《BioTech》：Oat Hulls: Under-Utilized Biomass for Fermentative Generation of Value-Added Products
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燕麦（Avena sativa L.）通常被认为是一种健康营养的谷物，并且由于燕麦奶作为一种替代性营养饮品的兴起而获得了更多关注。然而，在燕麦加工过程中，会产生约20–30%的燕麦壳。这些副产物价值较低，少量用作饲料或燃烧，或者直接被丢弃。食用燕麦壳的一个缺点
燕麦（Avena sativa L.）通常被认为是一种健康营养的谷物，并且由于燕麦奶作为一种替代性营养饮品的兴起而获得了更多关注。然而，在燕麦加工过程中，会产生约20–30%的燕麦壳。这些副产物价值较低，少量用作饲料或燃烧，或者直接被丢弃。食用燕麦壳的一个缺点是其因高二氧化硅含量而具有磨蚀性，但除此之外，在升级循环的背景下，它为来自制粉工业的副产物通过生物转化为增值产品提供了重要机遇。本综述探讨了燕麦壳的部分理化性质，并讨论了诸如固态发酵（SSF）、半固态发酵（Semi-SSF）和深层发酵（SmF）等发酵体系，以将燕麦壳分解和组织化成为可用于食品、饲料或宠物食品的有价值产品。我们还讨论了三种发酵体系（SSF、Semi-SSF和SmF）及其在燕麦壳增值方面的潜力。随着对真菌蛋白兴趣的增加，我们还探讨了可食用真菌作为理想的微生物，不仅能够降解燕麦壳并提高营养素生物利用度，还能贡献微生物蛋白。
1. 引言
燕麦（Avena sativa L.）被视为健康营养的谷物，其需求因燕麦奶等产品的流行而持续增长。全球燕麦产量近十年呈现波动趋势，主要产区集中在温带地区，加拿大以约340万吨产量位居首位。燕麦加工过程中产生的20–30%的燕麦壳目前主要用于低值动物饲料、燃烧发电或直接废弃，未能实现高收益利用。近期研究尝试将其用于食品包装、生物吸附材料、生物塑料填料以及通过发酵生产细菌纤维素或木聚糖酶，但用于人类消费的研究仍有限。燕麦壳富含木质纤维素成分（纤维素、半纤维素、木质素），同时含有灰分、蛋白质、脂类、淀粉及硅酸（水合形式的二氧化硅），其磨蚀性源于硅质材料的存在。尽管硅含量可通过处理降低至更适宜食用的水平，且少量硅具有促进胶原蛋白生成的健康益处，但燕麦壳仍需开发可持续的清洁标签解决方案以实现其作为食品配料的转化。发酵方法被认为是实现燕麦壳增值的最具可持续性和成本效益的途径，本研究聚焦于真菌发酵体系，包括固态发酵（SSF）、半固态发酵（Semi-SSF）和深层发酵（SmF），旨在开发适用于人类食品和宠物食品的配料。
2. 发酵前燕麦壳的预处理
与富含淀粉的底物不同，燕麦壳因木质纤维素结构需进行预处理以释放营养物质。早期研究侧重于通过酶解等方法水解燕麦壳以释放葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等可发酵糖，进而生产生物乙醇、酶制剂和有机酸等产品。例如，采用4%硝酸预处理后结合酶解和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）同步糖化发酵，可获得0.428 g乙醇/g纤维素的产率；微波辅助深共熔溶剂（DES）预处理结合稀硫酸水解，可产生51.14 g/L的可发酵糖和低聚木糖（XOS），并通过黑曲霉（Aspergillus niger）深层发酵获得60.45 U/mL的菊粉酶。然而，这些化学和物理处理方法成本高、能耗大，且面临放大挑战。相比之下，更经济的路径是直接以发酵后的燕麦壳作为最终产品，使微生物本身成为终产品的一部分，从而规避酶解和水解残渣回收的成本。直接发酵路径可能仍需粉碎步骤以提高底物可及性，但需根据所选菌株优化工艺参数。
3. 发酵体系及其在燕麦壳增值中的潜力
发酵体系主要分为固态发酵（SSF）、深层发酵（SmF）以及介于两者之间的半固态发酵（Semi-SSF）。SSF以无自由流动水的固体基质为特点，适合真菌等微生物的生长，操作简单且成本低廉，但传热传质受限；SmF为全液态培养，可实现pH、溶氧等参数的精确控制，但资源消耗大、成本高；Semi-SSF呈浆状稠度，兼具两者优势，尤其适用于含水量高的难处理底物。三种体系在微生物生长、传热传质、过程控制和放大可行性方面存在显著差异，可根据底物特性和目标产品选择合适的体系。
