糖化废水水解预处理策略提升琥珀酸产量的机制与工艺优化

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Hydrolytic pretreatment strategies of brewery mashing wastewater for improved succinic acid production

为解决啤酒糖化废水(BMW)资源化利用难题，本研究系统比较了酸、碱、酶预处理对BMW寡糖转化为可发酵单糖的效率及抑制剂生成的影响。发现果胶酶水解(PH)在释放26.47 g/L葡萄糖的同时几乎不产生抑制剂，使琥珀酸(SA)产量达16.19 g/L、产率0.61 g SA/g葡萄糖，为啤酒废水高值化利用提供了绿色工艺路径。

　　

在全球啤酒年产量超过1340亿升的背景下，每升啤酒生产伴随产生的3-10升废水中，糖化废水(BMW)占比超过17%。这种富含寡糖和有机物的废水，化学需氧量(COD)高达21.16 g/L，溶解糖浓度达18.91 g/L，却因寡糖难以被微生物直接利用而大多被混合处理排放，既浪费碳资源又增加处理成本。与此同时，作为食品、医药、可降解材料等领域重要平台化学品的琥珀酸(SA)，其生物法生产正受制于原料成本过高（占生产总成本40%以上）。如何将BMW这一廉价碳源高效转化为高值SA，成为循环生物经济领域亟待突破的难题。

东南大学研究团队在《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》发表研究，系统评估了酸、碱、果胶酶(PH)、α-淀粉酶(AMH)四种预处理策略对BMW糖化效果、抑制剂形成及发酵性能的影响。研究发现果胶酶水解在500 U/mL、pH 3.5、65°C条件下表现最优，葡萄糖释放量达26.47 g/L，且几乎不产生呋喃类抑制剂。发酵实验表明，PH组SA产量达16.19 g/L，产率0.61 g SA/g葡萄糖，显著高于酸/碱预处理组（<1.40 g/L、<1.61 g/L），且接近精制底物水平。研究通过激发-发射矩阵荧光光谱(EEM)和红外光谱(ATR-FTIR)证实，酸水解产生大量糠醛(FF)、5-羟甲基糠醛(5-HMF)等抑制剂，而酶解法能最大限度保留发酵活性。

关键技术方法包括：采用L9(3³)正交实验优化水解条件；通过高效液相色谱(HPLC)定量糖类、有机酸及抑制剂；利用ATR-FTIR和3D-EEM表征有机物转化；以琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)为发酵菌株进行批次发酵评估。

3.1. BMW特性分析

BMW碳氮比高达269，远高于SA发酵最佳范围(10-20)，需氮源补充。寡糖中以麦芽三糖(8.12 g/L)为主，葡萄糖仅占0.95 g/L，证实预处理必要性。ATR-FTIR在1062 cm^-1处的特征峰表明存在淀粉类多糖。

3.2. 可发酵糖产量

酸水解最佳条件(2% H₂SO₄, 100°C, 90 min)葡萄糖产量10.40 g/L，但伴随麦芽三糖积累(37.39 g/L)；碱水解最高葡萄糖产量仅3.99 g/L；果胶酶水解葡萄糖释放量是酸解的2.5倍，且麦芽三糖残留量最低(0.085 g/L)。

3.3. 微生物抑制剂谱

酸水解产生大量2-乙酰基呋喃(2-AF, 99.58 mg/L)和5-HMF(12.02 mg/L)；碱水解主要生成呋喃酮(FN, 2.32 mg/L)；酶解法抑制剂含量可忽略不计。EEM图谱显示酸解样品在IV、V区强荧光，证实腐殖化副产物生成。

3.4. 发酵性能

PH组SA产率(0.61 g/g)超越餐厨垃圾水解液报道值(0.43 g/g)，葡萄糖24小时内完全消耗；酸解组即使补糖SA产量仍<6.11 g/L，显示抑制剂严重抑制微生物代谢。

该研究证实酶法预处理尤其是果胶酶水解，能平衡糖得率与抑制剂生成的矛盾，使BMWSA产率逼近精制底物水平。研究为啤酒废水资源化提供了技术范式，指出预处理策略选择对废弃碳源生物炼制具有决定性影响，为糖富集工业废水的高值转化提供了工艺优化方向。