生物能源作物是可以轉化為生物燃料、生物化學品和其他生物基產品等有價值產品的潛在作物。先前的研究發現，包括芒草、高粱和甘蔗在內的高產生物能源草可以積累花青素。

近期，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的先進生物能源與生物產品創新中心（CABBI）的研究人員開發了一種新的生物加工方法。該方法能夠從一種名為“油甘蔗”（oilcane）的轉基因甘蔗渣中提取高價值產品如花青素，有效實現了生物廢料回收再利用。這篇題為“Redefining the product portfolio of oilcane bagasse biorefinery: Recovering natural colorants, vegetative lipids and sugars”的研究發表于 Bioresource Technology。

傳統的生物煉制廠通常使用甘蔗作為原料生產生物乙醇燃料。甘蔗被壓榨以提取汁液，然后將汁液加工成燃料，而壓榨后剩余的纖維質材料（稱為甘蔗渣）通常被燃燒。此前已有將油蔗渣轉化為不同產品，包括糖、植物脂質、微生物脂質、生物乙醇、糠醛等的研究，但將其轉化為花青素未被報道。

為了確認甘蔗渣進行生物回收的可行性，科研團隊首先對油蔗渣的成分進行了全面分析。以浸出物、葡聚糖、木聚糖、酸不溶性木質素、酸溶性木質素和總灰分來估算未處理和預處理的油蔗渣的組成，如下表所示。通過初步的 HPLC 分析，證實了油蔗渣的酸化乙醇提取物中存在花青素-3-葡萄糖苷，從而為后續提取天然色素奠定了基礎。

圖 | 未處理和預處理（150℃，15 分鐘）油蔗渣的化學成分

為了從油蔗渣中提取天然色素花青素，研究團隊采用了水熱預處理的方法，并在不同溫度（130-190℃）和時間（5-15 分鐘）的組合下進行預處理實驗，結果表明，預處理溫度和時間對花青素回收率有顯著影響。在 150℃ 處理 15 分鐘時，花青素的回收率最高，達到 85% 以上，在較低溫度（130-150℃）下，隨著時間延長，花青素回收率增加；然而在較高溫度（170-190℃）下，由于花青素的熱降解，回收率隨時間延長而降低。

圖|不同溫度和時間下，甘蔗渣花青素相對提取率的情況

不僅如此，水熱預處理除了影響花青素的提取，還會對預處理液的成分產生影響。研究人員發現，預處理液中除了花青素，還含有目標產物糖類、有機酸、糠醛和羥甲基糠醛等成分。在較低溫度（130-150℃）和適當的處理時間下，糖類單體濃度增加，然而在高溫（170℃ 及以上）時，糖類會轉化為糠醛和羥甲基糠醛等降解產物。只有在 150℃ 處理 15 分鐘時，既能實現花青素的高回收率，又能避免糖類的過度降解。因此，此這一條件對于平衡多種產物的生成具有重要意義。

此外，油蔗渣中的另一目標產物植物脂質的含量在水熱預處理后也發生了變化。未經處理的油蔗渣中植物脂質含量僅為 4.4±0.2%（w/w）。隨著預處理溫度和時間的增加，植物脂質在預處理后的油蔗渣中得到了富集。在 150℃ 處理 15 分鐘時，植物脂質含量增加了 1.5 倍；而在 190℃ 處理 15 分鐘時，富集倍數達到 2.1 倍。不僅如此，油蔗渣的酶解消化性經預處理后也得到大幅提升。研究人員對未處理和預處理后的油蔗渣進行了酶解實驗，結果顯示，經過 150℃、15 分鐘預處理的油蔗渣，酶解 24 小時時葡萄糖產率從 29.9±1.4% 提升至 53.7±0.6%，并72小時后達到59.6±1.5%，實現了近 2 倍的增長，意味著其能更加有效的轉化為糖類。這主要得益于水熱預處理破壞了油蔗渣的形態結構，降低了纖維素的結晶度，增加了表面積和孔隙率，使其更易于被酶分解。

圖 | 未處理油蔗渣和 150℃、15 分鐘預處理后的油蔗渣在酶解 24 小時、48 小時和 72 小時后的葡萄糖產率

總而言之，研究人員通過不斷優化水熱預處理條件，最終確認了最佳預處理溫度與時間，即在 150℃ 處理 15 分鐘時，既能高效回收花青素，又能提高植物脂質含量，同時顯著提升油蔗渣的酶解消化性，增加葡萄糖產率，最終成功地從油蔗渣中提取了多種高價值產品，為油蔗渣的生物煉制提供了一種全新的、可持續的方法，有望推動生物煉制產業向多元化、高附加值方向發展。

參考文獻：

1.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852425000185?via%3Dihub

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