乳清渗透液生物升级：全生物基表面活性剂的发酵与生物催化合成新策略

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Upcycling cheese whey permeate into fully bio-based surfactants through fermentation and biocatalysis

本研究针对乳制品工业主要废弃物乳清渗透液(WP)的高污染问题，开发了一种集成发酵与生物催化技术的新平台，成功将WP转化为全生物基非离子表面活性剂——糖脂肪酸酯(SFAE)。研究人员通过固定化β-半乳糖苷酶催化WP转糖基化反应合成极性头结构（1-丁基-β-D-吡喃半乳糖苷，产率40%），并利用卵形假丝酵母发酵WP生产单细胞油脂(SCO，占细胞干重45%)，经酸催化衍生化获得疏水尾链（微生物脂肪酸乙酯，产率75%）。最终通过脂肪酶催化转酯化反应得到SFAE混合物（产率40%），其界面张力降低能力（6.3 mN·m-1）虽低于单一棕榈酸酯衍生物（0.1 mN·m-1），但仍展现出良好应用潜力。该工作为废弃物高值化利用和绿色表面活性剂开发提供了创新路径。

　　

全球乳制品消费的蓬勃发展为环境带来了沉重负担——每生产1公斤奶酪就会产生9公斤乳清副产物。乳清渗透液(Whey Permeate, WP)作为乳清蛋白超滤后的残余物，富含乳糖（45-50 g·L^-1）和矿物质，其化学需氧量(COD)高达80-95 g·L^-1，若直接排放将引发严重水体污染。在循环经济理念驱动下，如何将WP这一“环境负债”转化为“资源资产”成为学界焦点。

发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》的最新研究提出了一种创新解决方案：通过耦合发酵与生物催化技术，将WP完全升级为全生物基表面活性剂。该团队设计了三步集成工艺：首先利用米曲霉(Aspergillus oryzae)来源的固定化β-半乳糖苷酶，在1-丁醇/丙酮/WP三元体系中催化乳糖转糖基化反应，直接以WP替代传统缓冲液，2.5小时内高效合成表面活性剂极性头1-丁基-β-D-吡喃半乳糖苷(BuGal)，产率达40%。

同步地，研究人员采用卵形假丝酵母(Cutaneotrichosporon oleaginosus)ATCC 20509菌株进行WP发酵，通过补加芒果糖浆作为碳源，使单细胞油脂(Single Cell Oil, SCO)积累量达到细胞干重的45%。创新性地采用酸催化原位转酯化技术，在乙醇中一步完成菌体油脂提取与衍生化，获得疏水尾链微生物脂肪酸乙酯(microbial FAEE)，基于油脂含量的产率为75%。

关键技术创新点在于：

1. 1.
   酶催化转糖基化直接以液态WP同时提供底物和反应介质，显著降低水足迹；
2. 2.
   微生物油脂的一锅法提取-衍生化技术避免传统多步纯化能耗；
3. 3.
   溶剂游离体系中脂肪酶催化转酯化实现绿色合成。

合成工艺优化与表征

通过系统优化转酯化反应参数，发现热带假丝酵母脂肪酶B(CALB)与 Thermomyces lanuginosus脂肪酶(TLL)中，TLL在棕榈酸乙酯(PAEE)为酰基供体时表现最佳（产率50%）。相较于直接酯化，转酯化反应因乙醇更易移除而更具优势。最终获得的微生物SFAE混合物包含棕榈酸(45%)、油酸(40%)等五种酰基链，其亲水-亲油平衡值(HLB)为9.6，Hansen溶解度参数显示与葵花油（Δδ=3.1 MPa^1/2）具有良好相容性。

界面性能评估

在葵花油/水界面张力(Interfacial Tension, IFT)测试中，微生物SFAE混合物在1.4 g·L^-1浓度下将IFT从26 mN·m^-1降至6.3 mN·m^-1。对比单一酰基链SFAE发现，饱和棕榈酸链(BuGal C16)因分子排列紧密实现最优IFT降低（0.1 mN·m^-1），而油酸链(BuGal C18:1)的双键弯曲结构削弱界面密堆积效果（2.7 mN·m^-1）。混合物中饱和与不饱和链的共存导致分子排列异质性，是性能略逊于单一组分的主要原因。

本研究成功构建了WP全组分增值化技术范式，其核心价值在于：

1. 1.
   突破传统废弃物处理思路，实现“污染源→高值化学品”的闭环转化；
2. 2.
   微生物油脂与酶催化技术的协同创新，为生物基表面活性剂工业提供原料替代方案；
3. 3.
   尽管混合酰基链SFAE界面活性略低于单一组分，但其原料成本与可持续性优势显著，特别适用于对界面张力要求不高的乳化、分散体系。该工作为食品工业废弃物资源化提供了可推广的技术模板，有望推动表面活性剂行业向绿色化、低碳化转型。