/2016/EMR-I），以支持博士学位研究。

Chandra Mohan Chandrasekar