综述：从废弃物到资源：木薯皮在食品、生物技术及废水处理领域的综合利用进展

《Bioresource Technology Reports》：From waste to resource: Advances in the valorization of cassava peel in food, biotechnology, and wastewater treatment

　　吉列尔梅·查加斯·内托|朱莉安娜·吉马良斯·达席尔瓦|克拉拉·普雷斯蒂斯·费雷拉|伊万内特·科斯塔·达罗沙|马特乌斯·达科斯塔·德利马|雷娜塔·科埃略·罗德里格斯·诺罗尼亚|路易斯·阿德里亚诺·桑托斯·多纳西门托|约翰纳特·阿兰·罗沙·德奥利维拉|恩里克·西尔瓦诺·阿鲁达|古斯塔沃·阿劳霍·佩雷拉

巴西帕拉州贝伦市奥古斯托·科雷亚街01号，邮编66075-110，帕拉联邦大学生物技术学院（FBiotec）、生物科学研究所（ICB）

摘要
木薯（Manihot esculenta Crantz）是一种重要的主粮作物，为5亿多人提供食物保障，尤其是撒哈拉以南非洲及其他发展中国家的小农。尽管具有重要的社会经济价值，但木薯加工会产生大量废弃物，如果皮，若处理不当会给环境带来威胁。木薯果皮作为一种低成本、可再生的原料，可应用于食品和生物技术领域。本文基于100多篇科学论文和专利，对木薯果皮利用方面的最新进展进行了系统性分析。通过筛选排除了无关研究，最终纳入的研究均为经过同行评审的、涉及木薯果皮在产品开发、化学成分或生物学特性方面的研究。目前已知的用途包括用于食品和饲料生产、生物膜制备、生物燃料生产、酶制剂生产，以及作为从废水中去除重金属和有机污染物的生物吸附剂。经过适当的预处理以去除杂质并降解氰化物后，木薯果皮在多种生物技术和工业领域具有巨大应用潜力。

引言
木薯（Manihot esculenta Crantz）是全球范围内极为重要的主粮作物，为全世界5亿多人提供食物来源，尤其是撒哈拉以南非洲及其他发展中国家的小农（Otekunrin, 2024）。木薯可分为甜味品种和苦味品种，二者之分在于块根中氢氰酸的含量。甜木薯的氢氰酸含量较低，在多个国家可直接食用，几乎无需加工；而苦木薯的氢氰酸含量较高，需经过脱毒处理后方可食用（Zekarias et al., 2019; de Araújo et al., 2019）。遗传学研究表明，甜味品种可能起源于早期驯化阶段，而苦味品种则是在栽培过程中由于压力作用逐渐形成，进而导致次生代谢物合成增加（Smeraldi and Lima dos Santos, 2021; Ogbonna et al., 2021; Mühlen et al., 2013）。虽然木薯的起源尚不确定，但有几种理论认为它源自巴西亚马逊地区的南部。木薯具有很强的适应性，能够在干旱、土壤贫瘠且降雨不稳定的地区生长，这为其在全球范围内的传播奠定了基础。如今，木薯对数百万人的粮食安全至关重要，尤其是在非洲，它是仅次于玉米和水稻的第三大主粮作物。2021年，撒哈拉以南非洲地区占据了全球木薯产量的65%（2.04亿吨），其中尼日利亚是全球最大的木薯生产国，产量约为6300万吨，占全球总量的20%左右（Otekunrin, 2024）。

从工业角度来看，木薯主要被用于提取淀粉，但这一加工过程会产生大量废弃物，包括果皮、纤维生物质（thippi）以及富含有机物、未提取出的淀粉和可发酵糖分的废水（Mariathankam and Suruli, 2024）。除淀粉外，木薯加工的另一个主要产物是面粉，其生产过程中会产生一种含淀粉的液体废液——manipueira，这类废液常常被不当处置，可能污染水体。每1公斤加工后的块根中，约有60%可以转化为可用产品，其余部分则通常被丢弃（Lin et al., 2021; Souza et al., 2019）。

据Idris等人（Idris et al., 2020）的研究，大规模木薯种植会导致大量的剩余生物质产生，这些生物质来自收获后的处理环节，包括焚烧或处理叶片、茎秆和块根废弃物，这类废弃物占总植物质量的50%左右。仅果皮就占木薯总生物量的10.6%（重量比），占块根生物量的17.41%（重量比）。2021年全球木薯产量达到3.15亿吨，较2017年增长了9%（Otekunrin, 2024）。据此估算，全球每年有约5500万吨木薯果皮被废弃。

