利用腰果苹果渣通过阴沟肠杆菌暗发酵生产氢气的农业工业废弃物资源化研究

本研究创新性地利用腰果苹果渣(CAB)作为底物，通过阴沟肠杆菌(E. cloacae)暗发酵(DF)实现生物制氢，最高产率达59.7 mL?1 L?1 h?1。研究发现添加蛋白胨可显著提升氢气产量，同时生成乙酸、2,3-丁二醇等高值副产品，为农业废弃物资源化和清洁能源开发提供了重要技术路径。

　　

【Abstract】
研究聚焦利用腰果苹果渣(CAB)这一农业副产品通过阴沟肠杆菌(E. cloacae)暗发酵生产氢气(H₂)。实验比较了酸水解(MCAB-AH)和酶水解(MCAB-EH)两种预处理方法，发现酶解产物在补充蛋白胨时获得最佳产氢性能：24小时内累计产氢1432.4 mL/L，产率59.7 mL^?1 L^?1 h^?1，氢气摩尔产率达理论值的35%。代谢分析显示伴随产生乙酸(6 g/L)、2,3-丁二醇(9.6 g/L)等有价值副产品。

【Introduction】
全球83%的氢气仍依赖化石燃料生产，生物制氢技术因碳排放低备受关注。腰果产业每年产生1400万吨CAB，其富含纤维素(18.2%)和半纤维素(12.8%)的特性使其成为理想底物。暗发酵利用兼性厌氧菌E. cloacae，通过甲酸氢裂解酶(FHL)途径将甲酸分解为H₂和CO₂，但氮源类型显著影响代谢通量。

【Material and methods】
CAB经硫酸(0.6 mol/L)预处理后，残渣再通过里氏木霉纤维素酶(15 FPU/g)和β-葡萄糖苷酶(30 CBU/g)酶解。发酵在37°C、100 rpm条件下进行，比较了尿素、蛋白胨等五种氮源(3 g/L)的影响。采用HPLC分析代谢物，GC检测气体成分。

【Results and discussion】
酶解产物MCAB-EH的葡萄糖浓度(22 g/L)显著高于酸解产物(9.3 g/L)。蛋白胨组展现出最优性能，其碳氮比(19:1)促使细菌高效利用糖类，同时减少乙醇(2.4 g/L)等副产物积累。值得注意的是，铵盐组产生最高浓度2,3-丁二醇(9.6 g/L)，该物质具有抗氧化和抗炎特性。pH动态监测显示，当体系pH<5时，FHL酶活性受抑制导致产氢停滞。

【Conclusions】
研究证实CAB是暗发酵制氢的理想底物，蛋白胨作为氮源可使产氢效率提升9%。创新性地提出"生物精炼"模式，将每公斤CAB转化为803.1 mL H₂的同时，联产高值化学品。该工艺无需光照和严格厌氧条件，较传统电解法(4.5-50.6 kWh/m³)更具经济可行性，为农业废弃物资源化提供了可持续解决方案。