通过真菌共培养实现农业工业废弃物的生物转化：释放其营养和功能潜力

《LWT》：Biotransformation of agro-industrial waste via fungal co-culture: unlocking nutritional and functional potentials

白酒糟（DSG）固态发酵中，A. awamori单培养及A. awamori与A. oryzae共培养对营养与功能特性的影响研究。共培养显著提升粗蛋白（+26.5%）、可溶性膳食纤维（+4.1倍）含量，降低植酸（-41%），并增强水分保持能力（WHC提高4.0 g/g）和脂肪吸收能力（FAC提升）。发酵后期的pH升高（5.3）与真菌代谢产物相关。灭菌处理（121℃）导致蛋白质消化率下降25%，提示需开发非热灭菌技术。

　　随着农业和工业活动的迅速发展，大量有机废弃物被产生出来，这给环境和资源利用带来了巨大挑战。其中，木质纤维素生物质（lignocellulosic biomass）是主要的有机废弃物之一，而酒糟（distilled spent grain, DSG）则是白酒（baijiu）生产过程中产生的主要固体废弃物。据估计，每年酒糟的产量接近3000万吨。酒糟中含有大量的木质纤维素成分，这使得其在生物转化过程中面临一定的困难。此外，酒糟中含有多种抗营养因子，如植酸、单宁和酶抑制剂，这些成分会降低营养物质的生物利用度，限制其在食品和饲料中的应用。然而，酒糟中仍含有丰富的蛋白质、淀粉和脂质，以及多种具有生物活性的成分，如肽、多酚和焦糖色素。因此，如何有效利用酒糟成为当前研究的热点。

为了更高效地利用这些废弃物，近年来微生物发酵技术（特别是固态发酵，solid-state fermentation, SSF）被广泛应用于农业食品残渣的转化。SSF能够以较低的水和能量消耗实现对木质纤维素基质的处理，并生成具有更高营养价值和功能特性的生物材料。丝状真菌因其强大的木质纤维素酶（如纤维素酶和木聚糖酶）生产能力以及菌丝体的穿透能力，成为SSF中的理想菌种。此外，共培养（co-culture）技术通过同时培养两种或多种微生物，展现出比单一培养更高的代谢效率和酶多样性，从而促进基质降解并提高目标代谢产物的产量。已有研究表明，酵母菌种的共培养能够提高葡萄糖-木糖混合物的乙醇产量，而黑曲霉和木霉的共培养则能更高效地产生用于纤维素水解的酶系。此外，根霉与曲霉的共培养也被证实能够显著提升产品的营养价值和功能特性。

在本研究中，我们聚焦于利用黑曲霉（*Aspergillus awamori*）和黄曲霉（*Aspergillus oryzae*）的共培养技术，评估其在提升酒糟营养和功能特性方面的潜力。我们假设，通过共培养，能够更有效地降解酒糟，释放营养物质和其他生物活性成分，从而实现对木质纤维素废弃物的高效利用。研究结果表明，与单一培养相比，共培养在多个方面表现出更优越的性能，包括提高蛋白质含量、促进纤维素降解、降低植酸含量，以及增强蛋白质消化率和水合特性。这些发现不仅有助于进一步理解共培养在生物转化中的作用机制，也为酒糟的高值化利用提供了新的思路。

在实验设计中，我们首先采集了来自金种子酒厂的鲜酒糟，并在70℃下干燥过夜，再通过冷冻研磨机将其粉碎成粉末。随后，我们将酒糟粉末与菌种孢子及无菌水混合，在培养皿中进行固态发酵。在共培养组中，每7克酒糟粉末加入1毫升黑曲霉和1毫升黄曲霉孢子悬浮液，并补充6毫升无菌水以调整水分含量至57.2%。而在单一培养组中，仅加入1毫升黑曲霉孢子悬浮液，并补充7毫升无菌水以达到相同的水分水平。对照组则仅加入无菌水，以排除非生物因素的影响。所有样品在30℃下培养7天，并在第0、1、3、5和7天进行采样。通过系统的实验设计，我们能够准确评估不同培养条件下酒糟的转化效果。

在实验过程中，我们对发酵后酒糟的水分含量、pH值和可溶性固体含量进行了分析。结果显示，对照组的水分含量在7天内显著下降，从初始的57.2%降至34.0%，而接种菌种的样品则保持了更高的水分含量，分别为50.2%（单一培养）和51.8%（共培养）。这种水分保持能力的差异可能与菌丝体和孢子形成的密集网络有关，该网络能够减少水分蒸发并为微生物代谢提供更适宜的微环境。同时，pH值在发酵过程中也发生了显著变化，从初始的3.9上升至5.3，这表明微生物在发酵过程中可能通过消耗有机酸并产生碱性代谢产物（如多胺、氨气和生物碱）改变了基质的酸碱平衡。可溶性固体含量则在发酵初期迅速上升，随后逐渐下降，呈现出明显的双相变化模式。共培养组的可溶性固体含量在第3天达到峰值（83.43 mg/g），比单一培养组（77.07 mg/g）更高，这可能与共培养中多种酶的协同作用促进了基质的降解有关。