尽管产生了大量果皮废弃物，但由于缺乏相关的公共政策和技术解决方案，这一问题进一步加剧了环境负担（Mariathankam and Suruli, 2024; Balbin et al., 2022; Mukaila et al., 2024）。不过，科学研究表明，木薯果皮可作为多种领域的资源，包括生物精炼厂以及反刍动物、猪和家禽的饲料配方。木薯果皮富含生物活性抗氧化化合物（Rodrigues and Silva, 2022; Ekeledo et al., 2021）、必需氨基酸（如亮氨酸、赖氨酸和缬氨酸）以及非必需氨基酸，尤其是谷氨酰胺和天冬氨酸（Otache et al., 2017）。此外，木薯果皮还含有较高的纤维和木质纤维素成分，这些成分已被用于生物工艺和废水处理领域（Burakov et al., 2018; Yolanda et al., 2022）。由此可见，采用循环经济理念将这种低成本原料转化为高附加值产品，同时减少环境影响，具有重要意义。

鉴于木薯果皮的化学和结构特性，它在工业应用以及利用木质纤维素废弃物的技术开发方面具有巨大潜力。本文旨在总结木薯果皮的营养和植物化学特性，并探讨其在生物技术和废水处理领域的应用，以期推动对这一未被充分利用的生物质资源的进一步研究。尽管关于农业工业废弃物利用的研究日益增多，但目前仍缺乏能够综合阐述木薯果皮在多种技术路径中的生物技术潜力的最新综述。在分散式生物精炼厂和区域生物经济战略背景下，木薯果皮作为一种低成本、易获取的资源，可能发挥重要作用。因此，本文试图通过全面且批判性的分析，探讨木薯果皮生物质在食品、能源和环境技术领域的应用前景，提出将木薯果皮生物质转化为高附加值产品的创新方法。

方法论
本综述通过Web of Science、Scopus、SciELO、巴西国家工业产权局（INPI）和PatentSCOPE等数据库进行检索，涵盖了已发表的科学论文和申请中的专利。检索时使用了以下关键词：“cassava peel”或“cassava slim”或“cassava skin”，并在文章标题、摘要和关键词部分进行搜索，未设置语言或发表日期限制。

初步筛选

木薯果皮的营养特性
目前，人们对木薯的营养认知主要集中在其可食用的块茎部分，而果皮和叶片通常被视为农业工业废弃物。因此，了解木薯果皮的营养特性对于探索其在人类和动物营养领域的应用具有重要意义（Saladini et al., 2016）。从成分比例来看，三种不同品种的木薯水分含量介于66.70%之间。

木薯果皮中的氢氰酸含量
尽管木薯的叶片和果皮具有巨大潜力，但由于其中含有抗营养化合物——尤其是氰苷，若不经过适当处理，可能会对人类健康造成危害（Agustin, 2022）。在咀嚼或加工过程中，氰苷中的糖苷键会被水解，释放出氢氰酸，从而导致急性中毒，表现为生长迟缓及神经系统症状。

木薯果皮在人类食品中的应用
近年来，随着越来越多的人因饮食限制、麸质敏感、乳糜泻、小麦过敏或追求更健康的生活方式，对植物基和无麸质食品的需求不断上升（Ren et al., 2020）。其中一种应用方式是将脱水木薯果皮粉加入食品配方中，以此降低食品中的麸质含量，Souza等人（Souza et al., 2013）的研究便证明了这一点。在该研究中，木薯果皮被用于……

木薯果皮在动物饲料中的应用
动物摄入氢氰酸主要通过食用含有氰苷的植物。据报道，人类以及动物通过口服途径的急性致死剂量在0.5至3.5毫克/千克体重之间。在血液中，毒性阈值约为0.5毫克/升至1.0毫克/升，而浓度达到2.5毫克/升至3.0毫克/升时则具有致命风险。急性中毒的表现包括呼吸困难等严重症状。

食用菌栽培
将粉碎后的木薯果皮与棉籽壳、甘蔗渣和锯末等其他木质纤维素生物质混合，可作为平菇和牛肝菌等食用菌的培养基（Adebayo et al., 2009; Saidan et al., 2023）。不过，在使用前强烈建议先降低其中的氢氰酸含量，因为氰苷会释放有毒的氢氰酸。虽然青贮法可以有效长期降低氢氰酸含量，但……

