微生物驱动固态发酵强化茶渣中咖啡因提取的可持续增值研究

推荐：本研究针对茶渣资源浪费和环境污染问题，通过微生物驱动的固态发酵（SSF）技术提升茶渣中咖啡因的提取效率。研究发现，45°C和55%水分条件下发酵6天的绿茶渣（GTW）咖啡因提取量显著提高（HTAE法达13.7134 mg/g干重），且室温低溶剂提取（RTAE）效率提升278.73%。通过PTR-ToF-MS和DNA测序分析，揭示了与微生物活性相关的关键挥发性有机物（VOCs）及优势菌群（如芽孢杆菌属和曲霉属），为茶渣资源化利用提供了新策略。

　　

茶作为全球广受欢迎的饮品，每年产生数百万吨茶渣（Tea Waste, TW），其中仅少部分被再利用，大部分通过堆填或焚烧处理，造成环境污染。茶渣富含纤维素、咖啡因等生物活性成分，但传统提取方法能耗高且效率低。如何通过绿色技术实现茶渣高值化利用，成为亟待解决的问题。

为解决这一挑战，汕头大学的研究团队开展了题为“微生物驱动固态发酵强化茶渣中咖啡因提取的可持续增值研究”。研究通过优化固态发酵（Solid-State Fermentation, SSF）条件，结合微生物群落和挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）分析，揭示了咖啡因提取效率提升的机制，成果发表于《Environmental Technology》。

研究采用绿茶渣（GTW）和红茶渣（BTW）为原料，通过调节温度（40-50°C）和水分含量（35-55%）进行SSF。利用室温（RTAE）和高温（HTAE）水提法测定咖啡因含量，结合质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS）监测VOCs动态，并通过16S rRNA和ITS测序解析微生物群落结构。

研究结果显示，GTW在45°C和55%水分条件下发酵6天时，HTAE法提取的咖啡因含量达13.7134 mg/g干重，较未发酵组提高59.17%；RTAE法提取量增幅更高（278.73%），表明SSF显著提升了低能耗提取效率。VOCs分析发现，m/z 59（丙醛/乙酰胺）和m/z 61（乙酸/尿素）与早期发酵阶段相关，而m/z 89（1,3-二甲基尿素）与后期咖啡因释放呈正相关。微生物群落中，芽孢杆菌属（Bacillus）和类芽孢杆菌属（Paenibacillus）成为GTW发酵后期的优势细菌（相对丰度>46%），与咖啡因含量显著正相关（r=0.82和0.79）；曲霉属（Aspergillus）占真菌群落的95%以上，其分泌的纤维素酶可能促进细胞壁降解，释放结合态咖啡因。

在机制验证实验中，添加尿素、黄嘌呤等前体物质未显著改变咖啡因含量，排除了微生物合成路径的主导作用，证实SSF主要通过微生物介导的物理释放（如细胞壁解构）提升咖啡因提取率。此外，GTW的咖啡因增量潜力优于BTW，且避免了伯克霍尔德菌（Burkholderia）等潜在致病菌的富集，更具应用安全性。

该研究首次系统阐明了茶渣SSF中微生物-VOCs-咖啡因的协同作用机制，为开发低能耗、可持续的咖啡因提取工艺提供了理论依据。未来可进一步探究SSF对其他高值成分（如茶多酚）的提取优化，推动茶渣资源化技术的产业化应用。