综述：在生物炼制框架下利用菠萝废弃物生产琥珀酸：技术方法、工艺集成及技术成熟度的综述

《Biomass and Bioenergy》：Succinic acid production from pineapple-derived waste within a biorefinery framework: A review of technological approaches, process integration, and technology readiness

　　

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  菠萝废弃物已成为生产琥珀酸（SA）的有前景的原料。
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  利用菠萝废弃物生产琥珀酸在技术上是可行的。
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  利用菠萝废弃物生产琥珀酸需要一个综合的生物精炼框架。
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  综合生物精炼框架提高了能源效率和经济可行性。

引言

从基于化石的制造业向可持续生物精炼的转变加速了将可再生生物质转化为高附加值产品的研究。最近的研究表明，在利用可再生碳资源生产生物基有机酸和其他平台化学品方面，催化和综合生物质增值策略取得了显著进展。特别是，对控制生物质衍生物转化的微观反应途径的机制研究提供了更深入的见解，包括选择性键断裂、糖异构化和中间体转化，从而提高了碳利用效率和产品选择性[[1], [2], [3]]。此外，微生物发酵在温和的操作条件下提供了一种高效的生物途径，将生物质衍生的糖转化为有机酸。因此，识别潜在的低成本木质纤维素生物质成为降低生产成本和提高可持续性的关键策略。

作为凤梨科中唯一可食用的成员，菠萝（Ananas comosus）是全球消费量最大的热带水果之一[4]。作为香蕉和橙子之后第三大消费水果，菠萝主要以加工形式食用，如罐头制品、果汁、浓缩汁和干制品。2023年全球菠萝产量达到2900万吨，主要生产国包括巴西、菲律宾、泰国、哥斯达黎加、印度和印度尼西亚[5]。不幸的是，大规模生产和广泛的菠萝加工导致了大量的农业和工业废弃物[6]。在加工过程中，多达75%的菠萝果实被作为固体废弃物丢弃，包括果冠、果核、果皮和其他不可食用部分。据估计，每年产生的菠萝农业工业废弃物约为31.5万吨，这相当于菠萝总重量的25-35%[7,8]。此外，20-40%（重量百分比）的废弃物来自果核和果皮[9,10]。

尽管不当处置可能带来环境问题，但菠萝废弃物越来越多地被认为是生产高附加值化学品的潜在原料。这种生物质含有高含量的多糖，约占其组成的55%，其中果皮和果核是多糖的主要来源[11]。可发酵碳水化合物的丰富性使菠萝废弃物成为微生物生物转化过程的合适原料。近年来，对可持续生物精炼和循环生物经济的兴趣日益增长，促使研究人员利用农业工业废弃物作为生产各种生物化学产品的原料[[12], [13], [14]]。在潜在的生物产物中，琥珀酸因其广泛的工业应用性而成为其中一个有前景的选择，可以从菠萝废弃物中生产[12]。

琥珀酸被认定为十二种关键化学平台化合物之一，具有重要的价值和发展前景[15]。由于其多样的物理化学性质，琥珀酸在食品、化工、金属、农业和制药等多个行业中都有广泛应用[[16], [17], [18], [19]]。在制药行业中，琥珀酸用作生产维生素、抗生素和氨基酸的添加剂[20,21]。在食品行业中，它常用作pH调节剂、抗菌剂和风味增强剂[15]。在农业行业中，琥珀酸用于促进植物生长[22]；而在化工行业中，它作为表面活性剂、添加剂、发泡剂、溶剂和聚合物合成的前体。此外，琥珀酸在金属行业中作为离子螯合剂，防止腐蚀[22]。除了直接应用外，琥珀酸还是合成多种高价值衍生物（包括四氢呋喃、己二酸、1,4-丁二醇、脂肪族酯和生物聚合物）的关键中间体，进一步增强了其商业价值[23]。

