《Industrial Crops and Products》：Sustainable biorefining of barley malt rootlets and pot-ale for recovery of biohydrogen and organic acids
编辑推荐：
研究人员采用水基与壶馏残液（pot?ale）基酸水解对大麦麦芽根（barley malt rootlets, BMRs）进行增值利用；壶馏残液在不牺牲葡萄糖与蛋白质回收率的前提下替代了淡水；底物过量使产氢途径（hydrogenogenesis）转向产酸途径（a
研究人员采用水基与壶馏残液（pot?ale）基酸水解对大麦麦芽根（barley malt rootlets, BMRs）进行增值利用；壶馏残液在不牺牲葡萄糖与蛋白质回收率的前提下替代了淡水；底物过量使产氢途径（hydrogenogenesis）转向产酸途径（acidogenesis）；通过吸附与液?液萃取（liquid?liquid extraction, LLE）高效回收有机酸；将水解与发酵集成可实现工业废弃物的可持续增值。
研究背景与问题提出
麦芽与蒸馏工业在处理大麦这一全球主要工业作物过程中，产生大量源于作物的加工流（processing streams），目前主要作为低值饲料或需处理的废弃物，尚未被充分作为生物精炼增值资源利用。大麦麦芽根（barley malt rootlets, BMRs）是麦芽过程中产生最丰富的加工流，占麦芽总质量的3–5?wt%，富含可发酵碳水化合物与游离葡萄糖（较大麦提升近19倍），但因苦味与强吸湿性限制其在食品饮料中应用。与此同时，威士忌蒸馏工业产生大量高浓度废水壶馏残液（pot?ale），含有蛋白质（14.6–20?g/L）、氮、钾、磷、氨基酸与肽等营养物质，传统需处理后排放。现有文献多关注BMRs作饲料、抗氧化剂及其他增值产品，缺乏将BMRs纳入暗发酵（dark fermentation, DF）框架、尤其与pot?ale共发酵以联产生物氢（biohydrogen, H?）与有机酸的系统研究。因此，研究人员提出集成BMRs与pot?ale的生物精炼策略：以pot?ale替代淡水作为水解与发酵介质，同时实现两股工业侧流增值、降低淡水消耗并提供废水资源化路径，符合循环生物经济（circular bioeconomy）目标。该研究发表于《Industrial Crops and Products》。
主要关键技术方法概述（忽略试剂与具体操作步骤，注明样本队列来源）
研究人员所用样本队列包括：爱尔兰County Cork麦芽工业提供的BMRs、爱尔兰Dundalk Great Northern Distillery提供的pot?ale、以及来自爱尔兰Teagasc Dunsany中温厌氧消化设施的新鲜混合微生物菌群（未作实验室驯化）。关键技术方法依次为：采用Taguchi正交阵列（L9）设计筛选酸水解参数（BMRs负荷、酸种类、酸浓度、时间、提取剂类型），结合信噪比（Signal?to?Noise, S/N）“Larger is Best”分析与方差分析（ANOVA）；在最优水解条件下制备水解液并调pH至6±0.5，于严格厌氧（氧自由氮气吹扫、橡胶隔垫密封）条件下进行暗发酵（DF），设置不同初始葡萄糖浓度（5、10、20、30?g/L）及营养补充对照；采用修正Han?Levenspiel模型、Andrews模型与非竞争抑制模型拟合葡萄糖消耗动力学以获取临界浓度（Ccrit）等参数；发酵液经高速离心除菌、蒸汽活化酸洗活性炭吸附脱色（测定260?nm吸光度计算脱色效率）、乙酸乙酯液?液萃取（LLE, 1:3体积比）结合高效液相色谱（High?Performance Liquid Chromatography, HPLC, Rezex ROA柱、示差折光检测器、5?mM H?SO?流动相、0.6?mL/min、60?°C）定量有机酸；发酵终点生物质以QIAGEN DNeasy Power Soil Kit提取基因组DNA，扩增16S rRNA基因V4区（引物515F?806R）并进行下一代测序（Next?Generation Sequencing, NGS）分析微生物群落。
研究结果
3.1. Screening of factors involved in acid hydrolysis using Taguchi experimental design
研究人员通过Taguchi L9实验发现，运行9（15?wt% BMRs、0.3?M H?SO?、15?min、120?°C）在水与pot?ale提取剂中分别获得37.83±1.75?g/L与39.60±1.54?g/L最高葡萄糖浓度；CH?COOH水解几乎无葡萄糖释放，HCl中等，H?SO?因质子活性、硫酸稳定性与脱水能力最优。因子显著性排序为酸种类＞酸浓度＞反应时间＞BMRs负荷。后续5–15?min动力学实验表明10?min为真正最优时间（葡萄糖在10?min达峰值后下降，因次生降解），故后续发酵采用10?min水解。蛋白质回收同样在运行9最高（pot?ale基36.95±2.58?g/L，水基29.29±1.55?g/L），因子排序为BMRs负荷＞酸种类；pot?ale因本身含蛋白显著提高回收量，且酸浓度0.3?M与时间较短（≤15?min）有利，过高酸度或过长导致蛋白降解/沉淀。
