来自角豆的生物乙醇和发酵产品
角豆果实的肉质部分含有高达一半的干重糖分。这种高且易于提取的糖分使角豆不仅是食品原料，也是工业发酵的有趣原料。过去三十年中，进行了大量研究，旨在从角豆中获得不同的发酵产物，尤其是生物乙醇、柠檬酸、乳酸和甘露醇。
本文讨论角豆的糖分分布、生物乙醇生产方法及其成果、第二代生物乙醇及其他发酵产物对角豆废弃物的评估，以及该领域的经济和技术局限。
角豆的糖分特征：发酵的基础
大多数发酵产品依赖微生物转化糖分。因此，原料在发酵中的价值很大程度上取决于其糖分含量及其糖分的获取便利性。
Biner等人2007年研究中，考察了土耳其地中海和爱琴海盆地种植的角豆，报告称无籽荚中糖分最丰富的是蔗糖，而葡萄糖和果糖含量较低。栽培品种的总糖量为干重531 ±93克/公斤，野生型为437±77克/公斤。
工业副产品中也出现类似情况。Lima-Costa等人指出角豆加工行业中的小颗粒含有45-50%的可溶糖;Rodrigues等人指出，角豆废弃物干重约50%由蔗糖、葡萄糖和果糖组成。
角豆区别于许多木质纤维素原料的一个重要特征是其糖类大多游离。虽然木材和稻草等原料需要预处理和酶解释放糖分，但角豆中的糖可以用水提取。
生物乙醇生产的关键步骤
从角豆制备生物乙醇通常包括以下步骤：
| 准备 | 掰开角豆，分离种子 |
| 糖的提取 | 用热水将糖分去除到液态 |
| 发酵 | 酵母或细菌将糖转化为乙醇 |
| 蒸馏与纯化 | 乙醇从发酵介质中分离 |
Sánchez-Segado 等人对假设生物乙醇工厂的工艺设计遵循以下逻辑：先从胶囊中提取水糖，然后进行发酵和蒸馏。
Turhan等人对提取条件的重要研究之一。研究人员通过反应表面法确定了角豆果的最佳萃取条件;他们获得了含糖115.3克/升的提取物，温度为80°C，需2小时，果水比例为1：4。
酵母发酵：研究发现
| 运营 | 方法 | 主要报告结果 |
|---|---|---|
| Turhan 等（2010） | 游离酿酒酵母，pH控制（5,5） | 42.6克/升乙醇;3.37克/升/小时生产速率 |
| Yatmaz、Turhan和Karhan（2013年） | 钙藻酸盐固定酿酒酵母，搅拌罐生物反应器 | 40.10克/升乙醇;3.19克/升/小时;糖分使用率90.66%;持续时间24小时 |
| 《鲁卡斯》（1994） | 酿酒酵母固定，激动培养 | 最高乙醇含量为65克/升;产率为0.44克/克 |
| Lima-Costa 等（2012） | 高糖介质、批次和饲料批次 | 摄入糖的90–95%;产出0.47–0.50克/克;100–110克/升乙醇 |
| Rodrigues 等（2015） | 角豆废物，初始糖分浓度不同 | 在250克/升起始糖中，产率为0.42克/克 |
表中的数值不应直接比较，因为它们是在不同条件下、不同尺度和不同测量方法下获得的。尽管如此，总体情况显示角豆糖被酵母大量消耗，乙醇转化接近理论产率是可能的。
这些研究中的一些技术经验如下：
| pH控制 | Turhan等人通过将pH维持在5.5，实现了比非控制pH更高的乙醇浓度和生产速率。 |
| 氮源 | 在同一研究中，研究了经济性氮源;Raposo等人还筛查了乙醇生产中不同有机和无机氮源，从角豆废弃物中进行。 |
| 固定 | Yatmaz等人的研究显示，固定细胞可重复使用五个周期。 |
| 糖分浓度 | Rodrigues等人报告称，初始糖浓度显著改变酵母代谢;在高浓度下，糖几乎完全转化为乙醇。 |
细菌发酵与固态方法
