苹果渣预处理条件优化促进暗发酵生物制氢及丁酸生产的糖类最大化研究

本研究针对苹果渣（AP）等木质纤维素生物质（LCB）的可持续利用难题，通过对比优化高压灭菌辅助提取（AAE）、热辅助提取（HAE）和超声辅助提取（UAE）三种绿色预处理技术，显著提升糖类得率（HAE最高达0.54 g/g干渣），并首次利用苹果渣水解液（APH）通过酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）实现高效生物制氢（744.51 mL/L·day）及丁酸生产，为废弃物资源化与碳中和目标提供创新解决方案。

　　

全球每年产生超过181.5亿吨木质纤维素生物质（LCB），其中仅8.2亿吨被有效利用，而苹果加工业产生的苹果渣（AP）占其25%，既造成环境负担又蕴含巨大资源潜力。传统化石燃料的温室气体排放问题日益严峻，而利用LCB生产生物燃料如生物氢能（Bio-H₂）被视为关键突破口。然而，木质素的结晶结构阻碍微生物对LCB的降解，且现有预处理技术成本高、污染大。如何通过绿色方法高效释放AP中的可发酵糖（如C₅和C₆糖），并转化为高附加值产物，成为实现循环经济的关键挑战。

针对这一问题，国外研究人员系统比较了三种水基绿色预处理技术——高压灭菌辅助提取（AAE）、热辅助提取（HAE）和超声辅助提取（UAE），采用Box-Behnken实验设计优化参数，最终发现HAE在糖类得率（0.54 g/g干渣）、抑制剂控制及微量元素保留方面表现最优。进一步以HAE处理的苹果渣水解液（APH）为底物，利用酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）进行暗发酵，生物氢产量达744.51 mL/L·day，显著高于葡萄糖对照组（433.92 mL/L·day），且乙酸再同化作用显著提升丁酸产量。该研究发表于《Bioresource Technology Reports》，为农业废弃物高值化利用提供了技术范式。

关键技术包括：1）Box-Behnken响应面法优化预处理参数；2）高效液相色谱（HPLC）分析糖类及抑制剂；3）气相色谱（GC）定量发酵产物（氢、有机酸）；4）紫外分光光度法测定化学需氧量（COD）。

比较不同提取技术对苹果渣可发酵糖生产及上清液回收的影响
研究发现HAE的糖得率比AAE提高38%，且产生的糠醛等抑制剂浓度最低（<0.15 g/L），而UAE因空化效应导致部分糖类降解。

结论
研究证实AP作为第二代底物可通过HAE预处理实现糖类最大化释放，其水解液能有效替代葡萄糖用于酪丁酸梭菌发酵，生物氢产率提升72%，同时促进丁酸合成。该策略将废弃物处理成本转化为资源收益，推动“零废弃”目标与SDGs（可持续发展目标）的实现。

讨论
HAE的低能耗（仅水为介质）与高糖得率的平衡优势突出，但未来需结合生命周期评价（LCA）进一步优化规模放大效益。酪丁酸梭菌对AP水解液的高效利用机制，尤其是乙酸再同化途径的调控，为代谢工程改造提供新方向。该技术链从预处理到终端产物的全流程设计，为其他LCB的工业级生物炼制提供参考模板。