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乌干达鳄梨果实的生物加工快速成功

时间:2022-09-12 | 作者:林嘉桑
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摘要:生物加工可以帮助恢复鳄梨的经济价值(Persea americana) 在乌干达。本研究回顾了乌干达鳄梨生物加工的原始潜力。鳄梨由果肉、种子和果皮组成。审查表明,废弃的种子和果皮对于开发高价值产品至关重要。可食用部分和废物(果皮和种子)都可以通过固态发酵过程用于生产沼气。可以通过称为酯交换的过程使用鳄梨种子油开发生物柴油。与废弃食用油相比,鳄梨油是生物柴油生产的更好替代品,因为它不需要进一步的转化过程来将脂肪酸转化为酯。富含淀粉的鳄梨种子是生物乙醇、色素和淀粉生产的合适基质。高淀粉含量使鳄梨果实具有以下潜力:1)生产生物塑料的原料;2) 用于细菌培养基生产的基质,而不是兼作主食的马铃薯、谷物和木薯。鳄梨种子还可用于生产与防止酶促褐变相关的抗氧化剂,从而延长产品保质期。尽管取得了快速的成功,但仍需要增加研究、融资、人员培训和制定适当的政策,以激发乌干达鳄梨生物加工的好处和未开发的潜力。仅将鳄梨废料转化为高价值产品的循环经济就可以增加环境收益并刺激工业发展,特别是乌干达的化妆品、食品和制药行业。鳄梨种子还可用于生产与防止酶促褐变相关的抗氧化剂,从而延长产品保质期。尽管取得了快速的成功,但仍需要增加研究、融资、人员培训和制定适当的政策,以激发乌干达鳄梨生物加工的好处和未开发的潜力。仅将鳄梨废料转化为高价值产品的循环经济就可以增加环境收益并刺激工业发展,特别是乌干达的化妆品、食品和制药行业。鳄梨种子还可用于生产与防止酶促褐变相关的抗氧化剂,从而延长产品保质期。尽管取得了快速的成功,但仍需要增加研究、融资、人员培训和制定适当的政策,以激发乌干达鳄梨生物加工的好处和未开发的潜力。仅将鳄梨废料转化为高价值产品的循环经济就可以增加环境收益并刺激工业发展,特别是乌干达的化妆品、食品和制药行业。人员培训和制定适当的政策,以刺激乌干达鳄梨生物加工的好处和未开发的潜力。仅将鳄梨废料转化为高价值产品的循环经济就可以增加环境收益并刺激工业发展,特别是乌干达的化妆品、食品和制药行业。人员培训和制定适当的政策,以刺激乌干达鳄梨生物加工的好处和未开发的潜力。仅将鳄梨废料转化为高价值产品的循环经济就可以增加环境收益并刺激工业发展,特别是乌干达的化妆品、食品和制药行业。

关键词

鳄梨,生物加工,高价值产品,工业发展,乌干达

一、简介

鳄梨 (Persea americana) 是一种浆果状水果,含有来自墨西哥和中美洲的单个种子 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。鳄梨在不同的气候条件和管理实践下生长 [ 4 ],这有利于其在全球范围内的生产。2017 年,世界鳄梨产量约为 592 万吨 [ 5 ]。北美洲和中美洲占农产品的最大份额,约占 70.3%,其次是非洲和亚洲,分别为 15.2% 和 10.9% [ 6 ]。在东非 (EA),鳄梨产量在 2005 年至 2017 年间从 245,063 吨大幅增加至 384,759 吨 [ 7 ]。图1表明 EA 中的鳄梨产量与收获面积直接相关。这可归因于 EA 有利的气候和土壤条件。

牛油果在当地被称为 Ovakedo,几乎遍布乌干达的所有地区 [ 8 ]。这归因于它在不同的海拔和气候条件下茁壮成长的能力。该作物在海拔 1400 至 1600 米的海拔范围内生长良好 [ 8 ]。根据 [ 9 ],乌干达的大部分鳄梨生产是在 Mpigi、Masaka、Kampala、Mukono、Iganga、Tororo 和 Mubende 地区进行的。根据 [ 8 ],Jumbo 和 Hass 是乌干达种植最多的鳄梨品种。鳄梨富含营养和药用成分 [ 10 ] [ 11 ]。在不考虑香蕉的情况下,假设鳄梨的营养价值是其他水果的四倍 [ 12]。这部分解释了生产和消费率的提高。

