综合运用温和的水热处理和原位酶催化预处理方法，可以有效提高食物废物的水解效率并提升净生物能源的回收率

《Regional Studies in Marine Science》：Integrated mild hydrothermal and in situ enzymatic pretreatment improves food waste hydrolysis and net bioenergy recovery

　　

陈家鑫|崔丽辉|严一鸣|高梦山|张碧英|王群晖|马英群

西安交通大学化学工程与技术学院，中国西安710049

摘要

本研究以食品废弃物（FW）为唯一底物制备了复合酶，并进一步结合了温和的水热预处理与原位（in situ）酶预处理方法，以提高食品废弃物的水解效率和生物甲烷产率。结果表明，120°C的水热与酶联合预处理在食品废弃物溶解度和生物降解性方面表现最佳：可溶性化学需氧量（ΔSCOD）增加了99.55%-101.37%，腐殖化指数（HIX）降至0.198。基于峰差异成像和二维相关光谱（2D-COS）的分析显示，联合预处理能够破坏蛋白质结构，其中淀粉是食品废弃物中最易被分解的成分。这些变化促进了Chloroflexi门和Methanosaeta属菌类的富集，并增强了厌氧消化（AD）过程中关键水解酶的合成及核心代谢途径的调控。最终，生物甲烷产率达到517.80 mL/g挥发性固体（VS），较对照组提高了41.52%。能量平衡分析表明，联合预处理可将热亏损转化为热盈余，使总净能量回收率（ΔE_total）提高了97.38%。总体而言，这种联合预处理策略为食品废弃物的资源化利用提供了一种可持续且能源正向的方法，对推动废物转化为生物能源的技术发展具有重大潜力。

引言

全球每年有三分之一的食品（约13亿吨）被损失或浪费，其中约40%发生在食品供应链环节，剩余的60%由零售商、餐饮服务和消费者浪费[1]。妥善处理如此大量的食品废弃物是一个紧迫的问题，因为它关系到公共健康和环境可持续性。鉴于食品废弃物含有丰富的有机物（如蛋白质、淀粉和纤维素），通过厌氧消化（AD）将其转化为生物甲烷是一个有前景的选择。AD易于实现固体减少和大规模操作，产生的生物甲烷作为可再生能源可以减少温室气体（GHG）排放[2]。通过AD彻底将食品废弃物转化为生物甲烷可以最大化能源和资源的回收，并减轻环境负担。然而，水解步骤往往是限制整体转化效率的瓶颈，导致生物甲烷产率不佳[3]。因此，结合有效的预处理方法以促进食品废弃物水解对于提高生物甲烷产量至关重要。

目前，酶预处理因其温和的操作条件、高生产率、无需去除污染步骤（如中和、清洗和吸附）以及无二次污染而受到广泛关注[4]。酶预处理具有高底物特异性，产生的抑制性副产物极少，并且与下游生物转化过程（如AD）具有优良的兼容性[5]。但由于食品废弃物成分复杂，需要多种酶的组合才能提高水解效率，而商业酶的高成本限制了其在大规模应用中的普及。作为一种替代方案，人们利用食品废弃物作为底物，在原位制备了复合酶（也称为真菌混合物），以促进食品废弃物的分解和生物甲烷生产；由于原材料几乎免费且无需分离和纯化步骤，这种制备方式具有成本优势[6]。此外，Aspergillus oryzae具有强大的酶生产能力，能分泌多种酶（包括淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶）来分解食品废弃物中的不同成分[7]。例如，使用Aspergillus oryzae在原位制备的复合酶用于食品废弃物水解，其蛋白酶活性高于淀粉酶和纤维素酶，水解效率达到35%[8]。然而，原位制备的酶在分解顽固成分方面的能力有限，且对食品废弃物的可获取性有限，这使得酶预处理的效果不如传统的化学和物理方法[9]。为克服这些限制，预计将原位酶预处理与其他预处理方法结合使用将能克服上述缺点，从而提高食品废弃物的水解效率和生物甲烷产量。

