利用野生酵母菌株发酵咖啡渣生产第二代乙醇的生物工艺研究及其可持续能源潜力

本研究针对化石燃料资源枯竭与环境污染问题，探索以咖啡渣等农业废弃物为原料生产第二代乙醇。研究人员筛选了15株野生酵母，优化了Pichia kudriavzevii和Saccharomyces cerevisiae的培养条件，并采用酸热化学水解预处理咖啡渣进行发酵实验。结果表明，经H2SO4 2%预处理的咖啡渣水解液在分批系统中可获得最高0.58 g L?1的乙醇产量，证实了咖啡渣资源化利用和可持续生物能源生产的可行性。

　　

随着全球化和城市化进程加速，化石燃料需求激增，但其有限储量和二氧化碳等有害气体排放导致气候变化和全球变暖问题日益严峻。寻找可再生能源替代品成为当务之急，其中生物乙醇尤其是第二代生物乙醇因其环境可持续性和经济可行性备受关注。与以甘蔗等粮食作物为原料的第一代乙醇不同，第二代乙醇利用农业废弃物（如甘蔗渣、咖啡壳、麦秸）等木质纤维素生物质，通过发酵工艺将废弃物转化为能源，既能减少环境污染，又能促进循环经济发展。巴西作为全球最大的咖啡生产国之一，每年产生大量咖啡渣等农业废弃物，这些废弃物含有丰富的纤维素（26.5%）、半纤维素（25.5%）和木质素（33.5%），具有巨大的第二代乙醇生产潜力。然而，木质纤维素生物质的预处理和发酵过程复杂，需要克服预处理效率、微生物耐受性和发酵产率等多重挑战。

为探索咖啡渣资源化利用的新途径，研究人员从啤酒废水和腐烂水果中分离出15株野生酵母菌株，通过分子鉴定和发酵筛选，最终选出乙醇产量最高的Pichia kudriavzevii (LMP-Y 10)和Saccharomyces cerevisiae (LMP-Y 14)两株菌进行后续研究。通过优化培养条件（温度、pH、葡萄糖浓度），并采用酸热化学水解（H₂SO₄ 1%和2%）预处理咖啡渣，获得水解液后进行分批发酵实验，评估了搅拌和静态条件对乙醇产量的影响。

研究采用的主要技术方法包括：酵母菌株的分子鉴定（26S rDNA D1/D2区测序）、发酵筛选实验（HPLC分析乙醇和碳水化合物）、生长条件优化（温度、pH、碳源浓度梯度测试）、咖啡渣酸热化学水解预处理（H_{24 1%和2%，121°C/1.5 atm）、分批发酵系统（20 mL体系，F/M=1）以及色谱分析（HPLC-RID）。样本来源为实验室保藏的野生酵母菌株（源自啤酒废水和腐烂水果）和咖啡种植残留物（Coffea arabica品种）。}

分子鉴定结果显示，15株酵母菌分别属于Pichia kudriavzevii、Candida parapsilosis、Saccharomyces cerevisiae和Rhodotorula mucilaginosa四个物种，其中LMP-Y 10（P. kudriavzevii）和LMP-Y 14（S. cerevisiae）与NCBI数据库的匹配度均达100%。

酵母菌株筛选表明，所有菌株均能产乙醇，但产量差异显著。LMP-Y 10和LMP-Y 14产量最高（分别为1.64 g L^?1和1.91 g L^?1），而LMP-Y 01产量最低（0.47 g L^?1）。统计分析显示菌株间乙醇产量存在显著差异（p < 0.0001），LMP-Y 14产量显著高于多个其他菌株。

生物量优化实验发现，LMP-Y 10在38°C、20 g L^?1葡萄糖、pH 6.0条件下生物量产量最高，而LMP-Y 14在34°C、30 g L^?1葡萄糖、pH 7.0条件下表现最佳。温度耐受性测试证实P. kudriavzevii在高温（38°C）下仍保持良好生长，体现了其嗜热特性。

咖啡渣水解液发酵实验中，使用50%浓度水解液（更高浓度抑制生长）进行分批发酵。结果表明，经H_{24 2%预处理的咖啡渣水解液在搅拌条件下，LMP-Y 10乙醇产量最高（0.58 g L^?1），而LMP-Y 14在静态条件下产量为0.43 g L^?1。统计分析显示，LMP-Y 14在H24 2%预处理条件下搅拌与静态存在显著差异（p ≤ 0.048）。乙醇产率（g乙醇/g有机碳消耗）方面，LMP-Y 10在搅拌条件下最高（0.095 g/g），LMP-Y 14在静态条件下最高（0.073 g/g）。整体而言，P. kudriavzevii的乙醇产量比S. cerevisiae平均高79%（搅拌）和26%（静态），展现了其更优的发酵性能。}

研究结论表明，两种野生酵母菌株（尤其是P. kudriavzevii）能够有效利用酸预处理咖啡渣水解液生产第二代乙醇，其中H_{24 2%预处理效果更佳。P. kudriavzevii的高温耐受性和在逆境条件下的稳健性使其更具应用潜力。尽管乙醇产量低于某些文献报道（如使用基因工程菌或优化工业菌株），但本研究首次揭示了这两株野生酵母的乙醇生产能力，为后续菌株改良和工艺优化奠定了基础。未来研究可聚焦于基因工程改造、微生物群落构建、预处理策略优化以及F/M比例调整，以进一步提升乙醇产率。此外，咖啡渣的资源化利用不仅有助于可持续生物能源生产，还能减少农业废弃物带来的环境压力，符合循环经济和绿色化学原则。该研究为利用农业废弃物生产第二代乙醇提供了新的微生物资源和技术路径，对推动生物能源产业发展和实现碳中和目标具有重要意义。}

论文发表于《Biomass and Bioenergy》，展示了野生酵母在可持续能源生产中的潜在价值，为后续相关研究提供了重要参考。