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为解决能源和化学品需求与环境问题，研究人员开展利用苹果废料生产 5 - 羟甲基糠醛（HMF）衍生物的研究。他们通过实验得出在优化条件下 HMF 产率达 34.6% ，并成功转化 HMF 为高值衍生物，该研究为农业废料增值提供可持续途径。
在当今时代，能源与化学品的需求随着人们日常活动的增加而不断攀升，与此同时，气候变化问题日益严峻，温室气体排放持续增多。在这样的大背景下，从依赖化石资源转向可再生资源和生物过程，成为了应对环境危机和满足能源需求的关键所在。5 - 羟甲基糠醛（HMF）作为一种极具潜力的化学原料，凭借其独特的化学性质和广泛的应用前景，受到了科研人员的高度关注。它就像一把万能钥匙，能够通过各种化学反应，转化为多种高附加值的化学品，在聚合物、医药、表面活性剂等众多领域都发挥着重要作用。
然而，传统的 HMF 生产方法存在诸多弊端。例如，使用的溶剂往往具有毒性，对环境不友好；反应过程复杂，产率较低且选择性差。与此同时，苹果作为全球广泛消费的水果，在食品加工过程中会产生大量的苹果废料，其中苹果渣约占苹果总质量的 25% - 30% 。这些苹果渣通常被视为废弃物，不仅造成资源浪费，还可能带来环境问题。但实际上，苹果渣含有丰富的简单糖类、水分和不溶性碳水化合物，是潜在的优质糖源，具备用于 HMF 生产的巨大潜力。因此，如何高效地将苹果废料转化为 HMF 及其衍生物，成为了科研领域的重要研究方向。
为了攻克这些难题，来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种生物工艺，利用表达 HMF 氧化酶（HMFO）的基因工程酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来生产 HMF 衍生物。同时，研究人员评估了深共熔溶剂（DES）结合微波辅助加热作为从苹果渣生产 HMF 的新型反应介质的可行性，并首次将所得富含 HMF 的介质通过工程酵母细胞生物转化为 HMF 衍生物。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为相关领域的发展提供了新的思路和方法。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是酶促糖化技术，利用商业酶对苹果渣进行处理，将其中的多糖转化为可发酵的糖类；其次是微波辅助加热技术，结合 DES，使苹果渣水解产物在特定条件下高效转化为 HMF；此外，还运用了基因工程技术，构建表达 HMFO 的工程酵母菌株，并通过全细胞生物转化实验，探究酵母细胞将 HMF 转化为其衍生物的能力。
下面来详细看看研究结果：
- 苹果渣的化学组成：研究发现，苹果渣的提取物部分占原料干重的 39.8% ，其中果糖是主要的单糖，占苹果渣提取物的 38.2% ，葡萄糖含量为 11.5% 。酒精不溶性部分（AIF）占苹果渣干重的 60.2% ，主要由细胞壁多糖、木质素等组成，其中葡聚糖含量最高，达 AIF 重量的 38.2% 。这表明苹果渣富含可用于生产 HMF 的糖类资源。
- 从苹果渣生产 HMF：
- 酶促糖化：通过对不同酶组合和底物浓度的研究发现，增加苹果渣酶促糖化过程中的底物浓度会降低产率，但添加果胶酶（Viscozyme）能显著提高葡聚糖向葡萄糖的转化率。在底物浓度为 20% 且添加果胶酶的条件下，葡萄糖产率可达 92.9% ，果糖几乎完全溶解，这为后续 HMF 的生产提供了富含糖类的水解产物。
- 微波辅助 HMF 生产：以苹果渣水解产物为原料，在不同温度、时间和 DES 浓度条件下进行微波辅助反应。结果显示，提高反应温度和时间能增加 HMF 产量，但反应时间过长可能导致 HMF 分解。在 160°C、30min 和 50% DES（氯化胆碱：乳酸，ChCl:LA 比例 1:9）的条件下，HMF 产率最高，达到 34.6% 。这表明该条件是从苹果渣生产 HMF 的较优反应条件。
- 全细胞生物转化 HMF 为 HMF 衍生物：
- 菌株筛选：对不同野生型和基因工程改造的酿酒酵母菌株进行筛选，评估其对 HMF 的解毒和转化能力。结果表明，所有菌株都能在 48h 内基本将 HMF 解毒转化，且工程菌株能积累 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA），证明了 HMFO 在催化 HMF 完全氧化为 FDCA 过程中的有效性。同时发现，不同的搅拌速度（代表不同的氧含量）会影响衍生物的积累，200rpm 时整体衍生物积累效果最佳。
- 苹果渣水解产物的生物转化：研究工程菌株 ER-msHMFO 对天然苹果渣水解产物中 HMF 的解毒能力，发现水解产物经 KOH 中和后，HMF 未完全转化，但能积累其衍生物。稀释水解产物后，菌株更倾向于将 HMF 转化为 5 - 甲酰基 - 2 - 呋喃甲酸（FFCA），且能积累 FDCA，产量为 3mM（0.5g/L），产率约 16% 。这表明利用苹果渣水解产物作为生物转化介质生产 HMF 衍生物是可行的。
- 糠醛的影响：研究发现糠醛会抑制 HMF 的转化，在含糠醛的合成培养基中，HMF 转化率仅 61% 且无 FDCA 积累。采用连续添加稀释水解产物的策略优化生物转化条件，虽能在一定程度上缓解抑制作用，但后续仍会因底物毒性导致酵母活性受抑制。不过，实验证明酵母能有效遵循 DFF 转化途径，体现了基因改造的有效性。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功探索了酶促糖化提高苹果废料糖类浓度的方法，实现了近 100% 的果糖溶解。利用 DES 结合微波加热从苹果渣生产 HMF，产率达 34.6% ，并首次利用表达 HMFO 的工程酵母将苹果渣来源的 HMF 转化为衍生物，获得 16% 的 FDCA 产率，还首次通过全细胞生物催化剂策略生产出 DFF 和 FFCA。这一研究成果为苹果渣的资源化利用提供了可持续的解决方案，推动了更绿色、更可持续的生物经济发展，在农业废料增值和可再生化学品生产领域具有重要的意义。它不仅为解决环境问题提供了新的途径，还为相关产业的发展提供了理论支持和技术参考，有望在未来得到更广泛的应用和推广。
