综述：从废弃物到资源：木薯皮在食品、生物技术和废水处理中价值化的研究进展

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

本文综述了木薯皮（Manihot esculenta Crantz）的综合价值化路径，指出其作为富含纤维、酚类物质和木纤维素的农业废料，在食品（如无麸质产品）、生物技术（如生产生物膜、酶、纤维素纳米纤维、生物活性化合物、二代乙醇和沼气）及环境领域（如生物吸附去除重金属/染料）具有巨大潜力。重点讨论了其营养特性、降低氢氰酸（HCN）的策略及其在多领域的转化应用，为循环经济框架下该废弃物的资源化利用提供了全面见解。

　　

1. 引言

木薯（Manihot esculenta Crantz）是全球重要的主食作物，尤其在撒哈拉以南非洲和其他发展中地区，是超过5亿人的主要食物来源。然而，木薯加工会产生大量废弃物，如果皮。全球木薯年产量巨大，据估计每年约有5500万吨木薯皮被丢弃。这些废弃物的不当管理会带来环境问题。幸运的是，木薯皮作为一种低成本、可再生的原材料，在食品和生物技术应用中展现出巨大潜力。本篇综述基于超过100篇科学出版物和专利，对木薯皮的价值化研究进展进行了批判性分析，涵盖了其营养特性、氢氰酸（HCN）去除策略，以及在食品、饲料、生物技术产品和废水处理等方面的应用。

2. 木薯皮的营养特性

木薯皮的营养成分丰富，是价值化的基础。其近红外组成显示，水分含量在66.70%至70.07%之间，表明果皮含水量高，因此在加工和储存前需要进行干燥处理。木薯皮的干物质基础成分中，蛋白质含量约为3.66-8.20 g/100 g，低于木薯叶。其氨基酸谱显示，富含亮氨酸、赖氨酸和缬氨酸等必需氨基酸，以及丰富的非必需氨基酸谷氨酰胺和天冬氨酸。碳水化合物含量很高，约占干物质的80%，是宝贵的能量来源。其中，膳食纤维含量在4.69%至19.82%之间，主要由复杂的多糖如纤维素、半纤维素和木质素组成。摄入100克木薯皮粉可满足世界卫生组织（WHO）建议的成人每日膳食纤维摄入量（25克）的很大一部分。木薯皮的脂质含量较低，约占总干物质的1%。

在矿物质方面，木薯皮含有钙、钠、锌、钾、镁、磷、铁、锰等多种元素，食用100克木薯皮粉可为多种必需矿物质的每日推荐摄入量（RDI）做出显著贡献。此外，木薯皮还含有生物活性化合物，如类胡萝卜素（含量为161.65 μg/100 g 干重）和酚类化合物。总酚含量（TPC）因品种而异，黄皮品种可高达681.5 mg GAE/100 g（干重）。这些酚类化合物，特别是没食子酸，赋予了木薯皮抗氧化活性，并可能带来多种健康益处。然而，木薯皮中也存在抗营养因子，如生物碱和强心苷，在用于人类或动物消费前需要通过适当加工降低其含量。

3. 氢氰酸（HCN）含量及其降低策略

木薯皮的应用受到其中含有的生氰糖苷（主要是亚麻苦苷和百脉根苷）的限制。这些糖苷在咀嚼或加工过程中水解会释放出有毒的氢氰酸（HCN）。HCN浓度因植物组织、品种而异，木薯皮的HCN含量通常高于果肉或叶片，苦味品种的含量最高。世界卫生组织（WHO）设定的HCN安全摄入限量为10 mg/kg干物质，超过此限可能引发急性中毒及多种健康问题。

