《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Deep Insight into the Role of Typical Maillard Reaction Products in Anaerobic Digestion of Protein-Rich Substrate: Process Performance and Microbial Metabolism
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•美拉德反应产物放大了总氨氮对厌氧消化的抑制作用。•美拉德反应产物削弱了产氢营养型和产乙酸营养型产甲烷菌。•在存在美拉德反应产物时，甲基营养型产甲烷作用对于沼气生成是必不可少的。•美拉德反应产物未能促进丙酸的及时降解，反而促使其迅速形成。引言化石燃料的过度使用导致了全球能源危
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美拉德反应产物放大了总氨氮对厌氧消化的抑制作用。
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美拉德反应产物削弱了产氢营养型和产乙酸营养型产甲烷菌。
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在存在美拉德反应产物时，甲基营养型产甲烷作用对于沼气生成是必不可少的。
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美拉德反应产物未能促进丙酸的及时降解，反而促使其迅速形成。
引言
化石燃料的过度使用导致了全球能源危机和日益严重的环境污染。大量的生物质蕴含着巨大的能量，但其中大部分在全球范围内作为生物废弃物被丢弃。因此，将生物废弃物转化为能量将有助于清洁能源供应和环境保护。
厌氧消化（AD）是将营养丰富的生物废弃物转化为生物能源（沼气和生物肥料）的有效技术 [1]。厌氧消化由不同的微生物介导，以甲烷为目标产物，包括四个阶段：水解、产酸、产乙酸和产甲烷 [2]。然而，水解通常被认为是厌氧消化中的限速因素 [3]。研究人员研究了各种增强水解效率的策略，其中水热预处理（HTPT）方法显示了可喜的结果 [4], [5], [6], [7], [8]。水热预处理可以促进大颗粒物质降解为小物质，这有利于脱水性和沼气产量的提高 [9], [10], [11]。具体来说，富含蛋白质的底物在 160 ℃下处理 60?分钟后，消化液中可溶性蛋白的浓度从 4,046 增加到 20,680?mg·L-1 [12]。然而，除了水热预处理的明显优点外，它还会导致厌氧消化中的重要抑制因素：美拉德反应产物（MRPs）。
在水热预处理期间，还原糖和氨基之间会发生美拉德反应（非酶促褐变反应），导致形成难生物降解的顽固化合物，对厌氧消化过程产生负面影响 [13], [14], [15], [16]。类黑精是深棕色含氮化合物 [17]，其分子量随不同的温度和时间变化 [18]。为了阐明类黑精的抑制机制，研究发现来源于污泥水热预处理的 N-杂环化合物、呋喃及其衍生物会抑制厌氧消化过程中的微生物 [19]。此外，Usman 等人 [20] 基于中间产物的峰强度通过半定量分析评估了某些有机组分的降解效率；并鉴定了含氮杂环化合物，伴随着吡啶等小分子的产生。然而，由于对恶劣环境的适应性更好，在厌氧消化系统中也观察到了能够降解顽固类黑精的特定微生物 [21], [22], [23]。尽管已有关于美拉德反应的研究，但仍缺乏对其导致对厌氧消化抑制机制的深入洞察，特别是关于微生物代谢的变化。这将为未来优化和应用水热预处理将生物废弃物转化为沼气能源铺平道路。
尽管物种分类分析可以揭示哪些微生物存在及其多样性如何变化，但无法揭示关于基因和代谢物的信息 [24], [25]。相比之下，宏基因组学已被用于筛选功能基因和描绘微生物活性 [26]。代谢组学能够在特定时间刺激或干扰前后发现生物系统中的小分子代谢物，以确定整体代谢概况。使用京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库注释的氨基酸代谢途径表明，在厌氧发酵过程中，乙酰辅酶 A 和丙酮酸是两个关键中间体 [27]。与其用物种丰度来解释产甲烷途径的转变，不如确定基因的相对丰度至关重要，包括编码二氧化碳还原 [M00567]、甲醇产甲烷 [M00356]、甲胺/二甲胺/三甲胺产甲烷 [M00563] 和乙酸脱羧 [M00357] 的基因 [28]。还调查了基于 KEGG 途径的氨基酸降解相关代谢途径的相对丰度，以确定酸/碱处理是否促进了挥发性脂肪酸（VFAs）的产生 [29]。非靶向代谢组学在生物信息传递中起界面作用，并已用于从全规模厌氧消化性能的角度评估氨基酸转化为甲烷的过程 [30]。然而，宏基因组和代谢组学研究很少检验水热预处理产生的类黑精抑制厌氧微生物生长的机制。
为了阐明在典型美拉德反应产物存在下微生物在厌氧消化期间表现的全面观点，迫切需要解析参与 KEGG 途径的差异基因和代谢物，以明确它们在这些条件下如何发挥作用。在本研究中，我们通过添加由这些底物水热预处理制备的美拉德反应产物，比较了美拉德反应产物与传统多糖和蛋白有机底物对厌氧消化性能的影响。基于本研究产生的社区结构和功能变化，我们考察了微生物如何响应环境扰动。宏基因组学被用来全面揭示美拉德反应产物影响重要微生物的机制，并分析关键基因在厌氧消化过程中的作用。
章节摘要
典型美拉德反应产物和接种污泥的制备
对于美拉德反应产物的制备，将几种氨基酸和蔗糖的混合物（质量比 3:1）用于水热反应器中进行水热预处理，条件为 140 ℃/60?分钟。水热预处理程序和水热反应器的详细信息可参见其他文献 [31]。生成的水热处理液（HTL）经离心并用异丙醇萃取，用于分析典型有机化合物。本研究中厌氧消化实验所用的接种污泥取自
pH、总氨氮和日沼气产量的变化
采用 140 ℃/60 分钟水热预处理蔗糖和氨基酸制备的美拉德反应产物用于 BMP 测试，以研究其对甲烷生成的影响。选择用于制备美拉德反应产物的水热预处理温度（140 ℃）比常规水热预处理过程的温度（150 - 180?oC）更温和，考虑到本工作中使用的纯小分子底物更容易发生美拉德反应，同时为了方便产物分析。尽管如此，获得液态产物
结论
140 ℃/60 分钟水热预处理蔗糖和丙氨酸生成了三种含氮环化合物（嘧啶）等典型美拉德反应产物，研究发现水热产物会深度干扰蔗糖和按植物蛋白比例混合的氨基酸混合底物的后续连续厌氧消化。甲烷生成受到显著抑制，其产量从对照组的 235?mL (g VS)-1 降至添加美拉德反应产物组的 10?mL (g VS)-1。美拉德反应产物的胁迫抑制了
CRediT 作者贡献声明
张光义：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，软件，资源，方法论，经费获取，形式分析，概念化。乔帆：写作 – 初稿，调查。韩真南：监督。杨玉香：数据整理。李雨晴：数据整理。李春兴：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，方法论，形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。
乔帆 | 张光义 | 李春兴 | 李雨晴 | 杨玉香 | 韩真南
