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摘要：木薯是世界三大薯类之一，全国每年可以产木薯渣数百万吨。大量的木薯渣不仅造成资源浪费，而且还会对环境造成较大污染；本文综述了木薯渣的资源化利用途径，介绍了木薯渣在饲料、肥料、饲料及栽培食用菌、以及转化为生物质能源等方面的应用。最后指出以木梳渣为生物质材料，生产液体燃料替代部分化石能源，从而缓解资源能源短缺是未来的研究和发展方向。
关键词：木梳渣 资源化利用 生物质能源
1 前言
木薯是世界三大薯类之一，与甘薯和马铃薯合称为世界三大薯类作物。木薯有“地下粮仓”、“淀粉之王”和“特用作物”之誉称。在我国，木薯广泛栽培于广西、海南、广东、云南、福建、台湾等省区，作为一种非粮作物已成为中国第六大热带作物，年产量约达到1000万吨。木薯最主要的用途是用于加工木薯淀粉，可以广泛应用于食品、制糖、医药、饲料、纺织、造纸、化工等多个行业。木薯渣是木薯提取淀粉后的下脚料混合物，主要由木薯的外皮、内部的薄壁组织和部分有毒的氰苷类物质组成。当前，一般采用湿法加工获得木薯淀粉，每加工1000 kg木薯会产生含水70％左右的木薯渣约700kg，全国每年可以产木薯渣数百万吨。大量的木薯渣不仅造成资源浪费，而且还会对环境造成较大污染，所含废水还会对植被、土壤造成较大破坏，腐烂过程中产生的毒气会污染大气，进一步给人和动物带来健康隐患。
2 木薯渣资源利用状况
目前国内外对木薯渣的研究多在利用其生产单细胞蛋白和生物饲料等方面。也有一些利用木薯渣发酵酒精、柠檬酸方面的报道[1]但利用量甚少，不能处理大量的木薯渣废弃物。而利用木薯渣制作肥料、饲料及栽培食用菌、转化为生物质能源则是较为普及的几种种方式。
2.1 作为饲料
新鲜木薯渣的主要成分是淀粉、纤维素和少量蛋白质，水分含量较高，约达到70％～80％。一些学者已经对木薯渣中的营养元素作了定量分析，在木薯渣中非氮化合物的含量高达78．7％(以干物质计)，主要成分是可溶性的淀粉化合物(单糖和淀粉)。此外，木薯渣中还含有多种对动物健康有益的微量元素，如铜、锌、锰等。
在实际应用中，国内外对于木薯渣制作饲料主要有三种处理方法：第一种是以鲜湿状态直接添加能量蛋白质饲料制成配合饲料：这种方法的优点是使用起来简单，可以直接将木薯渣用于动物的饲料。但是由于木薯渣水份含量较高，容易滋生微生物，不易保存，变质后含有较高的氢氰酸，容易引起动物中毒或者发病；此外，鲜木薯渣的粗纤维含量较高，不易消化且适口性较差，动物对其采食量很低，甚至会拒绝食用。第二种是干燥成颗粒后作为能量饲料或者粗饲料，与第一种方法相比这种方法能够了解决鲜木薯渣不易保存易发霉的缺点，但是这种方法依然没有从根本上改变其粗纤维含量高，适口性差的弊端。第三种是添加微生物制成发酵饲料。这种方法通过霉菌、酵母菌、芽孢杆菌及相关化学物质的综合作用下，进行一系列的复杂的生物化学作用，改变木薯渣的物理、化学性质，使其所含的粗纤维降解为动物容易消化吸收的单糖、双糖、氨基酸等小分子物质，从而提高饲料的消化吸收率，起到深度生化加工的作用。同时，在木薯渣生物处理过程中还可能产生并积累大量营养丰富的微生物菌体蛋白及其他有用的代谢产物，如有机酸、醇、醛、酯、维生素、抗生素、微量元素等，使饲料变软变香，营养增加，并含有多种消化酶、多种促生长因子，从而增强动物的抗病能力，促进动物的生长发育。有些代谢产物对饲料还具有防腐作用，如乳酸、醋酸、乙醇等，能延长饲料的保质期。此外，发酵过程中还可能杀死大部分的有害微生物，如肠道寄生虫等。
