微波辅助酸预处理结合SSF共发酵实现热塑性淀粉基生物塑料淀粉组分与稻草高效产乳酸

《Mining》：Co-Fermentation of the Starch Fraction from TPS-Based Bioplastics with Rice Straw for Lactic Acid Production

　　

本研究评估了将热塑性淀粉基生物塑料（TPS-BP）的淀粉组分通过微生物发酵转化为乳酸（LA）的可行性。为提高生物塑料基质中淀粉组分的可及性，采用2^4?1部分因子设计对微波辅助预处理进行了评价。在所测试的设计范围内，最佳预处理条件被确定为150 °C、0.1% H₂SO₄、30 min，该条件可在24 h糖化时间内释放17.5 g L^?1葡萄糖。在所评价的菌株中，Heyndrickxia coagulans在pH 6.0的初步比较中表现出最佳的动力学性能，最大体积生产率为8.25 g L^?1 h^?1，得率为0.91 g g^?1，因而被选用于后续实验。为提高碳可利用性并克服商业TPS-BP淀粉含量低（约20%）的问题，研究人员实施了与稻草的共发酵策略。虽然分步水解与发酵（SHF）受到碳分解代谢阻遏的限制，但同步糖化发酵（SSF）强化了生产。通过利用TPS-BP预处理浆液作为稻草糖化的液相，最终乳酸浓度达到55.1 ± 0.7 g L^?1。该共增值策略为将生物塑料废弃物的淀粉组分整合进循环生物炼制提供了可行路径，有望缓解农业残渣的季节性供应问题。

研究背景方面，全球塑料产量在2024年达到4.309亿吨，其中包装约占需求的40%，约90%的塑料源自化石资源，填埋和焚烧等报废处理方式加剧了环境影响。欧盟正推动向循环塑料经济转型，目标到2030年所有塑料包装可回收，并鼓励使用可再生原料。在此框架下，生物塑料（生物基和/或可生物降解聚合物）成为化石基塑料的替代品，其报废管理除常规路线外还可受益于生物技术回收方法。热塑性淀粉（TPS）是最具生物降解性的生物塑料之一，通过将淀粉与25–35%增塑剂经热加工制得，可与可生物降解聚合物共混以改善力学性能，形成TPS基生物塑料（TPS-BP）共混物。微生物升级循环即通过微生物将生物塑料转化为高值化学品，但淀粉基生物塑料的发酵增值需要预处理（机械、热或化学）以增强微生物降解。微波辅助预处理因传热快、能耗低且与稀碱或稀酸溶液兼容而成为有前景的技术。预处理后淀粉仍以聚合形式存在，需额外用液化酶（α-淀粉酶）和糖化酶（淀粉葡糖苷酶）将其解聚为葡萄糖后方可发酵。产乳酸菌主要为中温菌种，如Lacticaseibacillus和Levilactobacillus，嗜热菌株如Heyndrickxia coagulans（原Bacillus coagulans）因营养需求少且可在高温（50–55 °C）下运行而受到关注。目前TPS-BP主要在厌氧消化框架下研究，其转化为高值平台化学品尚待探索。TPS-BP结构中增塑剂和其他聚合物组分的存在降低了淀粉含量，限制了可发酵糖的可用性，作为唯一底物时可能制约生物产品合成，因此需探索整合额外碳源以提高糖浓度和工艺性能。木质纤维素生物质是丰富的乳酸生产替代原料，同样需要预处理和糖化步骤。常规糖化和发酵分开进行，但糖积累会抑制酶活性并延长处理时间，从而促进了同步糖化发酵（SSF）工艺的发展。本研究旨在评估通过微波辅助预处理和酶水解结合SSF、以稻草为共底物将TPS-BP淀粉组分增值为乳酸的可行性。首先比较了两种微波辅助化学预处理和两株细菌以分别增强TPS-BP糖化和乳酸生产；基于此结果，将SHF工艺应用于单独预处理的TPS-BP及其与稻草作为木质纤维素共底物的共发酵；随后在SSF条件下进一步评估共发酵，以克服低糖可用性和工艺低效的局限。研究结论表明，微波辅助酸预处理（150 °C、0.1% H₂SO₄）能有效从生物塑料废弃物的淀粉组分中释放可发酵糖；采用H. coagulans进行TPS-BP与稻草共发酵的SSF工艺，最终乳酸浓度达55.1 g L^?1。该共增值方法具有双重效益：为生物塑料废弃物提供了优于常规报废路线的回收替代方案，并可提供稳定碳源以缓解稻草等农业残渣固有的季节性供应问题。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：以商业TPS-BP（Mater-Bi? EF04P，粒径120和500 μm）和西班牙Albufera自然公园当地农户提供的稻草为原料；采用2^4?1部分因子设计优化微波辅助碱/酸预处理；酶法糖化（α-淀粉酶、淀粉葡糖苷酶及Cellic? CTec2纤维素酶混合液）；以L. rhamnosus CECT 288和H. coagulans DSM 2314进行菌株比较与发酵；在1 L搅拌罐反应器中进行SHF和SSF发酵；通过HPLC分析糖、有机酸、醇类及抑制物，手性HPLC测定乳酸立体特异性，并辅以FT-IR和SEM表征结构变化。