4. 燕麦壳的固态发酵（SSF）
静态固态发酵（sSSF）因其简便低成本而被广泛应用。研究表明，利用粗糙脉孢菌（Neurospora intermedia）进行SSF可提高燕麦壳的蛋白质含量，且发酵产物在原型食品配方中赋予独特风味特征。采用粗糙脉孢菌和米根霉（Rhizopus oryzae）共培养的方式进一步提升了蛋白质含量，并将发酵燕麦壳以0–25%（w/w）的比例加入格兰诺拉麦片棒中进行感官评价，获得积极反馈。另一项研究使用细磨燕麦壳和少孢根霉（Rhizopus oligosporus）进行SSF，将发酵产物以10%（w/w）比例加入饼干和布朗尼蛋糕中，感官评价未发现不良味道。此外，利用双孢蘑菇（Agaricus bisporus）菌丝体对粗磨燕麦壳进行SSF，蛋白质含量从对照组的35%显著提升至20%。
5. 燕麦壳的半固态发酵（Semi-SSF）
相较于SSF，半固态发酵在燕麦壳处理中的应用报道极为有限。对于完整或粗磨燕麦壳，常规SSF足以满足传热传质需求；但对于细磨至面粉状稠度的燕麦壳，其糊状特性限制了热量、质量和氧气传递，因此Semi-SSF成为理想选择。现有研究已证实水分含量和粒径对SSF效率的影响，表明Semi-SSF在处理燕麦壳这类难降解底物方面具有巨大潜力，但需进一步深入研究以确认其在木质纤维素降解、真菌蛋白含量增加、氨基酸谱改善以及感官属性方面的有益变化。
6. 燕麦壳的深层发酵（SmF）
深层发酵常被误解为需要将营养物质溶解才能被微生物利用，因此多数研究设计先通过酸解和酶解制备水解液再进行SmF，或进行同步糖化发酵。例如，利用重组酿酒酵母菌株将燕麦和大豆壳水解液中的木糖在厌氧条件下转化为乙醇和木糖醇。然而，水解液的制备增加了加工成本，大规模应用中难以维持可持续性。使用细磨燕麦壳和真菌菌丝体进行SmF仍是生成有价值产品的理想体系，尽管其资源需求高于SSF或Semi-SSF。
7. 燕麦壳在食品、饲料和宠物食品中的增值机会
近期研究已证明燕麦壳经生物转化可作为食品配料。其磨蚀性主要由3–6%的高二氧化硅含量引起，一项研究通过化学处理或发酵本身将硅含量从6%降至不足1%。人体胃肠道研究表明，每日摄入25 g燕麦壳纤维对血清脂质无影响且不提供能量，但发酵技术的进步和可食用真菌种类的丰富为提升燕麦壳在人体内的消化率开辟了新途径。在动物饲料领域，燕麦壳作为不溶性纤维原料已被广泛应用，粗磨燕麦壳可改善肉鸡前胃发育、提高养分利用率并减少垫料氮和水分。碱性过氧化氢处理的燕麦壳可提高绵羊和奶牛的营养物质消化率，并作为甜菜粕的替代品用于狗粮。尽管燕麦壳已用作动物饲料，但尚无关于真菌发酵燕麦壳用作饲料的报道，这为生产富含真菌蛋白和高消化率的饲料提供了巨大机遇。真菌蛋白因其菌丝体的纤维质地模拟肉类纹理，已成为植物蛋白和动物蛋白之外的重要替代蛋白来源，尤其在升级循环农业副产物方面具有重要价值。
8. 前景与挑战
在当前可持续发展意识增强的背景下，燕麦壳作为有吸引力的底物，可通过发酵技术开发食品、饲料和宠物食品。近期研究已证实可食用真菌（如蘑菇菌丝体）与燕麦壳结合可提升发酵潜力和营养价值。主要前景之一是直接将发酵产品经最小加工用于宠物食品，并通过挤压技术制成颗粒状宠物零食。主要挑战在于燕麦壳因磨蚀性导致的粉碎困难，粗磨已被证明适用于发酵，且干燥后的发酵材料更易粉碎。安全性问题是另一重大挑战，目前缺乏发酵燕麦壳作为食品、饲料或宠物食品的代谢组学和毒理学数据，需要进行详细的安全性评估以获得广泛接受。
9. 结论
无论是采用SSF、Semi-SSF还是SmF体系，发酵方法在将燕麦壳转化为食品、饲料或宠物食品方面均展现出良好前景。鉴于燕麦壳是低值副产物，应优先采用直接发酵后经最小加工即可融入产品的路径，以避免物理、化学和酶法预处理带来的额外成本。未来需开展安全性、感官属性和营养特性的详细研究，并结合技术经济分析和生命周期评估以全面支持工艺的可扩展性。