刘传都[2]采用了不同的菌种（黑曲霉1株，绿色木霉7株，酵母菌2株，枯草芽孢杆菌4株）对木薯渣进行固体发酵，结果表明最佳的菌种组合能提高木薯渣中14．7％的粗蛋白含量，此外饲养实验表明把发酵后木薯渣配合成全价料饲喂猪是完全可行的，产品的适口性较好，猪只并未出现厌食情况，饲喂发酵后木薯渣和饲喂正常的饲料对猪日增重、饲料转化率无明显差异。在试验中猪只健康状况良好，并无副反应产生，说明产品的安全性良好，并且通过对饲养成本的比较，可以发现经济效益明显。于向春等[3]研究表明，在文昌鸡雏鸡日粮中添加酵木薯渣粉来替代日粮中的部分饲料原料，试验组与对照组相比鸡的成活率、鸡只增重、料重比均无明显差异；但饲养成本降低。汤燕花等[4]利用黑曲霉和啤酒酵母在适宜的条件下对木薯渣进行混种发酵，结果表明发酵能将木薯渣的蛋白含量由3％～4％提高至15％左右。可见发酵能解决木薯渣作饲料时，蛋白含量很低，直接饲用效果差的问题。
2.2 作为肥料
木薯渣含有丰富的矿物质(包括氮、磷、钾、碳、钙、镁、硫、锌、锰、铜、铁和钠)，通过微生物菌株无氧发酵，可以转化为无污染且富含微生物的物质，用作农业肥料，也可以喂饲动物之后再用作肥料[5]。另外，木薯渣含有生长素和赤霉素等植物生长调节剂，能够刺激植物种子发芽及根茎叶器官发育[6]。将木薯渣进行堆肥化处理后归还土壤，具有成本低、除臭和杀灭病原菌、有效改善废弃物物理化学性状等优点．是木薯废弁物无害化处理的一个安全、有效的途径[7]。吕育财等[8]通过堆肥化处理木薯加工废弃物，有效地降低了木薯废弃物巾氰化物的危害性。邹璇等[9]研究了木薯渣堆肥过程中堆肥理化性质的变化．发现木薯渣堆肥对难溶性磷有一定的活化作用，可为解决堆肥资源化产品中植物可利用磷含量偏低的难题开拓一条生物学途径。
2.3 作为栽培食用菌、木耳等植物的基质
木薯酒精废渣不但含有植物生长所需的碳源、氮源、无机盐和生长素4类营养物质。而且木薯淀粉在生产酒精过程中经糖化处理转化为小分子单糖更有利于植物吸收利用。韦仕岩等[10]人的研究表明：木薯酒精渣可用来作为栽培平菇、姬菇、茶树菇的基质，通过适当添加谷壳、玉米芯等辅料，以改善培养料的通透性。促进菌丝生长。苏启苞等[11]以木薯秆、木薯渣为主要原料，按不同比例配制培养基栽培真姬菇，结果表明，木薯秆、木薯渣经过合理搭配，完全可以满足真姬菇茵丝生长和子实体发育的要求。卓少明等[12]的实验证明以木薯渣基质所栽油葵芽苗菜的产量可与其它基质所栽苗菜的产量达同一水平，证明木薯渣也可作为油葵芽苗菜的栽培基质。陈丽新等[13]：通过以木薯酒精废渣为主要原料的培养基配方试验表明，完全可以用木薯酒精废渣代替棉籽壳及杂木屑生产木耳菌种，达到降低生产成本，提高菌种质量的目的。
2.4 加工废弃物能源化利用技术
木薯渣中的有机质、木质素含量高，故而也可以将木薯渣转化为能源。将其中的有机物发酵制沼气，木薯渣水解后剩余的木质素可以通过裂解制能源，从而实现木薯渣的资源化。
岳金方[14]等通过在氮气氛围下木薯渣热裂解的试验研究表明：木薯渣热裂解气体组分主要有H2，CO，CH4，C02。在900℃时，木薯渣裂解所产气体中H2和CO的总量占到97．25％。
木薯渣的高有机物含量、高含水率的特点适宜采用厌氧生物发酵处理。浦跃武等[15]通过实验研究发现．木薯渣厌氧发酵产甲烷是可行的．但受接种率的影响．在70％接种率条件下．木薯渣的厌氧发酵甲烷化可以顺利启动．产气率和最高甲烷含量分别达到249．35mL／g VS和48．16％。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆彭志连等[22]研究了温度和碳氮比对木薯渣厌氧发酵产气量的影响，结果表明C／N在30时木薯渣厌氧发酵效果最好，发酵周期内平均日产气12．50 L，总累积产气量387．5 L．容积产气率为0．69 m3／(m3·d)；发酵温度则在40℃时产气效果最佳，投料第5 d达到日产气量最大值43．5 L，整个发酵过程总累积产气量295．3 L，平均日产气率9．53 L/d,干物质日产气率3．50 L/(kg·d)，容积产气率0．53 m3／(m3，d)。陈祥[16]利用木薯淀粉加工过程中产生的木薯渣和黄浆液生产沼气，再利用产生的沼气发电，实现了废弃物资源的良性循环。
