利用香蕉假茎废弃物发酵的新型食品：增强撒哈拉以南非洲粮食安全的有前景途径

《Cleaner and Circular Bioeconomy》：A fermented novel food product from banana pseudostem waste: a promising pathway to enhance food security in sub-Saharan Africa

　　

撒哈拉以南非洲的快速人口增长正在增加粮食需求，而农田扩张的机会仍然有限。气候变化进一步限制了作物生产力，表明应在循环经济框架内回收废弃物。香蕉假茎（pseudostem）是一种富含营养的主要种植园废弃物，但由于仅内芯（inner-core）通过干燥用于食品应用，导致生物量回收和感官品质降低，因此未得到充分利用。本研究因此调查了乳酸菌（LAB）发酵作为内外假茎湿生物质（wet biomasses）的生物转化策略，评估了理化动态（physico-chemical dynamics）和可培养微生物负荷（culturable microbial load）。此外，还评估了发酵内叶鞘和外叶鞘以及干燥未发酵内叶鞘的近似组成（proximate composition），所有数据使用R软件进行分析。内叶鞘的pH下降幅度大于外叶鞘，在第15天分别达到3.48和4.34，峰值温度略高（29.80°C对29.05°C）。可滴定酸度（Titratable acidity）随pH降低而增加，而LAB计数在30天后在内叶鞘和外叶鞘中分别达到峰值8.76和7.68 log CFU/g。同时，随着LAB占优势，需氧菌计数（aerobic counts）急剧下降至5.53–6.57 log CFU/g。叶鞘的高水分含量支持了早期LAB增殖，但限制了需氧菌的生长。发酵降低了碳水化合物和脂肪含量，但增加了蛋白质，而内叶鞘的灰分和纤维基本保持不变。总体而言，内外叶鞘均显示出有利的近似组成，表明至少80%的香蕉假茎生物量适合通过发酵进行食品开发。

**论文解读：利用香蕉假茎废弃物发酵开发新型食品——增强撒哈拉以南非洲粮食安全的有前景途径**

**研究背景与问题**

撒哈拉以南非洲（sub-Saharan Africa, SSA）面临快速人口增长带来的粮食需求激增，而农田扩张机会有限，气候变化进一步制约作物生产力。在此背景下，循环经济框架下的废弃物回收成为缓解粮食安全压力的重要途径。香蕉（包括甜蕉和烹饪蕉）是热带和亚热带广泛种植的作物，2024年全球产量超过1.394亿吨，其中23%来自非洲。然而，香蕉植株超过80%的部分在果实收获后被废弃，其中假茎（pseudostem）是最大的生物量组成部分，每公顷约220吨，即每收获1吨果实产生约3吨假茎废弃物。这些废弃物富含矿物质（钾、钙、磷、镁）、纤维及多种生物活性物质（如类黄酮、多酚、氨基酸等），但仅内芯（inner core）通过干燥用于食品，导致生物量回收率低和感官品质下降。为解决这一问题，本研究引入乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）发酵技术，旨在将香蕉假茎的内外叶鞘（inner- and outer-sheaths）转化为新型食品，并评估其理化动态、微生物负荷、近似组成及感官接受性，为SSA地区粮食安全提供可持续方案。

**关键技术与方法**

研究人员从埃塞俄比亚阿尔巴明奇大学（Arba Minch University）农学院香蕉农场（经纬度37°34′28.41″E, 6°02′24.67″N）采集卡文迪什亚组AAA型香蕉假茎，分离出内叶鞘（包括内芯，约7-8 cm层）和外叶鞘（去除最外层两片）。使用阿尔巴明奇大学开发的纤维提取机（半自动系统，3 HP单相电机，1400 rpm）分别提取纤维，得到湿浆。湿浆经70°C漂烫3分钟、冰水冷却30秒以降低粘液和氧化，并挤压至水分含量80-85%。发酵采用4 kg容量无菌塑料罐，每罐装入等量湿浆，接种20 mL来自香蕉假茎汁液发酵30天的LAB起始培养物（10? cells/mL），于室温（26±3°C）黑暗条件下发酵60天。取样在发酵第1、15、30、45、60天进行，从罐内表面、中部和底部取样混合，测定pH、可滴定酸度（titratable acidity, TA）、温度、水分含量，并在Plate Count Agar和Rogosa Sharpe Agar上分别培养总需氧菌和LAB，进行菌落计数。发酵结束后，对发酵内叶鞘、发酵外叶鞘及未发酵干燥内叶鞘的湿浆进行近似组成（水分、灰分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、碳水化合物）分析，同时测定抗营养因子（植酸、单宁、草酸盐），并邀请20名熟悉基于埃塞俄比亚香蕉假茎（enset）食品的未受训评价员（10女10男，年龄20-45岁）进行感官评价（颜色、气味、酸度、质地、总体接受度），采用5点享乐标度。所有数据使用R软件（版本3.6.3）进行单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验（p<0.05），并通过Pearson相关分析生成相关矩阵热图。

