《Bioresource Technology Reports》：Integrated biorefinery scheme for apple pomace: Synergistic extraction and fermentation for dual recovery of pectin and 2,3-butanediol
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本研究针对苹果渣资源浪费与现有果胶提取方法高能耗、有污染等问题，开发了一种无溶剂、集成微波辅助提取、超滤和分步酶解发酵的生物炼制策略，成功实现了果胶衍生寡糖与平台化学品2,3-丁二醇的联产，为推进水果加工副产物的高值化利用和循环生物经济提供了可行方案。
每年，全球苹果汁产业会产生数百万吨的苹果渣，这些残渣通常被丢弃，不仅浪费资源，还带来了严峻的环境挑战。然而，这些“废料”实际上是一座未被充分开发的宝库，富含果胶、纤维素等多种有价值的生物质成分。传统的果胶提取工艺依赖于强酸和大量乙醇，过程能耗高且产生环境负担。另一方面，如何将提取果胶后剩余的固体残渣进一步转化为高附加值产品，实现苹果渣的“吃干榨尽”，是提升整个产业链经济效益和可持续性的关键。针对这些问题，一项发表于《Bioresource Technology Reports》的研究提出了一套创新的集成解决方案。
研究者们设计了一条无缝衔接的绿色工艺路线：首先利用微波辅助提取技术温和高效地从苹果渣中获取果胶组分；接着，采用超滤膜技术对提取液进行纯化和浓缩，得到富含功能性寡糖的产物；最后，将提取果胶后富含纤维素的固体残渣进行酶解糖化，并利用特定的细菌菌株发酵生产用途广泛的平台化学品——2,3-丁二醇。这项研究成功地将一个废弃物流转变为一个能够同步产出两种高价值产品的资源流。
为开展这项研究，作者运用了几个关键技术方法：首先，采用响应面法优化了微波辅助提取(MAE) 的温度和时间，以最大化目标产物寡聚半乳糖醛酸的得率。其次，使用截留分子量为3 kDa的超滤(UF) 膜对提取液进行纯化和浓缩，以富集果胶衍生寡糖并去除小分子杂质。再者，对MAE处理后的固体残渣进行酶解糖化，使用商品化酶制剂Cellic CTec2和Viscozyme L将其转化为可发酵糖。最后，利用两种工业相关菌株——地衣芽孢杆菌 (Bacillus licheniformis) 和解淀粉芽孢杆菌 (Bacillus amyloliquefaciens)——对糖化液进行分批发酵，生产2,3-丁二醇及其相关产物。研究所用的苹果渣原料由西班牙Muns Agroindustrial公司提供。
3.1. 苹果渣的表征
分析显示，原始苹果渣含有近50%的结构性碳水化合物，其中葡聚糖(28.7%)和半乳聚糖(11.2%)是主要成分，其次是半乳糖醛酸(7.0%)。木质素含量为12.7%。这种高果胶、低木质素的组成使其非常适合采用温和的微波提取工艺。
3.2. 通过水热MAE从苹果渣中提取果胶
研究采用响应面法优化了MAE条件。结果表明，提取液的pH值(3.4-3.6)不受变量影响，而固体回收率(37.9%-52.8%)则显著受处理强度影响，条件越剧烈，固体回收率越低，表明更多物质被溶出。提取物成分分析显示，在优化的温和条件下，可以有效获得目标寡糖同时抑制降解产物的生成。严重度因子(Severity Factor, SF) 与降解产物总浓度呈强正相关，表明SF是平衡提取效率与热降解的有用指标。
3.3. OGalA提取的优化
通过模型拟合，确定了最大化寡聚半乳糖醛酸浓度的最优MAE条件为136°C、8.1分钟，预测浓度为4.35 g/L。验证实验得到的浓度为4.0 ± 0.2 g/L，与预测值偏差仅8.0%。在此优化条件下，提取液中OGalA的回收率达到53.7%，而总寡糖回收率为47.0%。降解产物浓度较低(3.6 g/L)，证明了优化条件在提取效率和热稳定性之间取得了良好平衡。
3.4. POS的纯化与浓缩