在营养成分分析方面，我们发现酒糟的粗蛋白含量在发酵过程中显著增加。单一培养组的粗蛋白含量从136.5 mg/g升至167.5 mg/g，提高了22.7%；而共培养组的粗蛋白含量从136.3 mg/g升至172.5 mg/g，增幅达到26.5%。这一现象可能与微生物代谢过程中氮源的积累有关，同时也反映了菌丝体对基质中蛋白质的降解和转化能力。此外，酒糟中的可溶性蛋白含量也显著提高，单一培养组从48.5 mg/g升至63.0 mg/g，增幅为29.9%；而共培养组则从48.4 mg/g升至74.8 mg/g，增幅达54.5%。这种提升主要归因于微生物分泌的蛋白酶，它们能够将大分子蛋白质分解为更小的肽和氨基酸，从而提高其溶解性和生物可利用性。

在可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber, SDF）含量方面，发酵显著提升了酒糟的纤维水平。单一培养组的SDF含量从4.3 mg/g增加至15.7 mg/g，增幅为3.6倍；而共培养组的SDF含量从4.4 mg/g增加至18.2 mg/g，增幅达到4.1倍。这种提升可能源于微生物产生的纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶等，它们能够将原本不溶的多糖分解为可溶性纤维，同时释放出细胞壁中被束缚的蛋白质。这些变化进一步表明，微生物发酵不仅能够提升酒糟的营养成分，还能改善其功能特性，使其更适合用于食品加工。

此外，植酸（phytic acid）含量在发酵过程中显著降低。单一培养组的植酸含量从0.72 mg/g降至0.56 mg/g，降幅为22%；而共培养组的植酸含量从0.69 mg/g降至0.41 mg/g，降幅达到41%。植酸是一种常见的抗营养因子，它能够与矿物质结合，降低其生物可利用性，同时也可能抑制消化酶的活性。因此，降低植酸含量有助于提高酒糟中矿物质和蛋白质的生物利用度，从而提升其作为食品原料的营养价值。

在功能特性方面，我们通过模拟体外消化实验评估了酒糟的蛋白质消化率。结果显示，共培养组的蛋白质消化率在7天后达到35.8%，而单一培养组仅为19.3%。这一显著差异表明，共培养能够更有效地促进蛋白质的降解，从而提高其消化率。然而，高温灭菌处理显著降低了蛋白质的消化率，特别是在共培养组中，消化率下降了25%。这可能是由于高温导致蛋白质发生氧化和聚集，从而影响消化酶的活性。因此，开发非热灭菌技术（如高压处理、脉冲电场、冷等离子体和辐照）可能成为提高发酵酒糟安全性和功能性的关键。

在水合特性方面，酒糟的水保持能力（water holding capacity, WHC）、水吸收指数（water absorption index, WAI）和水溶性指数（water solubility index, WSI）均有所改善。WHC在7天后分别达到3.7 g/g（单一培养）和4.0 g/g（共培养），表明发酵能够通过降解不溶性纤维并增加结构的孔隙率，从而提升酒糟的水分保持能力。WAI则从3.1 g/g增加至4.1 g/g（单一培养）和4.4 g/g（共培养），这反映了发酵过程中基质结构的变化，使其更容易吸收水分。而WSI则表现出双相变化趋势，初始阶段上升，随后下降，这可能与基质中可溶性成分的消耗以及菌丝体的生长有关。此外，脂肪吸收能力（fat absorption capacity, FAC）也得到了提升，共培养组的FAC在7天后达到4.0 g/g，比单一培养组（3.7 g/g）更高。这表明，微生物的协同作用能够更有效地释放蛋白质中的疏水性区域，从而增强其对脂肪的吸附能力。

本研究的结果不仅揭示了共培养在提升酒糟营养和功能特性方面的潜力，也为农业废弃物的高值化利用提供了新的方法。通过合理的微生物选择和培养条件优化，可以有效提高酒糟的蛋白质含量、可溶性纤维水平以及降低植酸含量，从而改善其作为食品原料的适用性。此外，研究还表明，共培养能够通过增强酶的协同作用，促进基质的降解和营养物质的释放，这为未来研究提供了重要的理论依据和实践指导。然而，为了确保发酵产品的安全性，还需进一步研究其对感官特性（如味道、香气和质地）的影响，并评估其是否会产生任何有害的代谢产物或致敏物质。

综上所述，本研究通过评估黑曲霉和黄曲霉的共培养对酒糟的营养和功能特性的影响，揭示了共培养在农业废弃物生物转化中的重要作用。研究结果表明，共培养能够显著提高酒糟的蛋白质含量、可溶性纤维水平和蛋白质消化率，同时降低植酸含量，从而增强其作为食品原料的营养价值和功能特性。这些发现不仅有助于推动酒糟的可持续利用，也为其他木质纤维素废弃物的生物转化提供了借鉴。未来的研究应进一步探索共培养对酒糟感官特性和安全性的具体影响，并开发更高效的非热灭菌技术，以确保发酵产品的高质量和广泛应用前景。