伊利诺伊大学团队实现甘蔗渣高效回收，成功提取花青素
伊利诺伊大学团队实现甘蔗渣高效回收，成功提取花青素
生物能源作物是可以转化为生物燃料、生物化学品和其他生物基产品等有价值产品的潜在作物。先前的研究发现，包括芒草、高粱和甘蔗在内的高产生物能源草可以积累花青素。
近期，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的先进生物能源与生物产品创新中心（CABBI）的研究人员开发了一种新的生物加工方法。该方法能够从一种名为“油甘蔗”（oilcane）的转基因甘蔗渣中提取高价值产品如花青素，有效实现了生物废料回收再利用。这篇题为“Redefining the product portfolio of oilcane bagasse biorefinery: Recovering natural colorants, vegetative lipids and sugars”的研究发表于 Bioresource Technology。
传统的生物炼制厂通常使用甘蔗作为原料生产生物乙醇燃料。甘蔗被压榨以提取汁液，然后将汁液加工成燃料，而压榨后剩余的纤维质材料（称为甘蔗渣）通常被燃烧。此前已有将油蔗渣转化为不同产品，包括糖、植物脂质、微生物脂质、生物乙醇、糠醛等的研究，但将其转化为花青素未被报道。
为了确认甘蔗渣进行生物回收的可行性，科研团队首先对油蔗渣的成分进行了全面分析。以浸出物、葡聚糖、木聚糖、酸不溶性木质素、酸溶性木质素和总灰分来估算未处理和预处理的油蔗渣的组成，如下表所示。通过初步的 HPLC 分析，证实了油蔗渣的酸化乙醇提取物中存在花青素-3-葡萄糖苷，从而为后续提取天然色素奠定了基础。
图 | 未处理和预处理（150℃，15 分钟）油蔗渣的化学成分
为了从油蔗渣中提取天然色素花青素，研究团队采用了水热预处理的方法，并在不同温度（130-190℃）和时间（5-15 分钟）的组合下进行预处理实验，结果表明，预处理温度和时间对花青素回收率有显著影响。在 150℃ 处理 15 分钟时，花青素的回收率最高，达到 85% 以上，在较低温度（130-150℃）下，随着时间延长，花青素回收率增加；然而在较高温度（170-190℃）下，由于花青素的热降解，回收率随时间延长而降低。
图|不同温度和时间下，甘蔗渣花青素相对提取率的情况
不仅如此，水热预处理除了影响花青素的提取，还会对预处理液的成分产生影响。研究人员发现，预处理液中除了花青素，还含有目标产物糖类、有机酸、糠醛和羟甲基糠醛等成分。在较低温度（130-150℃）和适当的处理时间下，糖类单体浓度增加，然而在高温（170℃ 及以上）时，糖类会转化为糠醛和羟甲基糠醛等降解产物。只有在 150℃ 处理 15 分钟时，既能实现花青素的高回收率，又能避免糖类的过度降解。因此，此这一条件对于平衡多种产物的生成具有重要意义。
此外，油蔗渣中的另一目标产物植物脂质的含量在水热预处理后也发生了变化。未经处理的油蔗渣中植物脂质含量仅为 4.4±0.2%（w/w）。随着预处理温度和时间的增加，植物脂质在预处理后的油蔗渣中得到了富集。在 150℃ 处理 15 分钟时，植物脂质含量增加了 1.5 倍；而在 190℃ 处理 15 分钟时，富集倍数达到 2.1 倍。不仅如此，油蔗渣的酶解消化性经预处理后也得到大幅提升。研究人员对未处理和预处理后的油蔗渣进行了酶解实验，结果显示，经过 150℃、15 分钟预处理的油蔗渣，酶解 24 小时时葡萄糖产率从 29.9±1.4% 提升至 53.7±0.6%，并72小时后达到59.6±1.5%，实现了近 2 倍的增长，意味着其能更加有效的转化为糖类。这主要得益于水热预处理破坏了油蔗渣的形态结构，降低了纤维素的结晶度，增加了表面积和孔隙率，使其更易于被酶分解。
图 | 未处理油蔗渣和 150℃、15 分钟预处理后的油蔗渣在酶解 24 小时、48 小时和 72 小时后的葡萄糖产率
总而言之，研究人员通过不断优化水热预处理条件，最终确认了最佳预处理温度与时间，即在 150℃ 处理 15 分钟时，既能高效回收花青素，又能提高植物脂质含量，同时显著提升油蔗渣的酶解消化性，增加葡萄糖产率，最终成功地从油蔗渣中提取了多种高价值产品，为油蔗渣的生物炼制提供了一种全新的、可持续的方法，有望推动生物炼制产业向多元化、高附加值方向发展。