鳄梨果实由果肉、种子和果皮三部分组成(图 2)。在乌干达,鳄梨肉是整个水果中使用最多的。它作为食物沙拉食用。种子和果皮要么被用作动物饲料,要么被丢弃到花园里,在那里发酵以将肥料添加到土壤中。尽管如此,乌干达的众多记录在案的健康和营养益处、鳄梨增值和生物加工仍然很差 [ 13 ]。通过生物加工,可以开发出几种高价值的鳄梨产品。生物加工涉及使用活细胞或其组成成分来开发不仅是所需的而且是高价值的产品 [ 14 ] [ 15]。高价值的鳄梨产品有可能覆盖不同年龄段的消费者。本文旨在回顾乌干达鳄梨果实生物加工的潜力,以及该行业发展的机遇和限制因素。

图 1。2005 年至 2017 年东非地区的鳄梨总产量和收获面积 [ 7 ]。

图 2。鳄梨果实 [ 16 ]。

2.鳄梨果实的营养和理化成分

鳄梨果实含有大量人类食用的必需营养素。根据 [ 17],牛油果的一半由膳食纤维(4.6克)、总糖(0.2克)、钾(345毫克)、钠(5.5毫克)、镁(19.5毫克)、维生素A(5.0微克RAE)、维生素 C (6.0 mg)、维生素 E (1.3 mg)、维生素 K1 (14 μg)、叶酸 (60 mg)、维生素 B6 (0.2 mg)、烟酸 (1.3 mg)、泛酸 (1.0 mg)、核黄素 (0.1 mg)、胆碱(10 mg)、叶黄素/玉米黄质(185 μg)、隐黄质(18.5 μg)、植物甾醇(57 mg)和高单不饱和脂肪酸(6.7 g)和114 kcal或1.7 kcal/g(调整后)用于不溶性膳食纤维)。这些可以具有广泛的健康益处。叶酸、维生素 C、核黄素和维生素 B6 在铁吸收、红细胞形成和/或血红蛋白功能中都是必不可少的。根据 [ 18],在当代喂养的婴儿中,超过 45% 的婴儿超过了推荐的钠摄入量,而只有 5% 的婴儿达到了推荐的膳食钾摄入量。将鳄梨引入婴儿饮食可能会改善这种情况,因为它的钠含量较低,但钾含量丰富。鳄梨中的植物甾醇具有很好的抗炎特性。鳄梨中的维生素 C 和维生素 E 有助于滋养皮肤。单不饱和脂肪有助于降低血液中的胆固醇水平并降低患心脏病的风险。

3. 乌干达鳄梨果实生物加工的潜力

3.1。用于生产生物能源的鳄梨

能源是大多数人类活动的主要驱动力 [ 19 ]。它来自可再生和不可再生资源。尽管不可再生能源的能源密度可能更高,但它们会造成环境污染 [ 20 ]。使用可再生资源(如生物废物)变得很方便 [ 21 ] [ 22 ]。鳄梨具有巨大的生物能源生产潜力。鳄梨可用于生产沼气 [ 21 ]、生物乙醇 [ 23 ] 和生物柴油 [ 24 ]。

3.1.1。沼气发电

对于所有能源形式,乌干达的电力供应在全国范围内约占 20.4%,在农村地区约占 10% [ 25 ]。沼气发电可以改善乌干达大多数家庭的能源覆盖率,特别是在没有电网的地区做饭和照明。因此,用沼气代替柴火做饭可以减少对森林覆盖的压力。乌干达的森林覆盖被大量入侵,用于制造木柴和木炭,这些能源占国内一次能源消耗总量的近 95% [ 26 ]。沼气的使用还使经常承担烹饪任务的妇女和儿童免于持续暴露于烟雾的危险[ 27]。使用沼气照明有助于改善生活条件,因为它减少了人类接触因石蜡蜡烛燃烧而产生的致癌烟雾 [ 28 ]。

沼气是通过可食用部分和种子和皮肤等废物部分的固态发酵产生的。除了能量之外,鳄梨的厌氧消化还会产生用作有机肥料的有机残渣 [ 19 ] [ 29 ]。虽然鳄梨被用作食物,但将鳄梨废料用于能源生产减少了鳄梨生物加工对粮食安全的影响 [ 30 ]。鳄梨种子约占总果实的 16% [ 6 ] [ 31 ] - [ 36 ]。然而,它是水果中未被充分利用的部分之一 [ 10 ]。Perea-Moreno 等人对鳄梨种子能量潜力的评估。[ 6] 表明鳄梨石具有更高的高热值 (HHV),使其成为一种可行的能源。参考文献 [ 22 ] 报道称,鳄梨种子比香蕉皮和马铃薯皮更早地达到了其最终的沼气潜力。鳄梨皮可以作为沼气生产的基质。副产品的使用也将减少其对乌干达环境的负面影响 [ 2 ] [ 37 ] [ 38 ]。