此外木薯渣作为含有大量碳水化合物的有机固体废弃物，利用这类有机废弃物，利用微生物的厌氧发酵技术生产氢气。Wenming Zong[17]等人以木薯渣为底物，采用利用糖水暗发酵和光发酵两步过程，达到高效产氢气。研究采用暗发酵和光发酵两个过程，在暗发酵过程，每克木薯渣平均能够产生大约199mL氢气，在非自养型光发酵过程，每克木薯渣平均能够产生61lmL氢气，这些结果表明木薯渣是生物制氢的理想底物。
2.5 利用木薯渣发酵生产工业原料
木薯渣被大量的用来生产乙醇、乙酸。其中利用木薯渣发酵生产乙醇是木薯渣资源利用研究热点之一，赵晓峰[18]等以木薯渣为原料，采用同步糖化发酵工艺，研究了将淀粉、纤维素、半纤维素水解糖分开或是共同发酵制乙醇过程。实验结果表明，同步糖化发酵较之于分步糖化发酵工艺，乙醇产率高，可以达到28．04％。龚信芳[19]等研究了以木薯渣为原料通过分批补料及补酶发酵生产乙醇，结果表明随着底物质量分数的增加，水解液中的糖质量分数也不断提高，与间歇糖化工艺相比，在相同的水解条件及相同酶用量下，起始底物质量分数为4％，每隔12 h进行补料，当底物质量分数增加到16％时，葡萄糖得率从53．6％提高到72．4％，以水解液为原料在不添加其它营养物质的情况下，发酵24 h后乙醇质量浓度达到24．9 g／L，乙醇得率42％，为理论得率的82％，乙醇产率达到1．04 g／(L·h)，葡萄糖利用率达到97％。
也有学者用木薯渣来生产乙酸，蔡赋涵[20]研究产氢产酸／同型产乙酸两相耦合工艺发酵木薯渣定向产乙酸的过程，通过相分离使产氢产酸菌和同型产乙酸菌分离在不同的相发生作用，在发酵过程中，同型产乙酸相消耗产氢产酸相产生的氢气和二氧化碳来合成乙酸，降低氢分压对于系统的抑制作用，提高了乙酸的产量。
2.6 其他处理方式
木薯渣中所含植物纤维丰富，根据这个特点钱良玉[21]利用木薯渣植物纤维为主要原材料，以淀粉和PVA共混作为材料的胶黏剂及增强剂，所有原料均可被生物降解，制备一种环境友好型，绿色食品包装材料，为农业废弃木薯渣的综合利用开辟新途径。
3 结束语
利用木薯渣的方式虽然较多，但是由于种种原因都没有得到很好的推广。利用木薯渣作饲料，存在适口性较差、营养价值等缺点，此外木薯渣水份多，不易保存的特点，更加限制了其在饲料方面的应用。采用堆肥的方式处理木薯渣存在可能产生氰化物，从而使植物中毒的风险。利用木薯渣作为栽培食用菌、木耳等植物的基质，对木薯渣的处理量较小，不能到达大量的处理木薯渣的目的。通过选用合适的微生物发酵，来提高木薯渣的口感和营养价值，从而用于饲料是一种很好的木薯渣资源化的方式。但是该方法应用还不广泛，技术也还不成熟。循环重复利用成为当今资源利用的目标，例如木薯渣发酵→饲用→沼气→肥料流程式可以较大提高木薯渣的利用率，符合当代农业系统自然资源可持续发展尤其是植物资源循环再利用的要求。因此，木薯渣发酵转化与利用过程还有待于进一步研究。另外，兼顾经济效益分析，在提高资源利用的同时使经济效益达到最大化。当前，以生物质材料生产液体燃料替代部分化石能源，从而缓解资源能源短缺已成为共识。将木薯渣回收，变为能源是今后研究的重点。木薯渣中含有淀粉、纤维素、木质素，采用一定的技术手段，将三者有效分离，纤维素被纤维素酶水解后，经酿酒酵母发酵制备乙醇以替代部分化石由微生物发酵生产其它化学品；半纤维素组分用来生产木糖、木糖醇；木质素可直接燃烧提供热能。此外采用新的技术和方法，将木薯渣加工为新的产品，从而实现从废物到原料的转变也是一种新的途径。
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论文作者:王子豪1
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：木薯论文; 饲料论文; 废弃物论文; 堆肥论文; 淀粉论文; 乙醇论文; 乙酸论文; 《防护工程》2018年第12期论文;