3.2. Dark fermentation of pot?ale and water?based BMRs hydrolysates
初始未稀释水解液（～40?g/L葡萄糖）在null与YE/RCM补充下葡萄糖消耗效率仅约27–50%，无生物气产生，pH降至～4.0，表明酸积累、高底物/产物抑制及可能水解抑制剂共同抑制产氢。稀释至5–30?g/L后，pot?ale基在5?g/L达峰值120?NmL H?/g葡萄糖，随葡萄糖升至10–30?g/L产氢显著下降，代谢转向乳酸发酵；水基最高38.92±4.95?NmL H?/g葡萄糖（5–10?g/L），但整体因缺营养缓冲更低。葡萄糖消耗在≤20?g/L于15?d内基本完全，30?g/L残留显示底物抑制。该浓度依赖的代谢转换（低浓度产氢、高浓度产有机酸）在两种介质均存在，pot?ale因营养丰富乳酸产量更高。
3.3. Kinetic modelling of DF carried out using pot?ale and water?based medium
研究人员将实验数据拟合三种抑制模型：修正Han?Levenspiel模型对两者均最优（R2=0.99），估计pot?ale基Ccrit=31.2?g/L、rmax=1.7?g/L·d、m=0.31；水基Ccrit=33.0?g/L、rmax=1.18?g/L·d、m=0.48。Andrews模型低估低浓度抑制（R2≈0.42–0.47），非竞争抑制模型次之（R2=0.86）。Ccrit与初步试验＞40?g/L无产氢吻合，可为底物负荷上限与补料策略提供依据。
3.4. Downstream processing of fermentate derived from pot?ale and water?based medium
3.4.1. Decolourisation of fermentate derived from pot?ale and water?based medium
发酵液在230?nm及220–300?nm有强吸收（美拉德产物、酚类等），活性炭处理（100?g/L、15?min）后各波长吸收近完全消失，脱色效率＞95%，且与初始葡萄糖浓度无关，两介质表现相似，得澄清液利于后续LLE。
3.4.2. Liquid?liquid extraction of organic acids from pot?ale and water?based fermentate
pot?ale基中乳酸随葡萄糖增至20?g/L达5.69±0.01?g/L，30?g/L降至3.94±0.01?g/L（抑制），乙酸由0.26升至1.95±0.02?g/L；水基最大乳酸3.26±0.01?g/L（20?g/L），30?g/L降至2.62±0.01?g/L，乙酸＜0.54?g/L。对照（无BMRs水解液）产酸极低。pot?ale因营养与缓冲能力优于水。
3.4.3. Industrial applicability of the downstream processing strategy
研究人员指出吸附?LLE序列在实验室批量可行，工业上可转为固定床吸附与溶剂回收蒸馏等成熟单元，但需中试验证再生/回收效率与经济性评估，本研究未涵盖。
3.5. Microbial community analysis during DF of pot?ale and water?based medium
终点16S rRNA测序显示，pot?ale基中Bacillota（Firmicutes）主导；5?g/L时Lactobacillales与Clostridium共存，随葡萄糖升至20–30?g/L乳酸杆菌（LAB）占比显著增加，Clostridia减少，与水基相比LAB富集更稳（因pot?ale提供蛋白/缓冲）。水基5?g/L亦LAB与Clostridium共存，高浓度LAB增加但较弱。数据为分类学非功能性，关联产酸与LAB富集为相关性而非因果。
讨论与结论总结（翻译并浓缩结论部分）
本研究成功展示了集成BMRs与pot?ale增值的生物精炼框架：稀酸水解（0.3?M H?SO?、10?min、15?wt% BMRs）在pot?ale与水基分别获39.6±1.54?g/L与37.83±1.75?g/L葡萄糖；修正Han?Levenspiel模型优良拟合并准确预测临界葡萄糖浓度（Ccrit），初步发酵证实＞约40?g/L无生物气，参数为底物负荷安全限与反应器操作提供依据；DF产有机酸经活性炭脱色与LLE回收乳酸与乙酸；pot?ale提供优于淡水的营养缓冲环境，且通过底物浓度可调控代谢偏向生物氢或乳酸。研究首次将pot?ale作为BMRs水解与发酵替代介质纳入集成生物精炼，但仍存局限：未定量水解抑制剂（糠醛、HMF、酚类）、微生物仅为终点分析、接种物未驯化。未来需定量抑制剂、pH控制与稀释试验、驯化策略、时序与功能组学（metatranscriptomics等）及中试放大。总体而言，该工作证明大麦衍生工业流（BMRs、pot?ale）可有效作为生物精炼原料，支持作物源生物基化学品生产与循环生物经济。