3.1.2。生物柴油发电

生物柴油可以通过称为酯交换的过程使用鳄梨油生产 [ 24 ]。已发现生物柴油比石油柴油具有更好的优势,因为它的一氧化碳排放量低 [ 24 ]。此外,生物柴油燃烧产生的二氧化碳通过光合作用循环利用,从而减少温室效应 [ 24 ] [ 39 ]。生物柴油可将颗粒物排放量减少 75% 以上 [ 40 ]。生物柴油主要是利用废弃的食用油生产的。然而,废弃食用油具有影响生物柴油质量的不同特性 [ 41]。因此,非食用植物和动物油脂的使用已成为流行。鳄梨籽油含有少于 2% 的游离脂肪酸,因此不需要进一步的转化过程来将脂肪酸转化为酯 [ 39 ]。

3.1.3. 生物乙醇生成

生物乙醇是来源于生物来源的乙醇,尤其是单糖和纤维素。使用催化剂和酶,多糖通过加热水解成葡萄糖。然后将葡萄糖发酵以产生乙醇[ 42 ]。生物乙醇的使用正在增加,主要是因为与化石燃料相关的环境问题以及化石储量的枯竭 [ 43 ]。鳄梨种子富含淀粉,约占其总成分的 30%(湿基)[ 31 ]。这使得鳄梨种子的水解和发酵成为可能。生物乙醇是开发家用和个人产品(如化妆品和美容产品、发胶和乳液)的重要成分 [ 44 ] [ 45]。就像在化妆品中使用酒精工业中的乙醇对伊斯兰教派有争议一样,通过自然发酵获得的生物乙醇的使用促进了伊斯兰社区的市场接受度 [ 45 ] [ 46 ]。生物乙醇也为燃料工业做出了贡献。生物乙醇在运输中用作辛烷值增加剂,因为它的辛烷值为 108,高于 88 的汽油 [ 47]。还需要注意的是,随着整个世界都在与致命的冠状病毒 (SARS-CoV-2) 争吵,在乌干达,酒精消毒剂已被广泛推广,作为控制 COVID19 疾病传播的策略。牛油果中的生物乙醇有助于开发这些消毒剂,从而提高牛油果的市场价值。世界卫生组织将 80% (v/v) 的乙醇列为基本药物 [ 48 ]。基于鳄梨的生物乙醇可进一步用于生产甲基化酒精。甲基化酒精的体积约为 90% [ 49]。甲基化酒精也称为变性乙醇,可用作化妆品、香水和香水生产中的防腐溶剂。甲基化酒精用于清洁和消毒伤口以防止细菌生长。乌干达的甲基化酒精市场广阔,包括社区卫生单位、机构卫生中心、医院以及美发沙龙。

3.2. 用于生产颜料的鳄梨

颜料在乌干达发挥了重要作用,特别是在制造垫子、绳索、家用工艺材料以及工业皮革生产方面 [ 50 ]。天然和合成染料都已使用。然而,天然染料比合成染料更具优势,因为它们毒性较小、不致癌且可生物降解 [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]。越来越需要环保且毒性较低的着色解决方案 [ 51 ]。目前,作为保护自然的方式,消费者愿意为环保产品支付相对较高的价格[ 53]。这使得使用鳄梨生产颜料更加可行。许多研究强调鳄梨种子是生产色素的原料 [ 36 ]。最大百分比的颜料与油一起被提取。尽管如此,许多其他色素仍未被利用,因为它们存在于鳄梨的果肉和果皮中 [ 54 ]。

3.3. 用于生产淀粉的鳄梨

乌干达的淀粉主要是进口的。淀粉用于食品中,因为它为食品提供了理想的质地和稠度 [ 31 ] [ 36 ] [ 55 ] 和制药工业作为赋形剂 [ 56 ]、片剂和胶囊粘合剂、稀释剂和崩解剂 [ 55 ] ]。多年来,玉米、马铃薯、木薯和稻谷一直被用于生产淀粉。然而,不同工业应用对淀粉的高需求带来了食品安全问题。参考文献 [ 57 ] 指出需要研究淀粉的替代来源。已发现鳄梨种子含有约 30%(湿基)[ 31 ]和 75%(干基)淀粉含量 [ 35 ][36 ] [ 58 ] 取决于品种。因此,鳄梨种子具有生产淀粉的潜力 [ 34 ] [ 35 ]。鳄梨中的淀粉可用于制造纸张、粘合剂和用于不同食品的可生物降解包装材料 [ 31 ] 以及纺织工业 [ 57 ]。可以开发的一些可生物降解的包装物品包括一次性杯子和盘子。这些生物基包装材料可能为传统合成包装材料提供一种可能的替代品,从而减少与包装材料使用相关的环境影响 [ 59 ]。

