基于废咖啡渣的序贯预处理与选择性发酵联产D-甘露糖和生物乙醇的优化研究

研究人员针对废咖啡渣(SCGs)资源化利用难题，通过整合碱处理-漂白-NaOH-H2O2序贯预处理、纤维素酶/甘露聚糖酶水解和突变株Pichia stipitis MH05选择性发酵技术，实现葡萄糖高效转化为乙醇(产率71.7%)同时保留79.9%的D-甘露糖，为农业废弃物高值化利用提供新策略。

　　

咖啡作为全球消费量最大的饮品之一，每年产生约600万吨废咖啡渣(Spent Coffee Grounds, SCGs)，这些富含纤维素(12.4%)和半纤维素(39.1%)的生物质通常被填埋处理，不仅造成资源浪费，其分解过程产生的高耗氧量和残留咖啡因更会污染环境。与此同时，功能性糖D-甘露糖因其调节肠道菌群、增强免疫力等功效在食品医药领域需求激增，但传统植物提取法成本高昂。如何通过绿色工艺实现SCGs"变废为宝"，成为推动循环生物经济的关键课题。

韩国光州某研究团队在《Food Chemistry: X》发表的研究中，开发出"预处理-酶解-发酵"三级联产工艺。通过化学组分分析、固态¹³C NMR等技术评估预处理效果，采用自适应进化培育Pichia stipitis突变株MH05，结合HPLC监测代谢产物，最终实现SCGs中葡萄糖和甘露糖的精准分离转化。

3.1. 三步预处理对SCGs的影响
通过碱处理(A-SCGs)、漂白(AB-SCGs)和NaOH-H₂O₂处理(ABNH-SCGs)的序贯预处理，总糖含量从37.5%提升至74.1%，木质素去除率达98%。颜色测定显示?E值从77.7降至13.6，固态NMR证实甘露聚糖主链结构保留完整，为后续酶解奠定基础。

3.2. 酶解产糖效率
ABNH-SCGs经纤维素酶/甘露聚糖酶水解后，葡萄糖(15.3 mg/mL)和甘露糖(10.6 mg/mL)产量较原料分别提升5.44倍和3.49倍，证明预处理有效破除木质素屏障。

3.3. 甘露糖非发酵型酵母开发
通过2-脱氧葡萄糖(2-DOG)适应性进化获得突变株MH05，其在葡萄糖-甘露糖共培养体系中，甘露糖消耗速率降低90%(0.06 g/L·h)，而葡萄糖代谢保持0.86 g/L·h的效率，实现碳源选择性利用。

3.4. SCG水解液发酵性能
MH05发酵48小时后，保留79.9%的甘露糖(76 g/kg原料)同时转化54%葡萄糖为乙醇，较野生株YN14(完全消耗所有糖类)显著提升甘露糖回收率。

该研究创新性地将物理化学预处理与生物转化相结合：碱处理破坏木质素-碳水化合物复合物，漂白去除残余发色团，NH处理则进一步纯化多糖组分；突变株MH05通过代谢重构实现"葡萄糖专一性"发酵，突破传统酵母共代谢的技术瓶颈。从应用角度看，每公斤SCGs可联产76克高附加值甘露糖和40克生物乙醇，不仅提高经济效益，更减少13.6%的碳排放(以?E值计)。研究为农业废弃物精炼提供范式，其开发的适应性进化策略对其它微生物底盘改造具有普适性参考价值。