为确保安全利用，已开发出多种降低木薯皮中HCN含量的策略：

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  热处理：包括日晒干燥、烘箱干燥、蒸煮、沸煮和烘烤。日晒干燥和水煮是最常见和易得的方法。结合使用这些方法可有效将HCN降至安全水平。
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  氢氧化钙溶液浸泡：将木薯皮浸泡在氢氧化钙溶液中2-6小时，可使HCN含量降低高达89%。钙离子与氰化物结合生成无毒的CaCN，同时保留了木薯皮的营养价值。
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  发酵：利用特定微生物（如乳酸菌、曲霉菌）对木薯皮和果肉进行发酵，不仅能降低HCN含量（可达80%），还能提高产品的蛋白质含量。
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  农艺实践：采收年龄和栽培管理条件会影响木薯根茎和叶片中的HCN水平。例如，采收超过15个月的块茎HCN含量更高，需要适当处理。
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  磨碎：磨碎增加了亚麻苦苷与酶（亚麻苦苷酶）的接触表面积，促进HCN释放。但通常需要与其他方法结合才能实现有效解毒。

4. 木薯皮在人类食品中的应用

木薯皮粉可用于开发植物基和无麸质食品。研究表明，在无麸质蛋糕中用木薯皮粉替代部分米粉，可显著增加总膳食纤维含量，并获得较高的感官接受度。另一项研究将木薯皮切片经过去毒处理（如水浸泡、固态发酵、酵母/糖溶液浸泡）后油炸制成零食片，其中酵母/糖溶液浸泡法使HCN降低了99.4%，且保持了可接受的感官品质。这为木薯皮在功能性食品开发中的应用提供了思路。

5. 木薯皮在动物饲料中的应用

经过适当去毒处理的木薯皮可以安全地掺入动物日粮。研究表明，用特定真菌和乳酸菌发酵木薯皮，可降低HCN含量并提高其营养价值和消化率。在猪饲料中添加20%的发酵木薯皮，可提高肌肉蛋白水平。在家禽饲养中，经过浸泡、日晒和研磨处理的发酵木薯皮可以部分替代玉米，且不影响生产性能。在反刍动物营养中，木薯皮可与玉米麸、豆粕或青贮饲料混合使用。在绵羊日粮中用木薯皮完全替代玉米，对瘤胃参数无显著影响。然而，过高的添加比例（如对山羊添加66-100%）可能导致因消化率下降和采食量减少而体重减轻。在水产养殖中，木薯皮和叶片作为淀粉和纤维来源，与黑水虻幼虫蛋白结合制成饲料，表现出较高的消化率，显示出可持续鱼饲料的应用前景。

6. 木薯皮在生物精炼技术中的应用

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  食用菌栽培：粉碎的木薯皮与其他木质纤维素生物质（如棉籽壳、甘蔗渣、锯末）混合，可作为平菇等食用菌的栽培基质。尽管在纯木薯皮基质上栽培的蘑菇子实体可能较小，但其广泛的可用性和营养成分使其成为一种可行的基质。
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  生物膜生产：可从木薯皮中提取淀粉，用于生产可食用或不可生物降解的包装膜。通过添加甘油等增塑剂，或与二氧化硅（SiO₂）、竹叶/迷迭香精油、乳清等结合，可以改善生物膜的机械性能、阻隔性能和抗菌活性。木薯皮淀粉中约75%为支链淀粉，21%为直链淀粉，是成膜的理想原料。
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  混合发酵产品：木薯皮可用于固态或液态发酵，利用真菌和细菌（如黑曲霉、鼠李糖乳杆菌）降低HCN含量，并生产高附加值产品，如蛋白质和生物活性化合物增强的产品。混合微生物培养结合外源性β-葡萄糖苷酶，可有效解毒并促进生物转化。
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  发酵糖和微生物酶的获取：通过酶处理（如淀粉酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶）可将木薯皮中的淀粉和纤维素转化为可发酵糖。这些糖可用于后续的生物技术发酵过程，生产酒精饮料、醋、第二代乙醇等。木薯皮本身也可作为基质，通过固态发酵生产多种酶，如纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶。
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  生物活性化合物的生产：木薯皮可作为发酵基质生产L-苹果酸、单细胞油脂等。其本身含有的酚类化合物（如没食子酸、儿茶素、绿原酸）和类黄酮具有抗氧化和抗菌活性。木薯皮提取物与氧化锌结合，或乙醇提取物，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、嗜水气单胞菌等具有抗菌作用。木薯皮还可作为产黄青霉生产青霉素的基质。