使用3 kDa超滤膜对最优MAE提取液进行纯化。渗透通量随时间下降，符合对数衰减模型，表明存在膜污染。经典Hermia模型拟合表明，早期污染主要由内部孔堵塞主导。超滤后，浓缩液中的总POS浓度达到47.5 g/L，所有寡糖组分均得到显著富集，富集因子在2.4到3.2倍之间。尤其是鼠李糖寡糖(RhaOS) 和OGalA的富集因子最高，而小分子降解产物的去除有限。这凸显了超滤膜对目标寡糖的选择性浓缩能力。
3.5. 精制果胶的表征
MAE过程获得了22.3%的果胶得率。精制后果胶材料中POS的累积含量高达71.5%。成分分析显示，阿拉伯糖寡糖(AraOS) (26.8%)和半乳糖寡糖(GalOS) (11.3%)是主要成分，表明分离出的果胶具有高度分支化的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I(RG-I) 结构，这对其功能性质至关重要。
3.6. 从预处理的苹果渣残渣中生产2,3-丁二醇
MAE预处理后，固体残渣中的果胶组分被选择性去除，葡聚糖相对富集至约37%。该残渣经酶解后，在10%和15%的底物浓度下，分别获得了43.8 g/L和59.2 g/L的可发酵糖。随后使用两种芽孢杆菌进行发酵。
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发酵动力学：B. licheniformis消耗糖的速度更快，在48小时内即可完全消耗两种底物浓度下的糖，并表现出碳分解代谢物阻遏效应，优先利用葡萄糖。B. amyloliquefaciens的发酵周期更长，在15%底物浓度下需120小时。
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产物形成：B. amyloliquefaciens在10%底物浓度下产生了最高的2,3-BDO浓度(10.3 g/L)和得率(0.31 g/g)。B. licheniformis在15%高底物浓度下表现出更强的代谢活力，在47小时内达到9.5 g/L的2,3-BDO，且生产率更高，但同时积累了大量的乙偶姻(达23.6 g/L)。乙偶姻的大量积累与摇瓶发酵中供氧相对充足、胞内氧化还原状态偏向氧化态有关，这限制了2,3-丁二醇脱氢酶将乙偶姻还原为2,3-BDO。
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菌株比较：结果表明，B. amyloliquefaciens更适合在较低底物浓度下高效生产2,3-BDO，而B. licheniformis则对高底物浓度表现出更好的耐受性和更快的发酵动力学，适合追求高生产强度的场景。
3.7. 工艺可扩展性与技术经济展望
研究指出了该集成工艺向工业放大的路径，强调了基于相似性原则进行设计的重要性，如保持微波处理的比能量输入(SEI)恒定、根据膜污染动力学确定超滤面积、以及在发酵放大中通过控制体积传氧系数(kLa)来维持有利于2,3-BDO合成的微好氧环境。过渡到可在线监控pH和溶解氧的搅拌釜式生物反应器，将能更好地控制代谢流向，最大化2,3-BDO产量。
结论与意义
本研究成功验证了一个用于苹果渣价值化的无溶剂集成生物炼制模型。其核心科学贡献在于证明超滤可作为一种绿色、高效的替代方案，替代传统的乙醇沉淀法，用于纯化和浓缩具有生物活性的果胶衍生寡糖，并保留了通常会在溶剂法中损失的中性糖侧链寡糖。在技术层面，研究通过MAE→UF→SHF的模块化配置，实现了从单一原料中协同生产高价值的功能性食品配料(POS)和平台化学品(2,3-BDO)。最优工艺下，获得了22.3%的果胶得率、61.5%的POS总回收率，以及最高10.3 g/L的2,3-BDO产量。这项工作不仅为苹果渣的高值化利用提供了一条切实可行的技术路径，减少了废弃物排放，还通过产品多元化增强了生物炼制过程的经济可行性。它完美契合循环生物经济原则，为全球水果加工业的副产品资源化提供了创新范式，有助于推动该行业向更可持续的未来发展。
