臭氧处理提升半纤维素水解物发酵性助力可持续木糖醇生产：开启绿色生物制造新篇

当前，利用稻草（RS）生产木糖醇面临 RS 水解物发酵性低的难题。研究人员探索 O3-H2O2（O-HP）联合活性炭（AC）处理 RS 水解物的效果。结果显示该方法能有效去除杂质，提升发酵性，为木糖醇生物制造提供新途径。

　　在当今追求可持续发展的时代，生物制造领域的研究不断深入。木糖醇作为一种重要的糖醇，其市场前景广阔，被美国能源部列为从木质纤维素生物质中产生的高价值化合物之一，在潜热存储系统等方面有重要应用。然而，传统的商业木糖醇生产过程存在诸多弊端，不仅能源和成本消耗大，使用的雷尼镍催化剂还具有致癌性，对环境和人体健康构成威胁。与此同时，大量剩余的稻草（RS）由于缺乏可持续的利用方式，常被焚烧或丢弃。稻草焚烧会释放大量有害污染物，如 PM2.5、CO₂、CO 等，加剧空气污染，导致呼吸道疾病，还贡献了全球 13% 的农业 CO₂排放；而稻草丢弃则会破坏土壤肥力，影响生物多样性。因此，利用稻草通过微生物合成木糖醇成为一种极具潜力的替代方法，既能实现稻草的资源化利用，又能降低木糖醇生产成本，促进可持续生物经济发展。但这一过程面临着严峻挑战，RS 预处理提取半纤维素（主要是木糖）时会产生多种有毒副产物，如酚类、呋喃类化合物等，这些杂质会抑制酵母的生长和代谢，降低 RS 水解物（RSH）的发酵性，使得酵母介导的木糖醇生产困难重重。为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项旨在探索臭氧和过氧化氢（O₃-H₂O₂，简称 O-HP）联合活性炭（AC）对 RSH 进行解毒和脱色处理效果的研究，该研究成果发表在《Environmental Technology 》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过酸水解法从当地收集的 RS 中制备 RSH，酸水解在高压灭菌器中进行，RS 与 1.5%（v/v）稀 H₂SO₄按 1:10 的比例混合，在 121°C 反应 30 分钟。接着，运用多种处理方法对 RSH 进行处理，包括 O-HP 处理、膜过滤、离子交换树脂处理和活性炭吸附等，并进行对比分析。然后，采用单因素实验法研究 O-HP 处理过程中 pH、温度、时间和 H₂O₂浓度等参数对 RSH 处理效果的影响，并利用中心复合设计（CCD）和人工神经网络（ANN）对 O-HP 处理过程进行优化和建模。最后，使用发酵实验，在 3L 和 14L 发酵罐中研究处理后的 RSH 发酵生产木糖醇的效果，并运用多种分析方法对发酵过程中的各项指标进行检测。
下面来看具体的研究结果：

• 半纤维素 RSH 的表征：RSH 中含有多种成分，总单糖含量约为 19.51±0.62gL^?1，其中木糖含量最高，达 14.94±0.50gL^?1。此外，还含有微生物抑制剂，如羧酸、呋喃（5 - 羟甲基糠醛（HMF）和糠醛）和酚类化合物等，这些抑制剂会对酵母发酵产生抑制作用。
• RSH 解毒处理的比较分析：不同解毒处理对 RSH 的成分有显著影响。纳米过滤、离子交换树脂和活性炭处理会导致木糖大量损失，而 O-HP 处理不仅能有效去除呋喃和总酚含量（TPC），还能增加木糖浓度，在脱色方面也表现出色，且成本相对较低，是一种可行的 RSH 解毒替代方法。
• O₃-H₂O₂过程影响因素的研究：研究发现，pH 对 O-HP 处理效果影响较大，虽然在碱性条件下脱色效果好，但会增加有机酸含量，抑制酵母发酵，因此选择在原生 pH 值下进行处理；温度升高会使木糖浓度增加，但对脱色效率影响不大；反应时间在 10 - 40 分钟内，木糖浓度随时间增加，超过 25 分钟后变化不大；H₂O₂的添加能提高解毒和脱色效率。
• O-HP 处理的统计建模和优化：通过 CCD 和 ANN 模型对 O-HP 处理进行优化和建模，结果表明 CCD 模型在预测处理效果方面更准确，但 ANN 模型在处理大数据集时可能更具优势。在理想操作条件下，模型预测的木糖浓度、酚类物质含量和脱色效果与实验结果吻合良好。
• 发酵用的水解物处理：将 O-HP 处理后的 RSH 的 pH 调至 3.5 后，进一步降低了 TPC，脱色效果与 2%（w/v）AC 处理相当，且木糖损失较少，发酵性能得到提升。
• 处理后 RSH 的定性分析：通过 UV 光谱和 IR 光谱分析发现，O-HP 处理后，RSH 中酚类化合物的羟基含量降低，木质素含量减少，表明 O-HP 处理有效改变了 RSH 的化学结构。
• AOP 处理的 RSH 与传统处理的 RSH 的比较分析：O-HP 处理的 RSH 发酵生产木糖醇的产量和产率均高于传统 AC 处理的 RSH，且与半合成培养基相当，说明 O-HP 处理能显著提高 RSH 的发酵性。
• 14L 发酵罐中木糖醇的生产：在 14L 发酵罐中，M. caribbica CP02 利用 O-HP 处理的 RSH 生产木糖醇，产量、产率和生产效率较高，发酵过程中的 pH 先下降后上升，通过动力学模型分析表明发酵过程符合相应模型，发酵效果良好。
  在结论与讨论部分，研究表明 O-HP 处理能够优先去除 RSH 中具有高电子密度的有毒微生物抑制剂，同时保留木糖含量。在酸性 pH 条件下对未处理的水解物进行 O-HP 处理，对 M. caribbica CP02 生产木糖醇最为有效，获得了比传统 2%（w/v）活性炭处理更高的木糖醇产量。此外，O-HP 处理还能轻松去除富含木糖醇的发酵 RSH 的颜色。该研究结果表明，使用高级氧化工艺（AOPs）对木质纤维素生物质水解物进行解毒，用于生物转化过程是一种可行的方法，为木糖醇的可持续生物制造提供了新的技术支持和理论依据，有望推动相关产业的发展，但仍需进一步深入研究以完善该技术在实际生产中的应用。