3.4. 用于生产抗氧化剂的鳄梨

乌干达的水果加工业稳步增长。在乌干达加工的水果,如香蕉、马铃薯、爱尔兰马铃薯、芒果、菠萝等,容易发生酶促褐变。酶促褐变被认为是继微生物污染之后导致食品变质的第二大原因 [ 60 ]。褐变会导致水果失去风味、气味和营养价值 [ 61 ]。采用的一些方法包括热处理(热烫)、使用气调保护和浸入抗褐变剂 [ 60 ] [ 61]。虽然热烫是最常见和最有效的方法,但它会改变食品的风味和营养价值。因此,使用有机抗褐变剂可以显着改善食品工业。鳄梨石多酚含量高,具有抗氧化和抗菌能力 [ 32 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]。抗氧化剂在食品保鲜中非常有用,可以延长保质期并防止酶促褐变。

3.5. 用于生产细菌培养基的鳄梨

培养基用于微生物的生长和鉴定。培养基是微生物生长所需的碳、氮、能量、硫、磷和矿物质的来源[ 65 ]。商业上可用的培养基价格昂贵,有时甚至无法获得,尤其是在发展中经济体 [ 65 ] [ 66 ]。细菌培养基的这些高成本引发了对使用当地可用且负担得起的原材料开发替代培养基的广泛研究[ 67 ]。因此,使用生物制品作为培养基受到了特别的关注[ 66]。植物材料及其衍生物含有许多与微生物生长和发酵相关的营养物质,如糖、氨基酸、维生素和矿物质 [ 68 ]。废鳄梨种子的高淀粉含量(75% 干基)[ 34 ] 更好地将鳄梨果实作为细菌培养基生产的潜在基质,而不是马铃薯、谷物和木薯作为食品材料的两倍。

4. 乌干达鳄梨生物加工发展的机遇

鉴于以下原因,乌干达的鳄梨生物加工可能处于其发展的关键点:

4.1。将生物过程工程纳入麦克雷雷大学课程

虽然乌干达的生物工艺发展不完善,但在马凯雷雷大学课程中引入生物工艺工程后仍有希望 [ 69 ]。该计划在 2019 年 8 月入学时看到了它的先驱学生。生物工艺工程项目将为学生从事新兴的生物工艺和生物燃料行业做好准备,以利用可再生和可生物降解的资源开发能源和相关化学产品。这将通过在大学学习期间的动手实践和实习机会来实现。因此,该计划将为乌干达生物加工劳动力的发展铺平道路。乌干达的水果加工业稳步增长。

4.2. 乌干达愿景 2040

乌干达 2040 年愿景设想将乌干达从占主导地位的低收入经济体跨越到具有竞争力的中等收入经济体。发展农业是突出蓝图的重点战略之一。该愿景侧重于将农业增值作为增加不同农产品市场价值的战略 [ 70 ]。这解释了乌干达政府支持农业和附属部门的承诺。此外,生物加工的采用将有助于开发鳄梨的高价值产品,以支持最终为人口创造就业机会的各个行业。

4.3. 提高环保意识

全球变暖的影响越来越大,引起了极大的警觉。乌干达与姐妹国家一样,也加入了减少气候变化后遗症的行列。生态友好且需要易于补充的有机底物的生物工艺的使用已得到广泛推广。使用使用鳄梨淀粉开发的生物塑料,作为沼气生产的浆液产生的生物肥料,生物能源可以显着促进乌干达的环境可持续性。它们将减少对木材的依赖,木材是目前乌干达农村地区使用最广泛的能源 [ 71 ] [ 72 ],使用对环境有长期影响的合成肥料。

5. 乌干达鳄梨生物加工的局限性

即使有充分证明的健康和营养益处,乌干达的鳄梨生物加工仍然微不足道。发展的主要障碍包括:

5.1。农民和生产者的意识有限

大多数农民和鳄梨经销商不知道鳄梨果实具有什么潜力。鳄梨生物加工并不是一个经过充分调查以了解其对乌干达经济的潜在贡献的途径。由于关于它们在石油开采和能源生产等方面的利用程度的信息有限,过量且相对不那么适口的鳄梨经常被浪费掉。

