结合热液预处理和酶解工艺，从城市食品废弃物的液体部分中高效生产琥珀酸

《Journal of Cleaner Production》：Integrated hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis for optimal succinic acid production from the liquid fraction of municipal food waste

液态食品废物的高效丁二酸生物合成策略研究，通过酸碱水热预处理联合酶解优化糖释放效率，其中4%硫酸酸化180℃处理0.5h结合三酶协同作用实现最高糖浓度66.2g/L。比较三种高 succinogenic 菌株发现A. succinogenes 130Z具有最高0.43g/g葡萄糖的SA产率。通过添加酵母提取物和盐类营养，SA产量提升54%。该多步骤策略有效解决复杂基质转化难题，推动食品废物资源化与可持续生物经济发展。

　　### 食物垃圾液相组分用于生物基琥珀酸生产的可行性研究

食物垃圾作为城市有机废弃物的重要组成部分，具有丰富的碳水化合物资源，是可持续生物化学品生产的潜在原料。近年来，随着生物基化学品市场的快速增长，琥珀酸作为一种重要的四碳平台化学品，其生物合成技术在食品、医药、化工和化妆品等多个行业展现出广泛的应用前景。传统的琥珀酸生产依赖于化石燃料，导致碳排放问题，而生物基琥珀酸的生产则提供了更环保的替代方案。然而，尽管已有研究探索了固体食物垃圾的利用，液体食物垃圾（LFFW）这一富含碳水化合物的副产品在琥珀酸生产方面的潜力仍未被充分开发。

LFFW是在机械提取食物垃圾过程中产生的，其成分复杂，含有高浓度的有机颗粒物（如淀粉、脂类和纤维素）以及溶解的营养物质。这些特性使得LFFW成为一种具有挑战性的原料，但也为其在生物转化中的应用提供了独特的机会。为了有效利用LFFW，需要优化其预处理和酶解策略，以提高糖分的可利用性，同时降低对后续发酵过程的抑制作用。此外，选择合适的微生物菌株也是实现高效琥珀酸生产的关键因素。

#### 预处理与酶解策略的优化

本研究通过一系列实验，探索了LFFW在不同预处理和酶解条件下的糖分回收效率。实验采用酸性或碱性水热预处理方法，结合酶解过程，以提高LFFW中糖分的可利用性。结果显示，使用4%硫酸在180°C下处理0.5小时，再结合淀粉酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酶解处理，能够获得最高的单糖浓度，达到66.2 g/L。相比之下，直接酶解LFFW虽然也能获得较高的糖分浓度（56.9 g/L），但其无需额外的下游处理，因其中的抑制物（如糠醛、甲酸和乙酸）含量较低，可以直接用于琥珀酸发酵。

预处理和酶解策略的优化不仅提高了糖分的转化率，还显著降低了生产成本。通过实验分析，发现酸性预处理在高温下能够有效破坏纤维素结构，提高酶的可接近性，从而提升糖分产量。然而，酸性预处理过程中产生的抑制物如5-羟甲基糠醛（5-HMF）虽然未达到半最大抑制浓度（IC50），但仍可能对发酵过程造成一定的影响。因此，通过添加营养物质（如酵母提取物、碳酸氢钠、磷酸二氢钾和磷酸氢钾）可以有效缓解这些抑制作用，提高琥珀酸的产量和发酵效率。

#### 微生物菌株的选择与性能评估

在琥珀酸生产过程中，微生物菌株的选择至关重要。本研究比较了三种主要的琥珀酸生产菌株：*Actinobacillus succinogenes* 130Z、*Basfia succiniciproducens* 和 *Actinobacillus succinogenes* CICC11014。实验结果表明，*A. succinogenes* 130Z在所有实验条件下均表现出优异的琥珀酸生产性能。在营养优化的条件下，其琥珀酸产量达到16.73 g/L，比未添加营养的对照组提高了65%。相比之下，*B. succiniciproducens* 和 *A. succinogenes* CICC11014在相同条件下表现较差，琥珀酸产量分别为24.12 g/L和22.21 g/L，分别低于* A. succinogenes* 130Z的18.5%和28.7%。

此外，营养物质的添加不仅提高了琥珀酸的产量，还促进了微生物的生长。酵母提取物、碳酸氢钠、磷酸二氢钾和磷酸氢钾的补充，为微生物提供了必要的氮源和矿物质，有助于维持细胞内的代谢平衡和pH稳定。然而，某些菌株如* A. succinogenes* CICC11014在营养补充后仍表现出较高的乳酸产量，这可能与其代谢路径的特性有关。乳酸的积累与琥珀酸的产量呈负相关，表明营养物质的添加在一定程度上能够减少乳酸的生成，提高琥珀酸的合成效率。

#### 生物基琥珀酸生产的经济与环境意义

本研究的成果不仅在技术层面具有重要意义，也在经济和环境层面展现出广阔的前景。通过优化预处理和酶解策略，LFFW的糖分回收率得到了显著提升，从而降低了发酵过程的原料成本。同时，LFFW的利用可以有效减少垃圾填埋和焚烧带来的环境负担，提高资源的循环利用率。此外，琥珀酸的生产过程还可以通过利用二氧化碳作为碳源，进一步减少温室气体排放，实现碳循环利用。

在经济层面，生物基琥珀酸的生产成本较低，且具有较高的投资回报率。本研究中，LFFW的利用能够实现12.8%的投资回报率，表明其在工业应用中具有良好的经济可行性。同时，通过减少对化学试剂和预处理步骤的依赖，可以进一步降低生产成本，提高整体的经济效益。在环境层面，LFFW的利用有助于减少有机废弃物的排放，降低垃圾处理过程中的污染风险，同时通过生物转化生产高附加值化学品，推动循环经济的发展。

#### 未来研究方向与应用前景

尽管本研究在LFFW的利用方面取得了显著进展，但仍存在一些需要进一步研究的问题。首先，LFFW的复杂组成可能对微生物的代谢路径产生一定的干扰，因此需要进一步探索微生物的适应性改造，以提高其对抑制物的耐受能力。其次，LFFW的预处理和酶解过程可能需要更精细的调控，以平衡糖分回收效率和抑制物的生成。此外，营养物质的添加虽然提高了琥珀酸的产量，但其对不同菌株的影响可能存在差异，因此需要进一步研究营养物质的最佳配比和添加时机。

在实际应用中，LFFW的利用需要考虑其大规模处理的可能性。当前的实验规模较小，未来需要进一步扩大反应器的体积，以验证其在工业生产中的可行性。同时，还需要优化反应条件，如温度、压力和反应时间，以提高整体的生产效率。此外，LFFW的处理过程需要与现有的垃圾处理系统相结合，形成一个完整的生物转化流程，以实现资源的最大化利用。

综上所述，LFFW作为一种富含碳水化合物的有机废弃物，具有成为生物基琥珀酸生产原料的巨大潜力。通过优化预处理和酶解策略，以及选择合适的微生物菌株，可以有效提高琥珀酸的产量和生产效率。同时，营养物质的添加在一定程度上能够缓解抑制物的影响，提高发酵过程的稳定性。这些研究成果不仅为生物基琥珀酸的生产提供了新的思路，也为食物垃圾的资源化利用和循环经济的发展奠定了基础。未来的研究应进一步探索微生物的代谢调控和工艺优化，以推动LFFW在生物化学品生产中的广泛应用。