《Biomass and Bioenergy》：An integrated SSF strategy enables superior valorization of apple pomace into 2,3-butanediol using
Paenibacillus polymyxa
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本研究针对苹果渣等农业废弃物的高效增值化问题，系统比较了分步糖化发酵和同步糖化发酵策略，利用非致病性细菌Paenibacillus polymyxa将苹果渣转化为高值平台化学品2,3-丁二醇。研究通过优化预处理条件和酶解参数，发现SSF策略虽批次浓度略低，但整体物料转化效率更高，最终通过补料分批策略将产量提升至371 kg/吨干苹果渣，为基于果废的循环生物精炼模型提供了关键技术支撑。
在全球食品供应链中，农业废弃物的有效管理是一个严峻的环境挑战。这些废弃物通常含水量高、化学性质不稳定，容易发生不可控的降解，导致温室气体排放以及土壤和水体污染。其中，水果和蔬菜加工废弃物占比高达14.8%，而苹果渣作为一种产量巨大但尚未被充分利用的副产品，其处理与转化问题尤为突出。全球苹果年产量超过1.13亿吨，仅欧盟年产量就达约1220万吨，由此产生的苹果渣年产量超过400万吨。苹果渣富含可发酵糖、膳食纤维、果胶和酚类化合物，具备巨大的生物技术增值潜力。当前，苹果渣的主要处理方式包括回收果胶、生产乙醇、用作有机肥料或动物饲料等，但这些途径的经济价值有限。因此，开发将苹果渣转化为高附加值化学品的技术路线，对于推动可持续的循环生物经济发展至关重要。
在众多增值路径中，微生物合成2,3-丁二醇（2,3-BDO）是一条前景广阔的途径。2,3-BDO是一种重要的平台化学品，在聚合物、制药、化妆品和燃料等领域具有广泛应用。它可作为1,3-丁二烯、甲基乙基酮、双乙酰等化合物的前体，并用于生产墨水、香料、增塑剂和防冻剂。其高热值（27.2 kJ/g）、低蒸气压（0.23 hPa）和-60°C的冰点使其非常适合作为生物燃料或燃料添加剂。全球市场对2,3-BDO的年需求量估计为3200万吨，当前价格约为3.23美元/公斤，开发低成本、可持续的2,3-BDO生物生产工艺具有日益增长的工业兴趣。
利用可再生底物进行发酵合成2,3-BDO是石油化学路线的可行替代方案。近年来，利用微生物将废弃物中的可再生糖转化为2,3-BDO的研究日益增多。虽然克雷伯氏菌、肠杆菌和沙雷氏菌等细菌属具有高转化效率，但它们被归类为生物安全2级病原体，限制了其工业应用。相比之下，Paenibacillus polymyxa是一种公认安全的微生物，能够以有竞争力的产量生产2,3-BDO。然而，利用木质纤维素类废弃物生产2,3-BDO仍面临诸多挑战，包括优化发酵条件、减轻复杂底物的抑制效应以及提高工艺可扩展性。
将苹果渣生物转化为2,3-BDO涉及几个关键阶段：预处理、酶水解和发酵。预处理对于增加纤维素和半纤维素对酶攻击的可及性、从而增强糖释放至关重要。为了确保环境和经济可持续性，预处理策略必须避免使用有毒或昂贵的化学品。此外，必须仔细控制糖浓度，因为过高的浓度会导致底物抑制和培养基粘度增加，对微生物性能产生负面影响。因此，优化过程的每个阶段对于实现从苹果渣高效且可扩展地生产2,3-BDO至关重要。
在此背景下，发表于《Biomass and Bioenergy》的这项研究，系统考察了利用Paenibacillus polymyxa将苹果渣生物转化为2,3-BDO的工艺，重点比较了两种工艺配置：分步糖化发酵和同步糖化发酵。研究人员假设，尽管存在底物加载量的限制，但集成的SSF方法可以提供优于SHF的工艺效率。为了验证这一假设，研究团队优化了两种配置的水热预处理条件，改进了SSF的酶水解步骤，并实施了补料分批策略以探索生产力极限。
为开展此项研究，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，他们使用了来自西班牙阿斯图里亚斯的苹果渣作为原料，并对其进行了详细的化学表征。其次，研究核心是应用实验设计与响应面法来系统优化关键工艺参数，包括水热预处理条件（时间、固含量）和酶加载量。第三，研究比较了两种主要的生物工艺配置：分步糖化发酵和同步糖化发酵，并在优化条件下进行了补料分批发酵实验以提升产物浓度。发酵产物和底物浓度的分析则通过高效液相色谱法完成。
3.1. 苹果渣的表征