研究结果方面，3.1微波辅助预处理TPS-BP：通过2^4?1部分因子设计评价试剂加载量、粒径、温度和反应时间对碱/酸预处理的影响，以酶解后葡萄糖浓度为响应变量；ANOVA显示温度是唯一具有指示性效应（p < 0.05）的因素；碱预处理最高葡萄糖浓度17.6 g L^?1（48 h，Run 6），酸预处理最高18.0 g L^?1（48 h，Run 5），且24 h即释放17.5 g L^?1；故选择0.1% H₂SO₄、150 °C、30 min用于后续实验；SEM显示酸预处理产生高度多孔表面；商业TPS-BP淀粉含量为20.9 ± 3.5%，葡萄糖释放低于20 g L^?1；FT-IR表明预处理选择性水解TPS组分而保留PBAT基质；稻草含32.9 ± 0.8 wt%纤维素和17.3 ± 0.2 wt%半纤维素，预处理后水解液含39.0 ± 0.1 g L^?1葡萄糖和14.3 ± 0.1 g L^?1戊糖，故提出与稻草共发酵以提高碳可用性。3.2菌株比较：在pH 5.5、6.0、6.5下比较两株菌，二者得率均达0.85–0.93 g g^?1；H. coagulans在pH 6.0时最大体积生产率8.25 g L^?1 h^?1高于L. rhamnosus的7.77 g L^?1 h^?1；手性HPLC确认H. coagulans乳酸L-异构体立体特异性为99.77%；H. coagulans因嗜热运行优势及可利用戊糖而被选中。3.3 SHF共发酵：TPS-BP水解液单独发酵乳酸最高14.2 g L^?1，得率0.87 g g^?1；稻草水解液因碳分解代谢阻遏（CCR）呈顺序糖利用，最终乳酸42.1 g L^?1，得率0.91 g g^?1；两者按1:1.5体积比混合共发酵最终乳酸42.1 g L^?1，得率0.85 g g^?1，总工艺生产率0.57 g L^?1 h^?1；共发酵未产生超出各自贡献的协同提升，196%的乳酸浓度增幅主要反映稻草的碳水化合物贡献。3.4酵母提取物含量：将酵母提取物从20降至5 g L^?1对乳酸生产无显著差异（单因素ANOVA，F(2,3) = 2.27，p = 0.251），最终浓度平均43.6 ± 1.3 g L^?1，得率0.86 ± 0.02 g g^?1；进一步降至1 g L^?1导致乳酸浓度下降14%（37.3 g L^?1，p = 0.007）并延迟葡萄糖消耗；乳酸选择性随酵母提取物降低从90.3升至95.7 wt%；故SSF实验固定酵母提取物为5 g L^?1。3.5 SSF共发酵：在SSF配置下，TPS-BP预处理浆液同时作为反应介质和附加碳源，最终乳酸浓度55.1 ± 0.7 g L^?1，高于SHF的42.1 ± 0.35 g L^?1（Welch t检验，p = 0.007），也高于基于SHF得率预测的48.4 g L^?1；乳酸选择性95.0 wt%，L-异构体99.73%；总工艺生产率1.17 g L^?1 h^?1，为SHF共发酵（0.57 g L^?1 h^?1）的两倍，总工艺时间从74 h缩短至47 h；模型碳水化合物平衡显示，在SSF反应器组成下每千克raw稻草可整合751 g TPS-BP，而SHF仅278 g，乳酸产量从330 g（SHF）增至460 g（SSF）；这是首次报道TPS-BP与木质纤维素废弃物的SSF共发酵，55.1 g L^?1处于稻草单底物SSF文献范围（50.0–61.0 g L^?1）内。

讨论部分总结：共底物策略在本系统中TPS-BP主要贡献葡萄糖及非发酵组分，联合使用底物未产生超出各自贡献的改善；CCR的持续存在由高初始葡萄糖水平（38.5 g L^?1）触发，葡萄糖与木糖相关生产率差异（7.75与0.46 g L^?1 h^?1）表明戊糖消耗主导整体工艺时长；改善戊糖转化需缓解CCR而非底物混合，故SHF共发酵增加了可及碳水化合物库但未改变CCR的调控约束。SSF将糖化与发酵整合于单一反应器，显著缩短总反应时间，并通过以TPS-BP预处理浆液作为反应介质和附加碳源实现更高乳酸滴度，潜在减少用水并整合单元操作。此外，该共增值策略可通过以生物塑料衍生浆液替代工艺用水，将TPS-BP废弃物淀粉组分发酵为可发酵碳源，并可缓冲稻草季节性供应的影响。富集惰性PBAT的残余固相可潜在回收用于热转化、机械再加工或酶解聚。研究结论翻译：本研究证明了通过微生物发酵将TPS-BP淀粉组分转化为乳酸以实现增值的可行性。微波辅助酸预处理（150 °C、0.1% H₂SO₄）有效从生物塑料废弃物的淀粉组分中释放可发酵糖。通过采用H. coagulans进行TPS-BP与稻草共发酵的SSF工艺，最终乳酸浓度达到55.1 g L^?1。该共增值方法具有双重效益：为生物塑料废弃物提供了优于常规报废路线的回收替代方案，并可提供稳定碳源以缓解稻草等农业残渣固有的季节性供应问题。