5.2. 训练有素的人员不足

生物加工是一个如此关键的过程,它依赖于诸如底物浓度、酶、pH 和温度等环境条件 [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]。因此,重要的是要对从事生物过程的人员进行足够的培训,以在最佳水平上管理不同的条件 [ 73 ]。乍一看,乌干达没有足够的经过培训的生物加工人员。马凯雷雷大学和肯博戈大学开设的化学工程、食品技术、生物技术等姊妹专业已经培养出多名毕业生。然而,这些已经在其他科学分支中寻找机会,而不是生物加工。

5.3. 农民的财政能力有限

生产高价值产品需要主要从发达国家进口的高科技机器。这些运输成本很高,因此对小规模农民来说变得昂贵。金融机构还在严格的条件下以非常高的利率提供贷款。因此,许多加工商无法为其生产获得经济上的推动。乌干达的几家金融机构对农业贷款的贷款利率进行了补贴,但农民的采用率仍然很低。这可能是由于贷款缺乏抵押品[ 76 ]。就像其他农产品一样,有限的农业融资是鳄梨生物加工发展缓慢的原因。

5.4. 生物加工研究有限

没有关于乌干达鳄梨生物加工潜力的研究发表,这表明研究有限。如果要将复杂系统改造成可在乌干达等发展中国家使用的适当技术 (AT),则鳄梨生物加工与其他相关技术一样需要进行广泛的研究。适当的技术必须适合小规模生产,易于使用和维修,而且成本相对较低 [ 77 ]。这与该技术的采用率低有关,从而阻碍了鳄梨生物加工的巨大好处。

5.5. 缺乏指导性政策

乌干达目前没有协调生物技术产业的政策。生物加工是一门有助于生物技术优势的学科。2012年,起草了《国家生物技术和生物安全法案》并提交议会讨论。该法案的制定是为了确保现代生物技术的安全开发和使用。该法案后来更名为 2018 年基因工程监管法案,并由乌干达议会通过。不幸的是,该法案被乌干达共和国总统驳回,因为该法案存在不一致之处。总统在议会批准成为法律之前向议会寻求补救。因此,该国仍然没有适当的框架来评估不同的生物加工及其后续产品的公众可接受性。

六、未来研究展望

该研究提供了有关使用牛油果生物加工促进乌干达经济转型的见解。尽管多项研究表明鳄梨具有发展化妆品、食品、制药行业的潜力,但未来的研究可以进一步加快这一进程。我们建议以下想法为未来的研究提供信息,尽管未按优先顺序列出:

• 开发适合开发乌干达鳄梨生物加工潜力的适当技术

• 评估乌干达种植的不同鳄梨品种的营养成分和植物化学成分。这将告知哪些品种最适合乌干达的各种生物工艺,从而告知生产可扩展性。

• 量化乌干达的鳄梨废物并评估其作为环境保护战略的生物能源生产潜力

7. 结论

本研究回顾了乌干达鳄梨生物加工的潜力。研究发现,鳄梨种子和果皮在生产沼气、生物柴油和生物乙醇、色素、淀粉、抗氧化剂和细菌培养基等产品方面具有无穷无尽的潜力。然而,需要增加研究、融资、人员培训和制定指导政策,以推动乌干达的鳄梨生物加工产业。生物能源的使用降低了温室气体排放水平,从而有助于环境保护。沼气可以大大减少对森林生物质的依赖,从而降低与木柴相关的健康风险。基于鳄梨的生物乙醇及其成分产品(如甲基化酒精)是化妆品、乳液、清漆以及防腐剂和消毒剂,但与工业乙醇相反,被广泛接受。以鳄梨为基础的颜料可以通过开发各种工艺品(如垫子、绳索和皮革制品)来推动旅游业。淀粉和抗氧化剂对医药和食品的开发至关重要。牛油果废料的使用不仅会产生高价值产品,而且有助于恢复其经济价值,帮助该国通过农业实现 2040 年乌干达愿景。牛油果生物加工将有助于促进工业发展,尤其是化妆品、食品、制药行业。淀粉和抗氧化剂对医药和食品的开发至关重要。牛油果废料的使用不仅会产生高价值产品,而且有助于恢复其经济价值,帮助该国通过农业实现 2040 年乌干达愿景。牛油果生物加工将有助于促进工业发展,尤其是化妆品、食品、制药行业。淀粉和抗氧化剂对医药和食品的开发至关重要。牛油果废料的使用不仅会产生高价值产品,而且有助于恢复其经济价值,帮助该国通过农业实现 2040 年乌干达愿景。牛油果生物加工将有助于促进工业发展,尤其是化妆品、食品、制药行业。

致谢

E. Baidhe感谢M.Sc的同事。马凯雷雷大学农业与生物系统工程系的农业工程系在进行这项研究时提供的帮助和支持。

利益冲突

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

参考

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