**研究结果**

**3.1 理化参数（pH、TA和温度）动态**

内叶鞘和外叶鞘的pH在发酵前15天急剧下降，随后稳定。内叶鞘在第15天达到平均pH 3.48，外叶鞘在30天后稳定于pH 4.34。可滴定酸度（TA）与pH呈相反趋势：内叶鞘TA从第0天持续上升至第60天达最大值0.23%，而外叶鞘TA在第45天达峰值0.09%后下降。内叶鞘的pH更低、TA更高，表明其发酵更充分，可能归因于内叶鞘中较高的蔗糖、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖含量。罐内温度在第15天达到峰值（内叶鞘29.80°C，外叶鞘29.05°C），随后下降，整个发酵过程温度在20-30°C范围内，适合LAB高效发酵。

**3.2 水分含量与微生物计数**

发酵过程中，内外叶鞘的水分含量均随发酵天数增加而下降，最后15天下降更快；内叶鞘水分含量始终高于外叶鞘，后者因含有更多纤维素、半纤维素和木质素而干物质更高。LAB计数在发酵初期（第0天）分别为5.83 log CFU/g（内叶鞘）和6.08 log CFU/g（外叶鞘），第30天达到峰值8.76和7.68 log CFU/g，随后急剧下降，表明30天为最佳发酵周期。总需氧菌计数在第0天较高（内叶鞘5.50 log CFU/g，外叶鞘7.49 log CFU/g），第15-30天随LAB增殖和酸化环境显著下降至5.53-6.57 log CFU/g，之后因LAB减少而有所回升，但最终计数仍在植物基发酵食品（如kocho和酸菜）的可接受范围内。相关矩阵显示，LAB计数与pH呈强负相关，与水分含量呈中等正相关，与温度及TA呈正相关，表明高水分含量和升温促进早期LAB增殖，而LAB代谢产生的酸抑制需氧菌。

**3.3 近似组成**

发酵内叶鞘的粗蛋白含量（5.08%）显著高于未发酵内叶鞘（3.10%）和发酵外叶鞘（3.34%），显示发酵提升了蛋白质含量，这归因于微生物利用碳水化合物减少干物质以及微生物生物量贡献氮。灰分含量在三个样品间无显著差异，但发酵样品略低，范围8.76-10.10%，远高于kocho的约3.0%，可能因香蕉假茎钾和钙含量较高。粗纤维含量在未发酵内叶鞘中最高（1.6%），发酵外叶鞘最低，发酵内叶鞘居中，且发酵降低了纤维含量，与微生物分泌胞外酶水解不溶性多糖一致。碳水化合物含量在未发酵内叶鞘（74.0%）显著高于发酵内叶鞘（70.2%），表明发酵消耗了碳水化合物。粗脂肪含量在发酵内叶鞘（0.7%）显著低于未发酵内叶鞘（1.7%）和发酵外叶鞘（1.5%），发酵降低了脂肪，可能因微生物脂解酶作用。

**3.4 抗营养因子**

植酸、单宁和草酸盐含量在三个样品间差异显著。发酵内叶鞘和外叶鞘的植酸（399.20和338.23 mg/100g）、单宁（288.24和243.13 mg/100g）和草酸盐（44.12和27.50 mg/100g）均显著低于未发酵内叶鞘（467.31、388.21和59.20 mg/100g），表明发酵有效降低了抗营养因子，提高了营养品质。

**3.5 感官评价**

发酵内叶鞘在颜色（4.36）、气味（4.54）和总体接受度（4.75）上得分最高，显著优于发酵外叶鞘和未发酵内叶鞘。未发酵内叶鞘因干燥氧化褐变导致颜色得分最低（2.21）。酸度方面，发酵外叶鞘得分最高（4.75），表明其酸味更突出。质地方面三个样品无显著差异，平均得分均在享乐标度中点以上。总体而言，发酵改善了香蕉假茎食品的感官品质，特别是颜色，这与LAB发酵产生的酸性条件抑制多酚氧化酶活性有关。

**结论与讨论**

本研究首次将香蕉假茎废弃物通过微生物发酵成功转化为食品。讨论部分强调，香蕉假茎的全球丰富性、全年可用性、高生物量产量和成本效益使其成为可持续食品开发的理想原料。发酵内外叶鞘均显示出有利的近似组成和可接受的感官特性，表明至少80%的香蕉假茎生物量（包括内外叶鞘）适合发酵食品开发。在撒哈拉以南非洲，香蕉广泛种植，若回收50%的假茎废弃物（2023年非洲香蕉果实产量约3127万吨，对应假茎废弃物约9381万吨），可产生约4600万吨无麸质食品，这有助于增强当地粮食系统，减少对食品援助的依赖（2021-2024年欧盟对SSA的粮食援助超过110亿欧元），并支持农村生计。论文结论部分翻译如下：本研究的发现表明，通过微生物发酵，香蕉假茎的内外叶鞘均可成功转化为食品。发酵降低了碳水化合物和脂肪含量，但增加了蛋白质，同时减少了抗营养因子，并改善了感官品质。这一结论为利用农业废弃物实现循环生物经济提供了可行路径，有助于撒哈拉以南非洲实现零饥饿目标。