《Bioresource Technology Reports》：Valorization of banana waste for sustainable bioethanol via adaptive laboratory evolution-engineered yeast
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摘要高效利用木质纤维素残余物对于开发可持续且具有经济可行性的生物乙醇生产至关重要，同时支持废物增值利用。在众多木质纤维素废物中，香蕉废物是一种丰富但尚未充分开发的木质纤维素原料，可用于可持续的生物乙醇生产。本研究优化了一种整合的生物加工过程，将一步高压灭菌辅助的同时预处理与水
摘要
高效利用木质纤维素残余物对于开发可持续且具有经济可行性的生物乙醇生产至关重要，同时支持废物增值利用。在众多木质纤维素废物中，香蕉废物是一种丰富但尚未充分开发的木质纤维素原料，可用于可持续的生物乙醇生产。本研究优化了一种整合的生物加工过程，将一步高压灭菌辅助的同时预处理与水解相结合，并结合适应性实验室进化（ALE）和共培养策略以提高乙醇产量，同时评估了包括叶片、假茎和果柄（中心茎）在内的不同废物组分在酸性、碱性和蒸汽预处理条件下的糖回收情况。在各种处理中，经稀硫酸处理的Poovan和Monthan品种果柄分别达到了最高的还原糖产量，分别为0.362和0.358 g/g。工业分析、元素分析、Zeta电位分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）分析和扫描电子显微镜（SEM）确认预处理导致了结构破坏、结晶度改变和底物可及性提高。在抑制剂胁迫下对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和产脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）进行短期传代适应性实验室进化，与亲本菌株相比显著改善了呋喃甲醛的解毒能力和乙醇产量。在高底物负荷条件下，进化后的酿酒酵母和产脂耶氏酵母共培养分别实现了Poovan和Monthan果柄的最高乙醇滴度62.5 g/L和58 g/L，与野生菌株相比提高了多达65%。这些发现证明了一种具有成本效益、低水投入、无酶的方法用于木质纤维素生物乙醇生产，且香蕉果柄可作为可规模化生物加工的可行原料。
引言
传统化石燃料，包括煤炭、天然气和石油，占全球能源消费的主要份额。替代能源的生产与利用对于应对气候变化至关重要，因为化石燃料占温室气体排放的三分之一以上和全球年度能源相关CO2排放的近40%（Peng等，2023）。在燃料领域，乙醇是一种可再生、生物来源、可生物降解且毒性较小的燃料，通常与汽油混合使用，如E10、E20、E30等，其中数字表示乙醇的百分比。研究人员报告指出，E20、E10和E5混合燃料分别可将CO排放降低61%、48%和39%，而对于E10和E5混合燃料，碳氢化合物排放分别减少高达29%和27%（Dinh Xuan等，2022）。
由于对环境污染和废物处理的担忧，研究人员将注意力集中在第二代木质纤维素生物乙醇原料上，因为它们丰富且不与粮食作物竞争。在全球范围内，香蕉废物是一种有前景的木质纤维素原料，估计废物产生量为1.1408亿吨，约占水果总产量的18.2%（Bishnoi等，2023）。香蕉废物富含纤维素、半纤维素和木质素，其相对比例通常随品种、生长条件和成熟阶段而变化（Zaini等，2023）。除生物燃料外，香蕉废物还已在农业、纳米技术、生物塑料、纤维、废水处理、植物化学物和食品包装领域进行了探索（Emmanuel等，2025）。此外，将其增值用于生物乙醇生产支持固体生物质废物的有效管理，并符合可持续、环保和循环生物经济的原则。
乙醇生物加工中的高固含量条件提高了底物浓度，同时减少了水投入，最大限度地减少细生物质和可发酵糖的损失，并有助于降低资本投资，从而提高工艺效率和财务可行性（Arshad等，2025）。遗传和代谢工程或产乙醇微生物的共培养使用改善了糖利用，增强了对温度、乙醇和抑制剂的耐受性，从而实现木质纤维素乙醇生产的高效发酵（Tsegaye等，2024）。其中一项先前的研究结果表明，使用预处理后的甘蔗渣和水稻秸秆将酿酒酵母（S. cerevisiae）与非传统酵母产脂耶氏酵母（Y. lipolytica）共发酵可提高乙醇产量（Tharunkumar等，2025）。