对苹果渣的化学分析显示其碳水化合物总含量约为53%（w/w），其中结构碳水化合物约占39.0%，主要是葡聚糖（19.6%）。此外，在提取物中发现了9.8%的非结构碳水化合物，主要是果糖和葡萄糖。酸溶性木质素含量相对较低（1.7%），而酸不溶性木质素含量较高（22.7%）。提取物含量为23.7%，灰分含量较低（2.0%）。这种组成表明苹果渣是一种有前景的原料，可用于通过酶法将多糖转化为可发酵糖，但需要进行预处理以改善结构碳水化合物的可及性。
3.2. 苹果渣发酵生产2,3-BDO的灭菌锅预处理优化
本研究对SHF和SSF两种发酵策略下的水热预处理条件进行了优化。
3.2.1. 预处理苹果渣的SHF发酵
针对SHF策略，优化了预处理时间和固液比两个变量，以最大化2,3-BDO产量和酶解后的糖回收率。结果表明，固含量是影响糖浓度的主导因素，而预处理时间影响较小。最终通过多响应优化确定了最佳条件为31分钟和16%（w/v）的固含量。在此条件下进行验证实验，获得了75.5 g/L的单糖浓度和24.2 g/L的最终2,3-BDO浓度。对预处理后固体残渣的表征显示，葡聚糖和木质素的相对含量显著增加，表明预处理过程中半纤维素和提取物等组分被部分溶出。
3.2.2. 预处理苹果渣的SSF发酵
对于SSF过程，以最大2,3-BDO浓度为响应变量优化了灭菌锅预处理。研究发现，固含量对SSF过程的影响与SHF截然不同。过高的固含量（>15%）会导致发酵完全失败，这是由于初始浆料粘度过高，严重阻碍了传质和微生物活性。最佳条件被确定为7分钟和11%（w/v）的固含量，验证实验得到的最终2,3-BDO浓度为21.0 g/L。预处理后固体的表征同样显示了葡聚糖和木质素的富集。
3.2.3. 最佳预处理条件下SSF和SHF工艺的比较
在各自最佳预处理条件下的直接比较揭示了一个关键权衡：最终产品浓度与整体工艺效率。SHF配置实现了更高的最终2,3-BDO浓度（24.2 g/L），而SSF配置则表现出更高的整体质量产率（23.8 g/100g 原料对18.9 g/100g）。SSF还表现出更高的转化率（0.43 g/g对0.38 g/g）和更完全的糖消耗。尽管SHF的容积生产率更高，但考虑到SSF在质量产率、转化率方面的优势以及单罐操作的简便性，SSF策略被认为对于工业放大更具优势。
3.3. SSF发酵优化酶加载量以从最佳条件下预处理的固体生产2,3-BDO
为了降低SSF工艺的酶成本并提高效率，研究人员优化了Viscozyme和Cellic CTec2两种酶的协同加载量。通过响应面法优化，确定最佳酶加载量为Viscozyme 15 FPU/g预处理底物和Cellic CTec2 17 FPU/g预处理底物。在此条件下，SSF过程的2,3-BDO浓度从21.0 g/L进一步提高到23.6 g/L，相应的质量产率提升至26.8 kg/100kg干苹果渣。
3.4. 补料分批生产2,3-BDO
为了进一步提高最终产品浓度，研究人员对优化后的SHF和SSF配置实施了基于葡萄糖的补料分批策略。在SHF补料分批过程中，2,3-BDO浓度在58小时内达到40.1 g/L。在SSF补料分批配置中，最终浓度在58小时内达到32.7 g/L，但转化率更高（0.49 g/g）。通过补料分批策略，SHF工艺的整体质量产率提高到31.3 kg/100kg干苹果渣，而酶优化的SSF工艺达到了最高的整体产率，为37.1 kg/100kg干苹果渣。
3.5. 不同2,3-BDO生产配置的质量平衡
基于100kg干苹果渣的物料平衡分析显示，优化的批次SHF工艺生产18.9 kg 2,3-BDO，标准SSF工艺生产23.8 kg，酶优化后的SSF工艺提升至26.8 kg。补料分批策略则进一步显著提高了质量产率，SHF达到31.3 kg，而酶优化的SSF工艺达到了最高的37.1 kg。这证明了通过工艺优化和补料分批策略可以显著提升从苹果渣到2,3-BDO的整体转化效率。
本研究首次系统比较和优化了利用Paenibacillus polymyxa从苹果渣生产2,3-BDO的SHF和SSF工艺。研究结论明确指出，尽管SHF配置在批次发酵中能达到更高的产品浓度，但集成的SSF工艺因其更高的整体物料转化效率（酶优化后达268 kg/吨，补料分批后达371 kg/吨）和操作简便性，代表了更具工业应用前景的路线。该研究成功建立了一个稳健的工艺框架，证明了苹果渣作为可再生资源生产高价值平台化学品的巨大潜力。这些发现为推进基于水果废弃物的循环生物精炼模型提供了关键的基础，对实现农业副产品的增值化和促进循环生物经济发展具有重要意义。未来的研究可集中于开发更先进的补料策略以进一步提升浓度，并整合高效的下游纯化工艺，同时进行全面的技术经济分析和生命周期评估，以量化该循环经济模型的经济可行性和环境效益。
