废弃百香果果皮生物转化乙醇：半纤维素水解与脱毒技术的整合优化

本研究针对木质纤维素生物质中半纤维素组分的有效发酵难题，以废弃百香果果皮（SPFR）为原料，通过响应面法（RSM）优化稀硫酸预处理工艺，实现121.8 mg/g db木糖释放并减少抑制剂生成。经Ca(OH)2脱毒后，利用Pichia stipitis发酵获得9.7 g/L乙醇（得率0.42 g/g），为第二代生物乙醇生产提供了可持续的废弃物资源化方案。

　　

研究背景与意义
全球每年约33%的食物被浪费，热带水果百香果（Passiflora edulis）加工产生的果皮残渣占原料50%以上，年产量超105万吨。尽管已有研究从残渣中提取多酚、类胡萝卜素等活性成分，但提取后的废料仍富含纤维素（19%）和半纤维素（22%），其资源化利用存在空白。木质纤维素生物质作为第二代生物乙醇的理想原料，其半纤维素组分的高效转化是关键挑战——稀酸预处理虽能释放木糖，但伴随呋喃醛等抑制物生成，影响发酵效率。印度生物燃料政策提出2030年乙醇掺混20%的目标，亟需开发低成本、低环境影响的废弃物转化技术。

印度理工学院的研究团队首次以提取活性成分后的废弃百香果果皮（SPFR）为对象，通过响应面法（RSM）优化稀硫酸（H₂SO₄）预处理条件，结合Ca(OH)₂脱毒工艺，实现木糖高效转化乙醇。论文发表于《Bioresource Technology Reports》，为农业废弃物高值化利用提供了闭环解决方案。

关键技术方法

1. 组分分析：采用标准NREL方法测定SPFR中纤维素、半纤维素及木质素含量；
2. RSM优化：以温度（100–120°C）、时间（5–15 min）、酸浓度（0.1–0.3 M）为变量，建立中心复合设计模型；
3. 脱毒处理：超碱化法（overliming，pH 11）去除呋喃醛等抑制物；
4. 发酵评估：利用Pichia stipitis发酵脱毒水解液，HPLC定量乙醇产量。

研究结果

1. 组分特征
SPFR含44.5–45.2%碳元素，挥发性物质达77%，其半纤维素含量（22%）显著高于常见农业废弃物，表明其作为乙醇原料的潜力。

2. RSM优化预处理
最优条件为114°C、9.8 min、0.2 M H_{24，木糖得率121.8 mg/g db，呋喃醛仅2.3 mg/g db，较未优化组提升23%。模型验证误差<5%，证实可靠性。}

3. 脱毒效果
超碱化处理使抑制物总量降低12–23%，其中酚类化合物去除率达18%，显著提升Pichia stipitis的发酵效率。

4. 乙醇发酵
脱毒水解液经72 h发酵后乙醇浓度达9.7 g/L，糖醇转化率0.42 g/g，接近理论最大值的83%，证明SPFR水解液的发酵兼容性。

结论与意义
该研究首次实现SPFR半纤维素组分到乙醇的闭环转化：

• 工艺创新：RSM优化使木糖释放与抑制物生成达到平衡，稀硫酸用量减少40%；
• 经济性：Ca(OH)₂脱毒成本仅为活性炭法的1/5，适合规模化应用；
• 环境效益：每吨SPFR可产乙醇98 L，较传统玉米乙醇减少32%碳排放。

研究为果汁加工废弃物的“零浪费”处理提供了技术范式，契合联合国可持续发展目标（SDGs）中的清洁能源与负责任生产要求。未来需进一步优化纤维素共发酵策略以提升总乙醇产出。