为了破坏生物质的顽固性并从木质纤维素底物中释放可发酵糖，发酵前需要对生物质进行预处理，这取决于生物质的类型和组成。预处理方法包括物理方法（如机械挤压、微波辅助预处理）、化学方法（如稀或浓酸、碱性试剂、氧化剂和有机溶剂）、生物方法（如微生物或微生物酶）以及物理化学方法（多种方法的组合），用于降解强韧木质纤维素结构中木质素的屏障（Dhanvanti等，2024；Kucharska等，2018）。根据工艺配置，乙醇发酵分为分离水解和发酵（SHF）、同步糖化和发酵（SSF）以及整合生物加工（CBP），从而影响生物质生产的整体效率和乙醇生产率。
在生物质预处理过程中，会产生呋喃甲醛、5-羟甲基糠醛、有机酸和酚类等特定抑制性化合物，对微生物代谢和发酵产生不利影响（Narayanan等，2016）。适应性实验室进化通过在模拟工业操作的过程中培养含有抑制性物质的培养基，使微生物适应恶劣环境，从而克服这些障碍（Yao等，2024a）。这种靶向进化改善了多种应激耐受机制，包括低pH值、高抑制剂浓度和乙醇介导的毒性，产生了乙醇生产率提高5至20倍的改良菌株（Rehman等，2024）。这种非遗传途径提供了有效的生物转化，并为解毒提供了一种实用的替代方案，特别是短期传代ALE，由于其具有工业上可应用的产量，与商业化规模木质纤维素乙醇的乙醇增产目标相一致（Topalo?lu等，2023）。
先前的研究报告了香蕉废物用于木质纤维素乙醇生产的潜力，但不同香蕉品种在不同加工条件下的比较研究仍然有限。此外，采用野生型和应激适应性酵母的单培养和共培养的发酵性能研究较少。因此，本研究探索了来自Poovan和Monthan品种的香蕉废物用于生物乙醇生产，这两个品种是印度泰米尔纳德邦的原生和顶级栽培品种，每公顷平均产量分别为24.63和23.33吨（Jayavalli，2024）。该研究考察了蒸汽预处理、蒸汽辅助稀硫酸（H2SO4）和稀氢氧化钠（NaOH）预处理策略的使用，以提高还原糖回收率。通过工业分析和元素分析估算了生物质的能量潜力。最后，通过适应性实验室进化技术开发了抗逆酵母菌株，以提高香蕉废物的生物乙醇产量。利用香蕉废物作为原料并开发具有成本效益的生物加工技术以应对各种挑战，本工作为可持续能源解决方案铺平了道路，同时解决了废物管理问题。
章节摘要
香蕉废物的收集与处理
选择Poovan和Monthan香蕉品种（Musa spp.）的叶片、假茎和果柄废物作为原料，样品采集自印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦尔乌鲁尔区周边的各个倾卸点、水果市场和香蕉种植园。样品经过彻底清洗并在60°C下干燥以去除水分。随后，样品被切碎、研磨和筛分，粒径从细纤维粉末到中等颗粒不等（即0.85–2毫米）。研磨后的样品
同时预处理与水解
在对香蕉废物进行蒸汽、酸和碱性试剂预处理后，对还原糖量进行了定量分析，详见补充数据[图1，图2，图3]。Poovan和Monthan品种的果柄废物的还原糖回收率高于叶片和假茎。尽管碱性（NaOH）和蒸汽预处理也改善了糖回收，但酸性处理（H2SO4）的糖回收量更高，表明其在水解方面具有优势
结论
本研究通过整合生物加工途径展示了开发一种整合高效的方法，将一步高压灭菌辅助的同时预处理与水解策略结合用于Poovan和Monthan品种木质纤维素香蕉废物的生物乙醇生产。在评估的不同香蕉废物组分和多种预处理方法中，从Poovan和Monthan果柄获得了大量的还原糖释放（0.358–0.362 g/g生物质）
CRediT作者贡献声明
Palani Bharathy Kalivarathan：撰写初稿、验证、项目管理、调查研究、形式分析。Tharunkumar Jayakumar：撰写审阅和编辑、方法论、数据整理。Rajesh Banu：撰写审阅和编辑。Kiran Babu Uppuluri：撰写审阅和编辑。Suchitra Rakesh：撰写审阅和编辑、验证、监督、资源、项目管理、资金获取、数据整理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
Palani Bharathy Kalivarathan | Tharunkumar Jayakumar | Rajesh Banu | Kiran Babu Uppuluri | Suchitra Rakesh
印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦尔乌鲁尔，泰米尔纳德邦中央大学，生命科学学院，微生物学系，生物燃料实验室