木薯果皮用于提取纳米纤维素
为了改变木薯果皮的结构组成和物理化学性质，有效的预处理十分必要。研究表明，在去皮前使用Viscozyme? L溶液进行酶法预处理，可将果皮中的氰化物含量降低58.94%（Mukhtar et al., 2023）。此外，酸水解、酶水解（通常在碱处理之后进行）以及机械超声处理也被广泛用于预处理，这些方法可单独使用，也可联合使用。

生物混凝
木薯果皮在去除有机污染物、无机污染物、染料及浊度方面具有显著效果，因此可作为一种高效的天然混凝剂用于废水处理（Yolanda et al., 2022）。加工后的木薯果皮生物质中的淀粉可与水中的悬浮颗粒发生反应，通过中和表面电荷并促使颗粒聚集，从而实现混凝和絮凝作用。这种天然物质的混凝能力……

木薯果皮用于生产第二代乙醇
由于木薯果皮中含有纤维素和半纤维素，这些成分可转化为可发酵糖分，进而用于生产生物乙醇，因此可以利用木薯果皮生产生物燃料（Saladini et al., 2016; Adekunle and Raghavan, 2017）。在发酵之前，通过预水解处理以及研磨、洗涤等生物质预处理步骤，可以提高糖分的可用性，从而更易于将其转化为乙醇。

木薯果皮用于生产生物气
通过厌氧消化利用木薯果皮可产生生物气，这是一种主要由甲烷（50–72%）、二氧化碳（25–45%）以及少量氮气、硫化氢、水蒸气和氧气组成的混合气体。厌氧消化的主要目标就是产生甲烷，因为这种气体可作为能源使用（Ben and Michael, 2018）。为优化这一过程，可在消化池中引入产甲烷细菌，保持35℃的温度持续30天。

木薯果皮在生物能源技术中的应用
除了用于生产生物气和乙醇外，木薯果皮生物质还可用于生产其他燃烧型能源产品。例如，可将木薯果皮与香蕉皮和玉米棒按20:20:60的比例混合研磨，制成高热值的煤球（Samomssa et al., 2021）。此外，木薯果皮还可通过管式反应器中的热解反应生产生物油，该过程中生物质会逐渐被加热。

木薯果皮生物质技术应用的比较概述
木薯果皮生物质富含多种化学物质，纤维含量高，且具有木质纤维素结构，因此可在多种技术领域得到应用。为整合本综述中的相关内容，表4总结了木薯果皮的主要技术应用，对比了所采用的技术类型、产生的产品、典型产量（如有报告）、优势及局限性。这一总结凸显了木薯果皮的应用潜力。

结论
木薯果皮在多种生物技术和工业领域具有巨大应用潜力。经过适当的预处理以去除杂质并降解氰化物后，它们可成为用于增值加工的理想原料，包括微生物发酵。一旦去除了抗营养因子，其较高的纤维、矿物质和残余淀粉含量还可用于生产动物饲料和功能性食品成分。提取出的淀粉也可用于进一步开发相关产品。

作者贡献说明
吉列尔梅·查加斯·内托：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、形式分析、数据整理、概念构建。
朱莉安娜·吉马良斯·达席尔瓦：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、形式分析。
克拉拉·普雷斯蒂斯·费雷拉：撰写——初稿、可视化、形式分析。
伊万内特·科斯塔·达罗沙：撰写——初稿、可视化、验证、形式分析。马特乌斯·达·科斯塔·德·利马：写作——初稿。资金支持：本研究部分由巴西高等学历人员培训协调委员会（CAPES，财务代码001）、国家科学技术发展委员会（CNPq，资助编号444295/2024–0、315279/2021–4和309711/2023–1）、亚马逊研究与发展基金会（FAPESPA，资助编号160/2024和167/2024）、亚马逊银行（资助编号233/2022）以及帕拉联邦大学科研与研究生院（PROPESP/UFPA，资助编号PRO8355–2025）提供资金支持。未引用的参考文献：Chaiareekitwat等人，2022年；Nyaika、Abayomi、Parmar和Coast，2024年；Onyegeme-Okerenta和Ebuehi，2017年；Papathoti等人，2025年。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢：作者感谢帕拉联邦大学（UFPA）和坎皮纳斯大学（UNICAMP）为支持本研究完成而提供的研究及学术发展平台。