水热预处理是一种绿色的处理方法，使用液态水作为溶剂、反应物和催化剂，具有处理时间短、操作简单和设备腐蚀性低的优点[10]。在水热预处理过程中，低温下的低介电常数使水表现出类似有机溶剂的行为；同时，pH值的降低可使水的离子产物增加1000倍以上，加速酸反应速度25倍。这些特性使得水热预处理能够有效分解食品废弃物。此外，粘度降低和扩散性增强有助于提高水解效率[11]。然而，传统的水热预处理通常在较高温度（160-200°C）下进行[12],[13],[14]，这可能导致一些毒素（如呋喃和5-羟甲基呋喃）释放到水解产物中，从而抑制厌氧消化中的微生物生长和代谢，进一步降低生物甲烷产量。因此，采用低于120°C的温和水热预处理有助于减少毒素的产生[15]。为了弥补温和水热预处理相对于传统方法较低的水解效率，将其与酶预处理结合使用有望实现高效的目标分解效果。

鉴于上述情况，结合温和水热预处理与原位酶预处理有望通过利用各自的优势实现绿色食品废弃物水解和生物甲烷生产。温和水热处理旨在破坏食品废弃物结构而不产生顽固化合物，并提高复合酶对食品废弃物的渗透性；酶的高选择性和特异性则能够定向分解不同成分而不产生副产物。这种协同作用有望最大化食品废弃物水解效率和生物甲烷产量。

本研究旨在开发温和水热与原位酶联合预处理方法，并探讨其对于食品废弃物分解和生物甲烷回收的效果及潜在机制。系统地分析了液体成分的组成分布、溶解度和生物降解性，以及固体成分的功能基团和表面形态，以揭示食品废弃物分解的潜在机制。通过分析微生物群落和宏基因组，进一步阐明了联合预处理在促进生物甲烷生产中的作用。此外，还进行了全面的能量平衡分析，以评估该预处理方法的可扩展性和适用性。本研究有望为食品废弃物的可持续处理和生物甲烷生产提供参考，为未来的相关研究带来宝贵见解。

章节摘录

食品废弃物、接种物及原位酶的制备

食品废弃物由西安交通大学食堂提供，在去除杂质（骨头、塑料、筷子等）后用搅拌机混合均匀。接种物来自中国西安的WELLE FW处理厂。接种前，接种物在37°C下培养超过30天以消耗可利用的底物。使用Aspergillus oryzae CICC 40214菌株，在食品废弃物作为唯一底物的条件下进行原位酶制备。将40克湿食品废弃物均匀分布在培养皿中并进行接种

联合预处理改善食品废弃物溶解度

随着水热预处理温度的升高，ΔSCOD浓度显著增加，在120°C时达到最大值3683.34 ± 144.34 mg/L（图2a）。水热预处理后，向食品废弃物中加入1%的酶以启动酶预处理。如预期所示，经过120°C的水热与酶联合预处理后，ΔSCOD浓度达到7350.00 ± 104.08 mg/L，较单独水热处理提高了99.55%

结论

本研究开发了温和水热与原位酶联合预处理方法，有效提高了食品废弃物的水解效率和生物甲烷产量。联合预处理通过促进食品废弃物的溶解度和生物降解性、破坏蛋白质结构和表面形态来提升水解效率；这些物理化学变化进一步影响了微生物群落，上调了关键代谢途径，并促进了厌氧消化过程中的酶分泌。

陈家鑫：撰写初稿、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。崔丽辉：数据验证、方法设计、实验研究、数据管理。王群晖：撰写与编辑、项目监督、概念构建。马英群：撰写与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、概念构建。高梦山：软件开发、方法设计。张碧英：数据可视化、结果验证、实验研究。严一鸣：

作者声明没有已知的可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

作者声明没有可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52470163）、内蒙古自治区科技计划项目（2025YFHH0044）以及陕西高校青年创新团队的支持。