《ACS Omega》：Mixed Food Waste as a Low-Cost Carbon Source for Kombucha Bacterial Cellulose
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本研究评估了混合果蔬废弃物（橙、菠萝、胡萝卜、柠檬）作为康普茶发酵生产细菌纤维素（BC）的低成本碳源。结果显示，未经水解的果汁（UJ）能产出最高BC量（6.17 g/L），优于2%乙酸水解30分钟的果汁（HJ-30 min，5.44 g/L），且远高于精制糖（RS）和纯乙酸（Ac2）对照组。该研究证明，未经水解的混合食品废弃物不仅足以生产BC，且因其保留了蔗糖、含氮化合物等，可维持有益酵母生长、抑制野生酵母，从而获得更高产量与结晶度的BC，为食品废弃物的高值化利用及可持续生物材料生产提供了新路径。
引言
食品废弃物是全球食品系统面临的严峻挑战，其不当处置会释放强效温室气体甲烷。将食品废弃物转化为细菌纤维素等天然生物聚合物，是一种具有前景的环境保护策略。细菌纤维素与植物纤维素化学结构相同，但具有更高纯度、生物相容性、机械强度和结晶度，广泛应用于人工皮肤、药物递送系统、食品添加剂和水处理技术等领域。康普茶发酵利用细菌和酵母的共生菌群，以糖茶为底物生产细菌纤维素。碳源选择强烈影响BC产量，此前研究多使用精制糖，而利用农业和工业副产品作为低成本碳源的研究日益受到关注。本研究旨在探索经水解与未经水解的混合食品废弃物（橙、菠萝、胡萝卜、柠檬）通过康普茶发酵生产BC的可行性，并分析所产BC的结构与物理性质。
材料与方法
研究采用对比实验设计，评估不同碳源对BC生产的影响。独立因素包括水解时间（2%乙酸水解30分钟[HJ-30 min]和100分钟[HJ-100 min]）、未水解碳源（精制糖[RS]和未水解食品废弃物汁液[UJ]）以及水解碳源（仅2%乙酸[Ac2]和HJ-30 min）。所有发酵在恒定温度、接种量和茶浓度下进行14天。使用高效液相色谱（HPLC）分析水解前后糖浓度，并采用激光衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）和特性粘度测量等方法对BC的产量、结构、结晶度、形貌、热稳定性和分子量进行表征。
结果与讨论
3.1 温和乙酸水解对蔗糖浓度、颗粒尺寸及抑制性5-HMF形成的影响
HPLC分析表明，未水解汁液中蔗糖（41.75 ± 1.93 g/L）占主导。经2%乙酸水解30分钟后，蔗糖含量大幅降至7.31 ± 0.13 g/L，而葡萄糖和果糖浓度增加；水解100分钟后蔗糖未被检出。计算的水解严重性因子（p-factor）显示，反应时间从30分钟延长至100分钟，水解严重性增加约3.3倍。关键的是，在水解汁液样品中未检测到抑制性副产物5-羟甲基糠醛（5-HMF），表明该温和水解条件适于后续发酵。激光衍射分析显示，水解后浆料平均颗粒尺寸显著减小，表明乙酸水解有效破坏了细胞壁结构。
3.2 蔗糖保留与pH对酵母和细菌平衡的影响
在发酵过程中，精制糖对照组的pH下降，而仅含乙酸（Ac2）的对照组pH因乙酸消耗而轻微上升。在未水解汁液（UJ）培养基中，发酵起始时单次添加2%乙酸即可稳定pH，促进有益酵母生长。而在水解汁液（HJ-30 min）培养基中，由于蔗糖含量急剧降低（减少84.13%），导致了卡姆酵母的过度生长。为解决此问题，在第3天补充乙酸将pH降至3.0以下，有效抑制了野生酵母。BC产量测定显示，UJ产出最高BC（6.17 g/L），其次是HJ-30 min（5.44 g/L），两者均远高于RS（0.80 g/L）和Ac2（0.22 g/L）对照组。UJ的高产量与其保留的蔗糖（可维持有益酵母）、果糖、复杂培养基成分及可能的含氮化合物有关。扫描电镜（SEM）显示，所有BC样品均形成三维纳米纤维网络。
3.3 食品废弃物碳源对BC结构与结晶度的影响（与精制糖对比）
FTIR光谱显示所有BC样品具有纤维素的典型吸收峰。XRD图谱表明所有BC样品及微晶纤维素（MCC）均显示纤维素I的特征衍射峰。结晶度指数（CrI）计算显示，MCC最高（80.24 ± 4.44%），其次是HJ-30 min（51.99 ± 6.21%）、UJ（49.21 ± 3.87%）、RS（44.30 ± 1.47%）和Ac2（44.86 ± 1.86%）。BC样品间的CrI无显著统计学差异，表明混合食品废弃物汁液可产出与精制糖对照组结晶度相当的BC。HJ-30 min和UJ的CrI低于一些使用单一废弃物但搭配富营养培养基的文献报道值，这可能源于混合糖组成的异质性阻碍了纤维素域内氢键的形成。
3.4 碳源与水解对BC分子量的影响
特性粘度测量表明，所有BC样品的分子量（Mw）在128至188 kDa之间，聚合度（DP）在794至1161之间，至少是MCC的2.7倍。RS、UJ和HJ-30 min之间的分子量无显著差异，证实混合食品废弃物汁液在BC分子量方面足以替代精制糖。BC的高DP得益于其温和的纯化条件，而MCC经历的苛刻化学处理会显著降解DP。
3.5 碳源对热稳定性与质量损失的影响
热重分析显示，MCC的热稳定性（以初始起始温度OIT表示）略高于部分BC样品，但RS、UJ和HJ-30 min之间的起始温度无显著差异。所有BC样品均在多个阶段降解，而MCC在~340°C处有一个明显的强降解峰，对应于酸水解去除无定形区域。在所有BC样品中，Ac2来源的BC表现出最高的热稳定性，这可能与其相对较大的晶体尺寸有关。
结论
本研究证实，混合食品废弃物汁液可通过康普茶发酵替代精制糖生产细菌纤维素。虽然酸水解能提高葡萄糖和果糖浓度并减小颗粒尺寸，但会导致BC产量低于未水解废弃物。未水解发酵仅在接种时需单次添加乙酸，而水解发酵则需在第3天进行额外pH干预以抑制污染。未水解废弃物产生的BC结晶度略高于对照组。所有BC样品在纯化后均保持高分子量和特征性纳米纤维形态，适用于人工皮肤、药物递送和水处理等应用。未水解汁液的优越性能与蔗糖保留密切相关，后者能维持有益酵母种群并防止野生酵母增殖。通过省去水解步骤，该方法同时减少了对高温酸预处理的需求，降低了能耗，简化了操作控制，并将产量提高了14.3%。这项研究表明，食品废弃物的高值化不仅可以优化用于植物基聚合物的生产，还能改善发酵过程的经济性和产品质量，同时减少对精制糖等食品级原料的需求。
