通过碳水化合物类食物垃圾循环生物处理整合α-淀粉酶生产与生物能源回收：产氢与产甲烷研究

本综述系统探讨了利用富含碳水化合物的食物垃圾（糖类腐败枣SD和淀粉类废弃米饭WR）进行α-淀粉酶、生物氢（bioH2）和甲烷（CH4）生产的循环生物加工策略。研究通过暗发酵（DF）和厌氧消化（AD）评估了原料废弃物的生物能源潜力，并创新性地利用 Bacillus amyloliquefaciens 原位生产粗酶制剂替代商业酶，显著降低了生物氢生产成本。研究发现酶法糖化对生物氢产量提升显著（WR-Enz组增产100.98%），而酸处理对甲烷生产促进有限。该工作为食物垃圾资源化提供了低成本、自循环的技术范式，推动了循环生物经济（Circular Bioeconomy）的发展。

　　

材料与方法

研究选用两种典型碳水化合物类食物垃圾：富含单糖的腐败枣（SD）和以淀粉为主的废弃米饭（WR）。SD组成为：总固体（TS）68.37%，糖类51.32%；WR组成为：TS 92.59%，淀粉69.70%。通过 Bacillus amyloliquefaciens DSM7 菌株进行α-淀粉酶生产，实验设计包含合成培养基碳氮源优化（葡萄糖/蔗糖+蛋白胨/氯化铵）和实际废弃物培养基酶生产阶段。

微生物生长与酶活性特征

在合成培养基中，蔗糖-蛋白胨组合最利于菌体生长（OD₅₅₀峰值约30小时），而葡萄糖更易诱导α-淀粉酶合成（最高活性3.58±0.55 AU/mL）。实际废弃物培养基（WR 21.5 g/L + SD 9.7 g/L + 蛋白胨2.0 g/L）中酶活性达35.7±1.1 AU/mL，呈现双相底物消耗特征：前期快速利用可溶性糖（20小时内），后期缓慢水解淀粉。

糖化处理对生物氢生产的增强效应

未处理SD的生物氢产量达172.72 L H₂/kg（相当于葡萄糖基准的64%），而未经处理的WR仅88.99 L H₂/kg（33%）。酸处理（HCl, 121°C）使WR生物氢产量提升60.67%，但导致SD产量下降3.51%，可能源于单糖在酸性条件下的降解。商业酶制剂（α-淀粉酶+糖化酶）处理WR（WR-Enz）实现178.32 L H₂/kg产量（增产100.98%），而 Bacillus amyloliquefaciens 粗酶处理（WR-B.a.）达173.98 L H₂/kg（增产95.51%），证明粗酶可替代商业酶。分子氢产率（Y_H2）分析显示，SD和WR-Enz组均超2.17 mol H₂/mol碳水化合物，接近理论最大值。

甲烷生产与糖化处理的有限关联

未处理SD和WR的甲烷产量分别为250.48和295.25 L CH₄/kg。酸处理、商业酶和粗酶处理对WR甲烷产量的提升均无统计学显著性（增幅6.74–8.36%）。厌氧消化菌群固有的水解能力使淀粉类底物无需预糖化即可有效转化，且WR较高的蛋白质（1.63%）和脂质（7.78%）含量为甲烷生产提供了额外底物。

技术经济与循环性分析

研究创新性地将酶生产与底物糖化耦合于同一废弃物体系，大幅降低商业酶依赖（成本占比30–50%）。粗酶制备的能耗较酸处理降低60%，且避免抑制物（糠醛/HMF）生成。生物氢与甲烷的联合产能可覆盖酶生产与反应器运行能耗，实现能量自持。

结论与展望

碳水化合物类食物垃圾通过 Bacillus amyloliquefaciens 介导的酶生产-糖化-能源回收三联工艺，可实现α-淀粉酶、生物氢和甲烷的协同生产。酶法糖化对生物氢生产增效显著，而对甲烷生产非必需。该策略为食物垃圾高值化提供了技术经济性更优的循环生物加工路径，未来需开展中试规模验证与全生命周期评价。