7. 木薯皮在纤维素纳米纤维制备中的应用

通过酸水解、酶水解和超声波处理等预处理，可以从木薯皮中分离和改性纤维素纳米纤维。这些纳米纤维具有理想的流变学和界面特性，可用于稳定皮克林乳液，应用于功能性食品体系。研究发现，经40%硫酸水解约90分钟获得的纤维素纳米纤维具有更高的结晶度和稳定性。机械破碎法相比酸水解法可获得纯度、结晶度和热稳定性更高的纳米纤维。这些特性使得木薯皮来源的纤维素纳米纤维在食品、化妆品、制药和可生物降解材料领域具有应用潜力。

8. 木薯皮在废水处理中的应用

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  生物絮凝：木薯皮淀粉可与水中的悬浮颗粒相互作用，通过中和表面电荷促进絮凝和沉淀。将其与铝盐（如明矾）结合使用，可提高污染物去除效率，显著降低废水中的化学需氧量和浊度，并能完全去除大肠杆菌，减少对传统化学絮凝剂的依赖。
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  生物吸附：木薯皮生物质经干燥和热解可制成活性炭，用于吸附工业废水中的合成染料。其效率受颗粒大小、pH、温度和搅拌速度的影响。化学活化（如用ZnCl₂、KOH、硝酸处理）可增强其吸附重金属（如Cr⁶⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺）的能力。生物质表面的羟基、羰基和烷基等功能基团促进了与污染物的结合。
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  生物吸附：木薯皮本身或其活性炭形式可用于吸附染料和重金属。在酸性pH下，木薯皮表面带正电，有利于吸附带负电的染料。其吸附性能受接触时间、温度、污染物初始浓度等因素影响。木薯皮活性炭还可用于去除水中的活性药物成分，展示了其作为农业废弃物衍生吸附剂在环境修复中的潜力。

9. 木薯皮在生产第二代乙醇中的应用

木薯皮中的纤维素和半纤维素可转化为可发酵糖，进而生产生物乙醇。通过预水解、研磨、洗涤等预处理，可提高糖的可得性。采用α-淀粉酶液化和葡萄糖淀粉酶与运动发酵单胞菌同步糖化发酵的策略，可将淀粉转化为乙醇。使用耐热酵母（如马克斯克鲁维酵母）结合纤维素酶、淀粉酶和葡萄糖淀粉酶进行同步糖化发酵，可实现高达86%的底物转化效率。优化预处理和发酵条件对于提高乙醇产率至关重要。木薯皮为可持续的生物燃料生产提供了一种有前景的原料。

10. 木薯皮在生产沼气中的应用

木薯皮通过厌氧消化可产生沼气，其主要成分为甲烷（50-72%）和二氧化碳（25-45%）。在恒温35°C的消化器中，使用产甲烷菌，30天后可获得0.66 m³沼气/kg挥发性固体和0.28 m³甲烷/kg挥发性固体。研究发现，与新鲜果皮相比，老化果皮与牛粪混合在厌氧消化中产沼气效率更高。这表明木薯皮可用于可持续的沼气生产，实现废弃物的能源化利用。

11. 木薯皮在生物能源技术中的应用

除了沼气和乙醇，木薯皮生物质还可用于生产其他燃烧衍生能源产品。例如，将木薯皮与香蕉皮、玉米芯按比例混合制成燃料压块，具有较高的热值。此外，木薯皮可通过热解生产生物油。木薯皮提取物经过发酵提高可溶性有机物含量后，可用作微生物燃料电池（MFCs）的底物，产生电能。这些应用展示了木薯皮在多种生物能源技术中的多功能性。

12. 总结

木薯皮是一种极具潜力的可再生资源。其丰富的营养成分、生物活性化合物和木质纤维素结构，使其在食品、饲料、生物材料、生物能源和环境污染修复等多个领域具有广泛的应用前景。通过适当的预处理和去毒策略，可以克服其氢氰酸含量高的限制，安全有效地实现其价值化。对木薯皮的综合利用不仅有助于解决农业废弃物带来的环境问题，还能创造经济价值，符合循环经济和可持续发展的理念，对于依赖木薯种植的地区具有重要意义。未来的研究可继续优化加工技术，探索新的高附加值应用途径，并推动其规模化、产业化发展。