除了酵母外，运动橡树菌也被测试用于角豆乙醇生产。Vaheed等人通过统计实验设计优化了动豆提取物的乙醇生产。Saharkhiz等人指出糖提取成本高昂，研究了无需提取的“固体浸泡”发酵，在30°C、pH 5.3条件下，使用动豆菌每克起始糖可获得0.42克乙醇。
减少提取步骤的理念也体现在角豆废弃物的评估中。Bahry等人描述了黎巴嫩食品工业中从制备角豆糖浆后剩余固体废弃物生产第二代乙醇的工艺;比较了浸没发酵与固态发酵。研究报告指出，固态发酵的操作更简单且更具成本效益，每克糖的产率为0.458克乙醇。
角豆废弃物与第二代生物乙醇
除生物乙醇外的发酵产物
角豆糖不仅被用作乙醇的营养介质，也用于其他生物技术产品。
柠檬酸： 在Roukas 1998年的研究中，研究了利用黑曲霉利用角豆提取物表面发酵制得柠檬酸的方法;在pH 6.5和30°C条件下，初始糖和柠檬酸浓度可达200克/升，最高达85.5克/升。
乳酸： Azaizeh 等人研究了从角豆、香蕉和甘蔗生物质中提取乳酸的过程;报告称，在角豆中加入酵母提取物提高了生产力。Bahry 等人还利用将 Lactobacillus rhamnosus 困在海藻酸珠中，优化了黎巴嫩食品工业角豆废弃物的乳酸生产。
甘露醇： 在Carvalheiro等人的研究中，强化角豆糖浆中产生了八种产生甘露醇的乳酸菌;所有菌株均被报道能产出每克果糖0.70克以上的甘露醇。
| 产品 | 微生物（示例） | 可能的使用场景 |
|---|---|---|
| 乙醇 | 酿酒酵母，动菌 | 燃料、溶剂、化工行业 |
| 柠檬酸 | 黑曲霉 | 食品酸化剂、药品和清洁产品 |
| 乳酸 | 凝血杆菌，Lactobacillus rhamnosus | 食品添加剂、生物塑料（PLA）原料 |
| 甘露醇 | 乳酸菌（如白金菌等） | 低热量甜味剂，制药行业 |
经济与技术限制
实验室和试点规模获得的有前景的结果并不意味着角豆可以作为工业规模的生物乙醇原料使用。原因有几个：
| 原材料成本 | Sánchez-Segado 等人对假设工厂的经济分析显示，该工厂的盈利能力高度依赖于刺槐豆荚的价格，且工厂只有在某个原材料价格以下才能盈利。产能的增加也被报道会影响成本。 |
| 竞争用途 | 角豆浆用于食品（面粉、糖蜜、糖浆）和饲料行业;这些用途通常比能源生产具有更高的附加价值。 |
| 季节性与供应 | 角豆每年收获一次;为了保持持续运转的工厂，必须储存原料。 |
| 提取成本 | 正如Saharkhiz等人强调的，糖提取是一个成本高昂的步骤;因此，正在探索固态发酵和固态浸没发酵等替代方案。 |
因此，角豆的生物乙醇生产在生物精炼过程中得益于评估食品加工后产生的含糖副产物，而非作为主要产品。
常见问题解答
为什么角豆被认为是生物乙醇的合适原料？ 角豆果肉含有约一半的干重糖分，这些糖分大多为无糖，容易用水提取。
生物乙醇是从角豆中商业生产的吗？ 本文所考察的资料主要包括实验室、试点规模和假设性的工厂研究。经济分析显示，盈利能力高度依赖于原材料价格。
第二代生物乙醇是什么意思？ 它是从农业和工业废弃物中生产的生物乙醇，而非直接用作食品的原材料。在此背景下评估角豆加工废料和糖浆生产浆。
除了乙醇，角豆还能生产什么？ 在研究中，柠檬酸、乳酸和甘露醇等产物是通过发酵从角豆糖中获得的。
含Carob Türkiye的角豆原料
在基于发酵的应用中，如食品应用，原料的洁净度、湿度和糖分一致性直接影响结果。在研发项目中使用标准原料对于结果的可重复性也非常重要。
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外国资料来源
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