基于二元和三元低共熔溶剂的咖啡壳与银皮预处理技术：同步提升生物乙醇与芳香化合物生产的绿色策略

本研究针对咖啡加工副产物（咖啡壳和银皮）利用率低的问题，采用胆碱氯化物/草酸（Chcl/OA）二元和胆碱氯化物/草酸/甘油（Chcl/OA/Gly）三元低共熔溶剂（DES）进行预处理优化。通过响应面法确定最佳条件，使纤维素含量显著提升（咖啡壳达58.69%，银皮达41.94%），酶解后葡萄糖产量提高2倍。发酵实验显示，Kluyveromyces marxianus发酵三元DES预处理原料时乙醇产量最高（33.29 g/L），同时检测到苯乙醇、乙酸乙酯等高值芳香化合物，为咖啡废料在能源和香料领域的应用提供新思路。

　　

每年全球咖啡产量超过1000万吨，其中约50%成为咖啡壳、银皮等废弃物。这些富含纤维素（39-61%）的副产物通常被填埋或焚烧，既污染环境又浪费资源。如何通过绿色化学方法实现咖啡废料的高值化利用，成为可持续发展和循环经济背景下亟待解决的难题。

King Mongkut's University of Technology North Bangkok（泰国国王科技大学）的研究团队在《Sustainable Chemistry for the Environment》发表创新研究，首次系统比较了二元（Chcl/OA）和三元（Chcl/OA/Gly）低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）对咖啡壳和银皮的预处理效果。研究发现，三元DES通过添加甘油组分，显著改善了木质素去除率（较二元DES提升15%），使纤维素可及性提高2倍。更令人振奋的是，发酵过程中意外发现这些"废料"能同步产生每公斤价值高达1000美元的高端香料成分，为咖啡产业链开辟了"变废为宝"的新路径。

研究采用三项关键技术：1）基于Box-Behnken设计的响应面优化法确定最佳预处理参数；2）结合FTIR和XRD分析木质纤维素结构变化；3）利用GC-MS检测发酵产生的挥发性化合物。所有实验原料均来自泰国清迈省的咖啡加工厂，确保样本的工业代表性。

【3.1 DES预处理优化】通过17组实验建立数学模型，确定咖啡壳最佳条件为173分钟/120°C/13.99%固含量（二元DES），而三元DES在119.18°C时效果更佳。银皮预处理则需180分钟，温度均为120°C。

【3.2 组分变化】三元DES使咖啡壳纤维素含量从39%提升至61%，木质素去除率达22%。XRD显示结晶度指数（CrI）从33.89%增至59.02%，证实其有效破坏无定形区结构。

【3.3 酶解效率】二元DES预处理咖啡壳的葡萄糖产量达424.29 mg/g，而三元DES处理银皮产生363.20 mg/g，均比未处理组提高2倍。FTIR在1730 cm^-1处酯键峰减弱，证实半纤维素有效去除。

【3.6 乙醇生产】Kluyveromyces marxianus发酵三元DES预处理原料表现最优，咖啡壳和银皮分别产出33.29 g/L和32.05 g/L乙醇，较传统处理提升77%。质量平衡分析显示每100g原料可转化15.76g纤维素为乙醇。

【3.7 芳香化合物】检测到苯乙醇（玫瑰香）、乙酸乙酯（果香）等12种挥发性物质。值得注意的是，延长发酵至120小时会使醛类化合物浓度提升3倍，但部分酯类因还原反应而减少。

该研究突破性地证实，三元DES预处理不仅能提高生物乙醇产率，还可诱导产生高附加值香料成分。特别是苯乙醇（2-PE）的市场价达1000美元/公斤，远高于乙醇（1.25美元/升），这为咖啡废料开辟了"能源-香料"联产新模式。研究者建议下一步应优化挥发性化合物的富集工艺，并评估DES回收利用的经济性。这项成果为农业废弃物资源化提供了教科书级的范例，有望推动生物炼制行业向多产品联产方向转型。