基于期望函数优化的稀硫酸热水解干燥食物废弃物制备发酵友好型水解液用于生物制氢研究

本研究针对食物废弃物(FW)资源化难题，通过系统优化稀硫酸(H2SO4)热水解工艺参数（酸浓度、固液比、温度等），采用多目标期望函数法在Design-Expert 13.0中实现还原糖产量最大化（35.43 g/L）同时抑制发酵抑制物5-羟甲基糠醛(HMF)和糠醛生成（分别0.14 g/L和0.55 g/L）。该水解液富含蛋白质和微量元素且重金属安全，为FW高效转化为生物氢能提供了优质发酵底物。

　　

论文解读

全球每年产生约13亿吨食物废弃物(FW)，其高有机质含量（挥发性有机物达96%）与丰富糖类（25.5-143 g/L）使其成为生物能源生产的理想原料。然而，FW中复杂的多糖结构阻碍微生物直接利用，传统处理方法如堆肥或填埋难以实现高附加值转化。更棘手的是，常规酸水解过程会产生强效发酵抑制物5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF)和糠醛(furfural)，当浓度超过1 g/L时可使生物氢(biohydrogen)产量骤降76%。如何在高效释放还原糖的同时控制抑制物生成，成为FW能源化利用的核心瓶颈。

针对这一挑战，Sirindhorn International Institute of Technology的研究团队Julkipli Julkipli和Sandhya Babel在《Biomass and Bioenergy》发表研究，创新性地采用期望函数(desirability function)多目标优化策略，系统探索稀硫酸热水解(dilute sulfuric acid thermohydrolysis)干燥FW的最佳工艺参数组合。研究通过两阶段实验设计：先通过筛选实验确定关键活性因子（硫酸浓度、固液比、温度等6个变量），再运用Design-Expert 13.0软件进行数值优化，最终获得水解液还原糖浓度35.43 g/L、HMF 0.14 g/L、糠醛0.55 g/L的优异指标，预测误差<10%。该水解液还含有2.65 g/L蛋白质和多种必需金属元素（Mg、Zn等），为后续生物制氢提供了营养均衡的发酵底物。

关键技术方法
研究采用多因素实验设计，以干燥FW（来源于大学食堂）为原料，考察H₂SO₄浓度(0.5-2.5%)、温度(60-100°C)等6变量对水解效果的影响。通过3,5-二硝基水杨酸法测定还原糖，高效液相色谱(HPLC)定量HMF和糠醛，结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析金属含量。采用期望函数将多目标（高糖/低抑制物）转化为0-1标度的综合评分，通过响应面模型寻找最优参数组合。

研究结果

干燥食物废弃物特性
FW经干燥后总固体(TS)达93.3%，挥发性固体(TVS)占比89.6%，证实其高有机质特性。pH 5.6的弱酸性环境有利于后续酸水解，而33%的脂类含量提示需添加油固化剂(1.49 g)以防止油脂干扰。

最优水解条件
数值优化确定最佳参数为1.53% H₂SO₄、6 mL酸液/g干燥FW、80°C静态水解60分钟。该条件下复合期望值达0.80，显著优于文献报道的玉米秸秆水解效果（还原糖12 g/L，糠醛0.4 g/L）。

水解液组分分析
除高还原糖外，水解液含2.65 g/L蛋白质和0.30 g/L NaCl，提供微生物生长所需氮源和电解质。重金属检测显示Cr、Cd低于安全限，而Mg(146 mg/kg)、Zn(35 mg/kg)等微量元素可促进氢化酶活性。

结论与意义
该研究通过多目标优化成功破解FW水解过程中"高糖得率"与"低抑制物"的矛盾，所获水解液的还原糖/HMF比值较传统工艺提升8倍。静态反应(0 rpm)的优选结果降低了能耗，80°C的温和条件更具工业可行性。特别值得注意的是，水解残渣(PHFW)的TVS降低21.3%，证实该工艺能有效分解顽固有机物。这项成果为FW规模化生物制氢提供了关键技术支撑，推动实现"废弃物-清洁能源-微量元素循环"的可持续模式，对发展低碳生物经济具有重要示范意义。