《Biomass and Bioenergy》：Valorisation of beetroot pulp and banana plant pseudostem by a combined mild enzymatic hydrolysis to fermentable sugars and bioconversion of hydrolysates to organic acids
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本研究聚焦甜菜渣（BP）与香蕉假茎（PS）这两种大宗农业废弃木质纤维素（LB）的资源化利用难题。针对现有单一处理策略效率不足的问题，研究人员设计了一种由纤维素酶、漆酶和果胶酶构成的复合酶制剂（EC），在温和条件下（pH 3.5，40-60 °C）对两种原料进行高效水解，实现了高达860.53 ± 2.65 mg/g（BP）和744.82 ± 15.43 mg/g（PS）的可发酵糖回收率，并成功将水解液进一步发酵为乙酸、丁酸和乳酸等有机酸，为农业废弃物的生物炼制和可持续高值转化提供了可行的集成工艺方案。
全球每年产生巨量的农业废弃物，仅农业部门就贡献了约140亿吨。这些富含纤维素、半纤维素和木质素的木质纤维素生物质（LB），通常被丢弃或焚烧，不仅造成资源浪费，还带来环境污染和温室气体排放问题。其中，甜菜榨汁后剩余的甜菜渣（BP）和香蕉采摘后遗留的假茎（PS）就是两类典型代表。它们虽富含多糖，可被转化为高附加值生物制品，但由于其复杂的异质性和顽固的结构成分，加上缺乏适用于不同原料的高效、统一的预处理与转化策略，其大规模、高值化利用之路依然困难重重。
因此，来自葡萄牙NOVA里斯本大学科学与技术学院的研究团队在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项研究，旨在为BP和PS这两种差异显著的农业残余物，开发一条整合、高效的生物转化路径。他们提出并验证了一个核心设想：能否设计一种“万能”的酶混合配方，在相似的温和条件下，高效地“拆解”这两种不同的生物质，释放出可发酵的糖，然后再将这些糖“重塑”成有价值的有机酸？
为了回答这个问题，研究人员采用了一条清晰的技术路线。首先，他们收集并预处理了BP和PS原料，将其研磨至粒径≤250 μm以增加酶的可及表面积。研究的核心是设计并应用一种由商业纤维素酶（Celluclast?）、漆酶（Y120）和果胶酶组成的复合酶制剂（EC）对生物质进行水解。他们系统地优化了水解的pH值（3.5， 4.5， 5.5）、温度（40， 50， 60 °C）和EC酶活（100， 200， 300 U/mL），并创新性地将颗粒粒径的快速减小作为评估水解效率的初步指标。随后，他们将获得的水解液在批次发酵罐中（工作体积42 mL， 30 °C， 厌氧条件）进行发酵，接种物来源于啤酒废水处理厂的厌氧颗粒污泥，底物与接种物的比例（S/I）为2 g化学需氧量（COD）/g挥发性固体（VS），发酵周期为14天。关键的分析方法包括：使用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000）测定颗粒粒径；采用配备折射率检测器（RI）和Bio-Rad Aminex? HPX-87H柱的高压液相色谱（HPLC）定量分析可发酵糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）和有机酸（乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸）及乙醇；依据标准方法测定VS和COD。
3.1. 木质纤维素生物质酶水解
通过优化实验，研究人员发现，与不加EC的对照组相比，EC的加入能显著降低两种生物质的颗粒粒径。对于BP，pH是影响最大的因素，在pH 3.5时水解效果最佳；而对于木质化程度更高的PS，温度的影响最为显著，较低温度（40 °C）更有利于水解，避免高温可能导致的糖降解产物（如糠醛）抑制酶活。最终确定的最优水解条件为：EC酶活300 U/mL， pH 3.5，温度60 °C（BP）和40 °C（PS）。在此条件下，BP和PS的粒径分别减少了94.46 ± 8.34 % 和90.59 ± 7.82 %，表明EC能高效地破坏生物质结构。
3.2. 可发酵糖定量
水解后，通过HPLC定量分析发现，可发酵糖（阿拉伯糖、葡萄糖、木糖）被成功释放到水解液中。BP和PS水解液中的总可发酵糖回收量分别达到860.53 ± 2.65 mg/g和744.82 ± 15.43 mg/g。其中，葡萄糖是主要产物（BP：770.91 ± 0.83 mg/g；PS：741.06 ± 15.43 mg/g），这得益于EC中纤维素酶对纤维素的高效水解。这一回收率高于文献中报道的使用单一酶制剂或酸/碱水解处理其他LB（如小麦秸秆、玉米芯）所获得的值，证明了所设计EC的高效性和普适性。
3.3. 水解液发酵评估
将最优条件下获得的水解液进行批次发酵。结果表明，BP和PS水解液中的糖分被成功转化为有机酸，主要是乳酸、乙酸和丁酸。对于两种水解液，乳酸都是最主要的发酵产物（BP：2.59 ± 0.12 g/L；PS：2.39 ± 0.20 g/L）。而作为对照的纯葡萄糖溶液，其主要产物是丁酸（1.77 ± 0.09 g/L），这种差异归因于水解液中混合糖分对微生物代谢途径的影响。BP和PS水解液的酸化度（衡量底物转化为酸的效率）分别达到87.44 ± 6.24 % 和88.44 ± 5.57 %，显著高于许多使用其他原料或预处理方法的研究报道，表明本研究的酶解预处理为后续发酵提供了高效、抑制物少的优质底物。
该研究得出结论，使用由纤维素酶、漆酶和果胶酶组成的复合酶制剂，可以在温和条件下高效水解甜菜渣和香蕉假茎这两种成分不同的农业废弃木质纤维素，实现高产率的可发酵糖回收。粒径减小可作为评估酶解效率的快速、可靠指标。随后，水解液能被成功发酵，高产率地转化为以乳酸为主的有机酸，证明了这一整合工艺路线的可行性。与需要高温、强酸/碱的传统化学水解方法相比，本研究采用的酶法预处理条件更温和、能耗更低、更环保，且酶有回收再利用的潜力，大大提升了整个过程的可持续性和工业应用前景。这项工作不仅为BP和PS的资源化利用提供了具体的技术方案，更重要的是，它展示了一种适用于多种农业废弃物的通用型、可持续的生物转化策略框架。通过将废弃生物质转化为有机酸（可作为生物塑料、生物燃料等的前体），该研究有力地支持了循环生物经济和“零污染”愿景，为农业废弃物管理、减少碳排放和开发绿色生物基产品提供了创新思路。