之前的文章已经全面讨论了从木质纤维素生物质、农业工业残余物和其他可再生原料中生产琥珀酸的方法[[24], [25], [26]]。现有的琥珀酸综述主要讨论了生物质增值、预处理策略、微生物发酵途径和优化或工业应用[[27], [28], [29]]。同时，关于菠萝废弃物利用的综述主要集中在生物能源生产、生物活性化合物提取、循环经济和环境管理方法上[[30], [31], [32], [33]]。然而，报道利用菠萝废弃物生产琥珀酸的研究仍然非常有限。此外，对上游和下游加工阶段的整合关注不足，包括预处理技术、水解效率、发酵性能、产品回收率、工艺瓶颈和技术成熟度评估等方面。

因此，本综述旨在提供关于利用菠萝废弃物生产琥珀酸的最新技术方法的全面和批判性回顾。特别强调了与原料特性、预处理策略、糖化途径、微生物发酵系统以及整体工艺可持续性相关的工艺集成挑战。此外，本综述还强调了当前的技术限制、工业可行性和技术成熟度考虑，以确定未来发展经济可行和可持续酸生物精炼的机会和研究方向。

章节摘录

琥珀酸生产概述

琥珀酸是一种重要的二元羧酸，在生物塑料、化妆品和食品行业中具有日益增长的工业应用。它是几种有价值的化学品和可降解塑料（如聚丁烯琥酸盐）的前体。2021年，琥珀酸的市场价值为1.608亿美元，预计到2032年将达到3.014亿美元，年增长率约为6.5%[34]。虽然市场需求越来越多地受到可持续性的驱动

菠萝废弃物概述

作为全球消费量最大的热带水果之一，菠萝在其生产和加工过程中产生了大量的农业废弃物。水果的可食用部分约占成熟菠萝植物总生物量的25%，而剩余部分主要是不可食用部分，这些部分通常被丢弃或未得到充分利用。这些木质纤维素副产品的数量庞大且持续可用，使得菠萝废弃物成为

利用菠萝废弃物生产琥珀酸的技术方法

由于其可再生性、丰富性、经济可行性和高多糖含量，菠萝废弃物已成为生产琥珀酸的有前景的原料。先前的研究人员已成功从各种类型的菠萝废弃物中生产出琥珀酸[[134], [135], [136]]。先前研究人员使用的菠萝废弃物类型包括菠萝液体废弃物[135]、含有菠萝废弃物的水果和蔬菜废弃物[134]以及菠萝果皮废弃物[136]。

从

技术成熟度与挑战

将木质纤维素生物质（特别是菠萝废弃物）作为琥珀酸原料利用存在一些技术和操作上的挑战，必须加以解决。其中一个主要问题是化学成分的变异性，这影响了作为琥珀酸前体的葡萄糖中间体的生产[103,104]。为了提供技术发展和实施的更广泛视角，需要对

未来展望

应探索利用菠萝废弃物作为生产生物化学产品（尤其是琥珀酸）的原料的潜力。实际上，每个阶段都存在显著的瓶颈，需要进一步识别以通过直接解决主要问题来提高工艺效率。例如，预处理仍然是能耗最高和成本最高的阶段之一。增强碳水化合物

结论

虽然将菠萝废弃物发酵转化为琥珀酸在技术上是可行的，但本综述指出，工艺集成以及底物的潜力是工业应用的关键障碍。研究表明，菠萝废弃物类型及其组成的变化、预处理的强度、糖的回收率和下游分离仍然是限制规模化的主导因素。技术成熟度水平（TRL）分析表明，工业可行性

CRediT作者贡献声明

Ningsi Lick Sangadji: 数据整理、形式分析、调查、验证、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。Dwini Normayulisa Putri: 架思、资金获取、调查、项目管理、监督、初稿撰写、审阅与编辑。Ibnu Maulana Hidayatullah: 形式分析、调查、资源调配、初稿撰写、审阅与编辑。Meka Saima Perdani: 调查、初稿撰写

致谢

本研究得到了印度尼西亚共和国国家研究与创新局通过RIIM LPDP项目（授权号B-3864/II.7.5/KS.00/4/2025）的支持。该出版物也得到了印度尼西亚共和国国家研究与创新局的博士后研究员计划的支持。作者们还感谢应用微生物研究中心的研究支持。

Ningsi Lick Sangadji|Dwini Normayulisa Putri|Ibnu Maulana Hidayatullah|Meka Saima Perdani|Kristina Violeta|Nayla Tifana Fillah