综述：酿造工业副产物：透明质酸生物合成的创新替代方案

《Current Analytical Chemistry》：Brewing Industry By-products: An Innovative Alternative to Hyaluronic Acid Biosynthesis

本综述创新性地提出利用啤酒麦糟等酿造副产物作为发酵底物，通过兽疫链球菌（S. zooepidemicus）高效生产高价值生物聚合物透明质酸（HA）。文章系统阐述了该策略如何实现工业废物增值（Industrial waste valorization），将环境负担转化为资源，推动可持续生物聚合物生产（sustainable biopolymer production）和循环生物经济（circular bioeconomy）发展，为传统依赖动物源或合成法的HA产业提供了绿色、经济的新路径。

　　

Abstract

作为啤酒麦糟的农工业副产物，因其不当处置及其对工艺效率的负面影响，已引发重大的环境和经济关切。这些常被视为废物的副产物加剧了环境退化和资源效率低下。然而，若将其视为潜在资源，则提供了新的机遇。啤酒麦糟显示出作为培养兽疫链球菌（Streptococcus zooepidemicus）底物的极佳潜力，该细菌可生产透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）。透明质酸是一种高价值的生物聚合物，在医学、生物医学、食品和化妆品领域具有广泛应用。其独特的特性——如生物相容性、粘弹性和保湿性——使其在各行业备受青睐。因此，近年来对透明质酸的需求显著增长，凸显了对满足市场需求同时减少环境影响的可持续生产方法的需求。传统生产方法通常依赖于动物来源或合成过程，两者都存在可持续性挑战。本综述提出了一种可持续的替代方案：利用酿造工业副产物作为透明质酸生产的环保且具有成本效益的来源。该方法旨在通过利用啤酒麦糟这种易得且低成本的底物，创建一个更可持续且经济可行的生产工艺。

Keywords: Industrial waste valorization, lignocellulosic biomass, sustainable biopolymer production, hyaluronic acid production, circular bioeconomy, biotechnological processes.

引言：酿造副产物的挑战与机遇

全球酿造业每年产生大量副产物，其中啤酒麦糟（Beer Malt Bagasse）是主要组成部分。传统上，这些副产物被当作废物处理，不仅造成资源浪费，其不当处置还带来了显著的环境压力和经济负担。然而，随着循环生物经济（Circular Bioeconomy）理念的兴起，将这些富含木质纤维素（lignocellulosic biomass）的“废物”进行价值化（Valorization）已成为研究热点。本文聚焦于啤酒麦糟作为一种创新底物，用于微生物发酵生产高价值的透明质酸（Hyaluronic Acid, HA），为可持续生物制造开辟了新途径。

透明质酸：高价值生物聚合物的需求

透明质酸是一种线性多糖，由N-乙酰葡糖胺和葡糖醛酸的双糖单位重复构成。其卓越的生物相容性、高粘弹性、优异的保水能力以及其在细胞信号转导中的作用，使其在医学（如眼科手术、关节炎治疗）、生物医学（组织工程、药物递送）、化妆品（保湿剂）和功能性食品等领域不可或缺。市场对HA的需求持续增长，但传统生产方法，主要从鸡冠等动物组织中提取或通过某些链球菌菌株的合成发酵，面临成本高、有动物病原体污染风险、可持续性差等挑战。因此，开发经济、环保的HA替代生产路线迫在眉睫。

酿造副产物作为发酵底物的潜力

啤酒麦糟是酿造过程后剩余的富含纤维的物料，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，构成了典型的木质纤维素生物质。此外，它还含有残留的淀粉、蛋白质、维生素和矿物质。这种营养成分组合使其成为微生物生长的理想碳源和氮源。通过适当的预处理（如物理、化学或酶法处理）打破木质纤维素的复杂结构，可释放出可发酵糖类，为微生物发酵提供底物。将啤酒麦糟用于发酵，不仅降低了原料成本，实现了废物增值，还减少了对粮食类原料的依赖，符合环境可持续性原则。

兽疫链球菌与透明质酸生物合成

兽疫链球菌（Streptococcus zooepidemicus）是生产透明质酸的主要工业菌株之一。其合成HA的关键在于细胞膜上的酶系统，特别是透明质酸合酶（Hyaluronic Acid Synthase, has）。该酶利用尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-N-acetylglucosamine）和尿苷二磷酸-葡糖醛酸（UDP-glucuronic acid）作为前体底物，在细胞膜上聚合形成HA链，并分泌到胞外。使用啤酒麦糟水解物作为发酵培养基，可以为S. zooepidemicus提供生长所需的能量和碳架，进而支持其高效的HA合成。研究表明，优化发酵条件（如pH、温度、溶氧、搅拌速率）和培养基组成（如补充特定氮源、前体物）可以显著提高HA的产量和分子量，而分子量直接影响其应用价值和功能。

可持续生产路径与循环生物经济

利用酿造副产物生产透明质酸的核心优势在于其可持续性。该模式将酿造工业的线性流程（原料-生产-产品-废物）转变为循环流程（原料-生产-产品-副产物/废物-资源化-再生产）。啤酒麦糟作为低成本或零成本的起始原料，显著降低了HA生产的直接成本。同时，该过程减少了对环境的不利影响，符合绿色化学和工业生态学原则。这种“变废为宝”的策略是循环生物经济的典型范例，通过生物技术过程（Biotechnological Processes）将低价值废弃物转化为高价值产品，实现了经济收益与环境效益的双赢。

结论与展望

综上所述，以啤酒麦糟为代表的酿造工业副产物，展现出作为兽疫链球菌发酵生产透明质酸的优良替代底物的巨大潜力。这条技术路径不仅为HA的可持续生产（Sustainable Biopolymer Production）提供了创新解决方案，也为工业废物增值（Industrial Waste Valorization）和推动循环生物经济做出了贡献。未来的研究可集中于优化啤酒麦糟的预处理工艺以提高糖化效率、利用代谢工程手段改造S. zooepidemicus菌株以提升HA产率和质量、以及探索所得HA在特定高端应用领域的性能验证。这项技术有望在生命科学和健康医学领域催生更绿色、更经济的生物材料供应链。