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为应对化石燃料枯竭及能源危机，研究人员针对西瓜皮（WMP）开展生物制氢工艺优化研究。采用 Plackett–Burman（PB）和 Box–Behnken（BB）设计筛选并优化关键变量，最终使氢产量提升 103.25%，为农业废弃物资源化提供新路径。
全球正面临日益严峻的能源短缺与环境污染双重挑战，化石燃料的过度消耗不仅导致碳排放激增，更威胁到能源供应链的稳定性。在此背景下，开发清洁、可再生的生物能源成为科学界与工业界的共同目标。生物氢作为一种高能量密度（143 kJ g-1）且碳中性的生物质燃料，被视为替代化石燃料的理想选择。然而，传统生物制氢工艺普遍存在原料成本高、效率低等问题，尤其依赖粮食作物作为底物，易引发 “与人争粮” 的伦理争议。因此，探寻低成本、可持续的非粮原料及高效生产工艺，成为突破生物氢产业化瓶颈的关键。
西瓜作为全球重要的经济作物，其果皮占果实总重量的 60% 左右，每年产生约 4200 万吨废弃物。这些西瓜皮（WMP）富含碳水化合物（72.42%）、维生素、氨基酸及酚类化合物，却因缺乏有效回收途径而造成资源浪费与环境污染。基于此，埃及苏伊士大学（Suez University）的研究团队开展了一项创新研究，旨在利用丁酸梭菌 NE133（Clostridium butyricum NE133）通过暗发酵（DF）技术将西瓜皮转化为生物氢，并通过统计优化方法提升产氢效率。该研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》，为农业废弃物的高值化利用提供了重要科学依据。
研究人员采用两步统计优化策略：首先通过 Plackett–Burman（PB）设计从初始 pH、温度、西瓜皮浓度等 8 个变量中筛选出 4 个关键影响因子 —— 初始 pH、WMP 浓度、乙酸钠和乙酸铵；随后利用 Box–Behnken（BB）设计结合响应面法（RSM）构建二阶多项式模型，进一步优化关键变量。实验过程中采用气相色谱 - 质谱（GC–MS）分析发酵前后代谢产物，并通过 Modified Gompertz 模型（MGM）进行动力学分析，验证优化策略的有效性。
关键技术方法
- PB 设计筛选关键因子：通过 27 次实验（含 3 个中心点）评估 8 个变量对产氢的影响，确定初始 pH、WMP 浓度、乙酸钠、乙酸铵为显著影响因子（P<0.05）。
- BB 设计优化工艺参数：针对 4 个关键变量设计 27 次实验，构建以氢产量为响应值的二阶模型，确定最佳条件为初始 pH 8.98、WMP 浓度 44.75%、乙酸钠 4.49 g/L、乙酸铵 1.15 g/L。
- 动力学建模与代谢分析：利用 MGM 拟合产氢曲线，计算滞后时间（λ）、最大产氢速率（Rmax）等参数；通过 GC–MS 检测发酵前后脂肪酸组成变化，验证代谢路径。
研究结果
1. 关键因子筛选与模型验证
PB 设计结果表明，初始 pH（P<0.001）和 WMP 浓度（P<0.001）对产氢的影响最为显著，乙酸钠（P=0.023）和乙酸铵（P=0.048）次之，模型决定系数 R2=85.95%，显示良好拟合度。通过曲率检验（P=0.040）确认响应值位于最优区域，需进一步优化。
2. 工艺参数优化与验证
BB 设计构建的二阶模型 R2=0.9902，预测最大氢产量为 4703.23 mL/L。验证实验表明，实际产量为 4675.33±30.24 mL/L，与预测值误差仅 0.59%，证实模型可靠性。优化后产氢量较初始条件提升 103.25%，显著优于同类研究中水果皮的产氢效率。
3. 动力学分析与代谢产物特征
MGM 分析显示，优化条件下滞后时间（λ）为 21.85 h，最大产氢速率（Rmax）达 1849.67 mL/(L?h)，较优化前提升近 1 倍。GC–MS 检测显示，发酵后棕榈酸含量从 6.68% 降至 1.29%，同时生成丁酸等短链脂肪酸，表明西瓜皮中的碳水化合物有效转化为产氢底物。
结论与意义
本研究首次将统计优化策略应用于西瓜皮生物制氢领域，通过 PB 与 BB 设计的结合，成功建立高效产氢工艺，为农业废弃物资源化利用提供了新范式。研究证实，西瓜皮不仅是优质的生物氢原料，其含有的脂肪酸成分还可通过抑制耗氢微生物进一步提升产率。该成果不仅为缓解能源危机提供了技术路径，更通过废弃物循环利用助力 “碳中和” 目标，具有显著的环境效益与经济潜力。未来研究可进一步探索规模化生产工艺及丁酸梭菌 NE133 的代谢机制，推动生物氢技术的产业化应用。
