甜高粱残渣生物乙醇生产的预处理与酶解优化及酵母共培养发酵研究

本研究针对木质纤维素生物质中戊糖和己糖共利用的经济性发酵生产第二代生物乙醇的关键问题，通过优化甜高粱残渣(Sweet Sorghum Residue, SSR)的NaOH预处理和酶解工艺，采用Box-Behnken设计确定最佳参数（2% NaOH、1 mm粒径、50 min），实现纤维素含量提升至62.7%。通过共培养酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和树干毕赤酵母(Pichia stipitis)，在72小时发酵中获得16.8 g/L乙醇浓度，证实分步糖化发酵(SHF)工艺的商业化潜力，为废弃物能源化策略提供技术支持。

　　

随着化石燃料枯竭与环境问题加剧，生物乙醇作为可再生燃料备受关注。印度政府提出2025年实现20%乙醇掺混目标，但第一代乙醇的粮食竞争问题促使研究者转向木质纤维素等非粮原料。甜高粱残渣(SSR)因高纤维素含量(31.7%)、低水耗种植特性成为理想原料，但其复杂结构需通过预处理和酶解释放可发酵糖。目前，高效转化戊糖(C₅
)和己糖(C₆
)的微生物组合及工艺优化仍是技术瓶颈。

为突破上述限制，国内研究人员通过Box-Behnken响应面法优化SSR的NaOH预处理条件（浓度、粒径、时间），结合纤维素酶与木聚糖酶水解，采用分步糖化发酵(SHF)策略，共培养S. cerevisiae MTCC 174和P. stipitis NCIM 3497，系统评估乙醇产出效率。研究发表于《Next Sustainability》，为农林废弃物高值化利用提供实验依据。

关键技术包括：1) 化学组分分析（NREL标准方法）；2) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)表征结构变化；3) 响应面法优化酶解参数（温度、时间、底物浓度、酶比例）；4) 气相色谱-质谱联用(GC-MS)检测乙醇及抑制物。

3.1 化学组成分析
未处理SSR含31.7%纤维素、22.32%木聚糖和16.7%木质素。经2% NaOH预处理后，纤维素含量提升至63.7%，木质素去除率达69.4%，证实碱处理有效破坏木质素屏障。

3.2 预处理优化
响应面模型显示，1 mm粒径、2% NaOH处理50分钟时纤维素响应值最佳（63.7%）。扰动图表明NaOH浓度与粒径对纤维素含量影响显著，而时间作用较弱。

3.3 酶解工艺
在50℃、72小时、1:2酶载量下，还原糖产量达42.7±2.117 mg/g。3D响应面显示温度与酶剂量交互作用显著，高温促进酶活性但超过50℃则效率下降。

3.4 结构表征
FTIR显示预处理后1517 cm^-1
处木质素特征峰减弱，898 cm^-1
处纤维素β-1,4-糖苷键峰增强。XRD显示结晶度指数从43.05%升至71.30%，SEM观察到预处理后纤维孔隙率显著增加。

3.5 发酵性能
共培养体系在72小时内消耗85.8%葡萄糖和82.94%木糖，乙醇产量16.8 g/L，转化效率74.8%，优于单一菌株发酵结果。GC-MS检测到乙醇特征峰（RT 4.98），杂质含量低于10%。

该研究证实SHF工艺结合酵母共培养可高效转化SSR为生物乙醇，乙醇得率0.47 g/g，生产率0.26 g/L/h。通过多尺度表征阐明预处理-酶解-发酵的协同机制，为工业化生产提供参数支持。研究创新点在于：1) 建立SSR预处理与酶解的最佳工艺窗口；2) 实现C₅
/C₆
糖共代谢；3) 验证印度本土菌株的应用潜力。未来可进一步优化菌株耐受性并开发集成工艺以降低成本。