石榴残渣作为生物乙醇发酵原料的工艺设计与特性研究：一种可持续的农业废弃物资源化策略

推荐：本研究针对石榴加工残渣(PRs)利用率低、管理困难的问题，开发了基于酸热联合预处理（0.05 M H2SO4+121°C灭菌）的无酶水解工艺，结合葡萄干残渣(SRs)提取物构建混合发酵基质（60/40% v/v）。采用酿酒酵母(S. cerevisiae)BLR菌株实现乙醇产量50.0±0.6 g/L，产率(Yps)达0.423 g/g，并通过Aiba模型定量描述发酵动力学，为农业废弃物高值化利用提供了经济环保的解决方案。

　　

石榴作为"超级水果"近年来因其丰富的多酚类物质而广受追捧，全球石榴汁产业蓬勃发展的同时，每生产1吨浓缩汁就会产生5-5.5吨的果皮和种子残渣(PRs)。这些富含纤维素、半纤维素和可发酵糖（如D-葡萄糖和D-果糖）的农业废弃物，在希腊等主产国面临着日益严峻的处理压力——它们或被简单堆肥，或被制成燃料颗粒，未能充分发挥其生物炼制潜力。与此同时，全球对第二代生物乙醇的需求持续增长，这种以非粮生物质为原料的"绿色燃料"可有效缓解"与人争粮"的伦理困境，但木质纤维素预处理成本高、抑制剂生成多等问题始终制约着其产业化进程。

针对这一双重挑战，希腊帕特雷大学的研究团队在《Carbon Resources Conversion》发表了一项创新研究。他们开发了一套完整的PRs资源化技术路线：通过优化酸热预处理条件（0.05 M H₂SO₄结合高温灭菌）实现50.5%的总糖提取率和94.9%的水解效率；创新性地引入当地另一种农业副产品——科林斯葡萄干残渣(SRs)提取物（40% v/v）构建混合发酵基质，使还原糖浓度提升至122.1 g/L；最终采用野生型酿酒酵母(S. cerevisiae)BLR菌株实现84%的理论乙醇转化率，最大乙醇浓度达50.0±0.6 g/L。该研究不仅证实了PRs作为发酵原料的可行性，更通过Aiba模型（R²=0.770）定量揭示了乙醇和酚类物质（初始含量2.3 g/L没食子酸当量）对发酵动力学的复合抑制机制，为农业废弃物的工业化生物转化提供了重要参考。

关键技术方法包括：1) 采用分级预处理策略（酸浓度梯度+煮沸/灭菌）优化PRs多糖提取；2) HPLC-RI（折射率检测器）分析糖组成和乙醇产量；3) DNS法测定还原糖，Folin-Ciocalteu法测总酚；4) 构建细胞密度-生物量校准曲线；5) 应用Python 3.12.3进行Aiba、Monod等五种动力学模型拟合。

研究结果：
3.1 PRs提取物/水解产物的组成
原始PRs含糖量达58.8 g/kg，其中灭菌+0.05 M H₂SO₄预处理获得最高还原糖产量（28.2 g/L），HPLC显示主要含葡萄糖、阿拉伯糖和果糖。酚类物质提取率为15.2-31.6%，证实PRs是天然多酚库。

3.2 初步发酵试验与工艺优化
比较发现野生型BLR菌株在PRs/SRs混合基质中的发酵性能优于实验室进化菌株BLR 200（乙醇产量高15%）。取消离心步骤使发酵周期缩短8小时，推测固体残留物可能提供保护性微环境。

3.3 最终发酵实验与建模
Aiba模型最能准确描述发酵动力学（μ_max=0.135 1/h，K_px=0.206 g/L），其预测的乙醇产率(Y_ps=0.423 g/g)与实测值(0.409±0.034)高度吻合。添加酚类抑制参数的改进模型未提升拟合度，表明复杂基质中多因素抑制作用需更精细建模。

这项研究开创性地将两种地中海特色农业废弃物（PRs和SRs）转化为高效发酵基质，其工艺设计有三大突破：1) 避免使用有机溶剂和商业酶制剂，降低成本；2) 通过天然基质配伍（PRs+SRs）实现营养互补；3) 证实酚类物质（2.3-2.5 g/L）的存在虽抑制酵母生长（Y_xs仅0.055 g/g）但不阻碍乙醇高产。该成果为希腊等农业国家提供了可推广的"废弃物-能源"转化范式，其建立的动力学模型对复杂基质的工业化发酵控制具有普适指导价值。未来研究可聚焦于酚类物质的同步回收利用，以及通过合成生物学手段改造酵母菌株的胁迫耐受性，进一步提升过程经济性。