新鲜马铃薯皮废料直接预处理消除干燥工艺与减少淡水消耗以实现高水解液可加工性及生物乙醇生产的研究

《Heliyon》：Direct pretreatment of fresh potato peel waste to eliminate drying processes, reduce freshwater usage for high hydrolysate processability and bioethanol production

　　

当前的能源和环境危机是全球面临的重大问题，其原因在于对日益枯竭的化石燃料的过度依赖。这些危机正推动人们开发廉价、可再生、可持续且环保的能源，例如利用低能耗加工工艺从废弃物中生产生物乙醇。因此，本研究优化了新鲜马铃薯皮废料（FPPW）的直接预处理方法，以省去干燥工序并提高糖回收率。随后，研究人员评估并比较了FPPW与干燥马铃薯皮废料（DPPW）在水解液可加工性方面的差异，包括成分变化、抑制物释放、密度、粘度、CO2、葡萄糖浓度以及生物乙醇产量。FPPW在半纤维素溶解（1.32倍）、纤维素提升（1.67倍）和木质素去除（1.10倍）方面表现出显著差异。在优化的FPPW预处理条件下，淡水用量节约高达80%，还原糖产率提高到1.04 g/g。此外，在DPPW水解液中检测到更高浓度的苯酚（0.0177 g/L）、糠醛（0.6703 g/L）和羟甲基糠醛（HMF）（0.020 g/L），而FPPW水解液中分别为0.0175 g/L、0.494 g/L和0.0178 g/L。FPPW与DPPW水解液之间的显著特征谱表明，水解液性质（发酵液密度和粘度）与其可加工性（糖回收率、糖化效率和生物乙醇产量）之间存在可能的联系。此外，使用FPPW水解液获得的生物乙醇产量比DPPW水解液高出114%。研究结果强烈表明，直接利用FPPW以减少淡水用量、加工成本和能源消耗，是一种极具经济效益的工业生物乙醇生产途径。

研究背景与科学问题

随着全球对化石燃料的过度依赖，能源危机和环境污染问题日益严峻，亟需开发可再生、可持续且环境友好的替代能源。生物乙醇作为一种重要的生物燃料，可从富含淀粉的木质纤维素生物质（LCB）如马铃薯废料中生产。然而，传统研究中通常将马铃薯皮废料（PPW）干燥后再进行转化利用。干燥过程不仅耗时长（2-5天）、能耗高（估计占LCB生物燃料生产过程总能耗的10%-20%），还需要大量清洁水用于后续预处理。新鲜马铃薯皮因含水量极高（约85%）易腐烂，导致其作为原料长期被忽视。直接利用新鲜马铃薯皮废料（FPPW）有望省去干燥环节，利用其自身高水分含量（约80%-85%）部分替代预处理所需的淡水，从而大幅降低生产成本和能源消耗。但目前尚缺乏关于FPPW直接预处理并省去干燥过程的研究。

研究目的与意义

本研究旨在优化新鲜马铃薯皮废料（FPPW）的直接酸预处理条件，以消除干燥工序并提高糖回收率。通过与干燥马铃薯皮废料（DPPW）对比，系统评估两者在水解液可加工性（包括成分变化、抑制物释放、流变特性、碳利用模式及生物乙醇产量）方面的差异。研究成果可为开发低成本、低能耗、节水型的工业生物乙醇生产工艺提供重要理论依据和实践指导。

关键技术方法

1. 1.
   高压灭菌辅助酸预处理技术（AAAP）：采用响应面法（RSM）中的Box-Behnken设计，优化固载量、高压灭菌时间和酸浓度三个自变量对还原糖（RS）产量的影响。
2. 2.
   同步糖化发酵（SSF）工艺：使用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行发酵，测定生物乙醇浓度。
3. 3.
   结构与形态表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察形态变化，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团，X射线衍射（XRD）计算结晶度指数（CrI）。
4. 4.
   分析与动力学模型：采用DNS法测还原糖，GOPOD试剂盒测葡萄糖，Bial法测木糖和糠醛，乙醇传感器监测乙醇浓度，并使用修正的Gompertz模型拟合生物乙醇生产数据。

研究结果

3.1 模型显著性及输入参数对还原糖回收的影响

通过方差分析（ANOVA）验证模型高度显著（F值71.08，p<0.0001）。酸浓度和固载量是显著影响因素。多项式方程显示各参数的相对影响。研究发现，在低固载量（2%）、中等酸浓度（2.5 vol/vol）和长高压灭菌时间（25 min）条件下获得最高RS产量（1.37 g/g）。过高的固载量和过长的处理时间会导致糖降解和水蒸发，使RS下降。RS超过1 g/g的原因包括水解过程中水的加成反应以及DNS试剂与非糖羰基化合物的反应。

3.2 模型验证

在最优条件（固载量8.24%，酸浓度2.60 vol/vol，高压灭菌时间8.86 min）下，实验验证得到RS产量为1.04 g/g，低于模型预测值1.37 g/g（误差24%）。对照实验表明，AAAP联合处理效果显著优于单独酸处理（0.226 g/g）或单独高压灭菌处理（0.198 g/g）。FPPW水解液的糖化效率高于DPPW，表明FPPW具有更高的可加工性。

3.3 FPPW生物质可加工性

FPPW水解液在成分组成（半纤维素5.38%、纤维素38.93%、木质素13.61%）和糖浓度（RS 116.86 g/L，葡萄糖104.64 g/L）上均显著高于DPPW。FPPW实现了80%的淡水节约，且其水解液粘度更低（0.111 Pa）、密度更高（1100 kg/m3），有利于传质和酶解。在抑制物方面，FPPW水解液中糠醛（0.494 g/L）、HMF（0.0178 g/L）和苯酚（0.0175 g/L）浓度均低于DPPW，但乙酸浓度（33.809 g/L）较高。SEM显示FPPW处理后表面破坏更明显；FTIR显示两者化学结构均有改变；XRD表明FPPW处理后结晶度指数（CrI）更高（35.94%），反映了无定形组分（木质素、半纤维素）的有效去除。

3.4 FPPW和DPPW水解液的生物乙醇生产

FPPW发酵在18小时内达到最大乙醇浓度70.27 g/L，远高于DPPW的32.79 g/L（10小时）。两者均在24小时内实现葡萄糖完全消耗。FPPW的最大乙醇产率为3.90 g/L/h，高于DPPW的3.28 g/L/h。修正的Gompertz模型拟合良好（R2>0.90），FPPW的最高潜在乙醇浓度（P_m）为61.42 g/L，最大产率（r_p.m）为5.39 g/L/h。CO?监测显示，FPPW发酵过程中CO?峰值略低于DPPW（72.53% vs 74.25%），结合其更高的乙醇产量，暗示了两者不同的碳分配模式。

总结与讨论

本研究首次报道了通过直接预处理新鲜马铃薯皮废料（FPPW）以省去干燥过程并减少淡水用量的可行性。研究表明，FPPW相比干燥马铃薯皮废料（DPPW）在糖回收、抑制物控制、水解液流变特性和生物乙醇产量方面均表现更优。FPPW的高含水量有助于降低生物质的抗降解性、促进溶剂渗透和热传递，从而增强预处理效果。省去干燥环节可直接节约10%-20%的总能耗。研究结论指出：“研究结果强烈表明，直接利用FPPW以减少淡水用量、加工成本和能源消耗，是一种极具经济效益的工业生物乙醇生产途径。”该研究为马铃薯皮废料的绿色、低成本工业化利用提供了新的策略和坚实的科学依据。