综述：食品残渣生产聚羟基脂肪酸酯

这篇综述系统阐述了利用食品加工废料（如废弃动物脂肪WAF、废食用油WCO）和消费者厨余垃圾通过微生物发酵生产可降解生物塑料聚羟基脂肪酸酯（PHA）的最新进展，重点探讨了暗发酵（DF）产短链羧酸（SCCAs）的转化路径、菌株代谢调控策略（如β-氧化和糖酵解途径），以及规模化生产的经济可行性（成本4-6 USD kg-1）。研究强调通过混合微生物培养（MMCs）和基因工程菌（如Cupriavidus necator）实现废弃物高值化利用，为替代石油基塑料提供可持续解决方案。

　　

聚羟基脂肪酸酯生产与食品残渣利用

引言
聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为可降解生物塑料，在医疗器材、餐具和包装领域展现出替代传统塑料的潜力。随着全球生物塑料市场规模预计在2035年达到980亿美元，如何降低PHA生产成本（当前4-6 USD kg^-1）成为关键挑战。食品工业残渣——包括废弃动物脂肪（WAF）、废食用油（WCO）和混合厨余垃圾——因其丰富的可再生碳源特性，被视为降低原料成本（占生产成本50%）的理想选择。

食品残渣的资源潜力
全球每年产生4100-6700万吨WCO，欧洲每年屠宰废料中约500万吨为动物脂肪。通过高效转化技术，仅欧洲的动物脂肪废料理论上可年产400万吨PHA。混合厨余垃圾经暗发酵（DF）可转化为短链羧酸（SCCAs），如乙酸（HAc）、丁酸（HBu）和乳酸（HLa），浓度可达20 g L^-1。欧盟人均年产生132公斤厨余垃圾，若全部通过DF转化，可生成超过1200万吨SCCAs用于后续生物加工。

微生物合成PHA的代谢机制
PHA是细菌在营养限制条件下合成的胞内聚酯，作为碳储能物质。经典生产者如Cupriavidus necator可通过四条途径合成PHA：

1. 糖/氨基酸途径：乙酰-CoA经PhaA/PhaB酶催化生成3-羟基丁酰-CoA（PHB前体）；
2. β-氧化途径：脂肪酸降解为（R）-3-羟基酰基-CoA；
3. 脂肪酸合成途径：通过PhaG转移酶转化中间体；
4. 丙酸途径：丙酰-CoA与乙酰-CoA缩合形成3-羟基戊酸（HV）单体。

聚合物组成取决于菌株、碳源和PHA合酶特异性。天然菌株通常合成短链PHA（scl-PHA，C₃-C₅），而工程菌可生产短链-中链共聚物如P(HB-co-HHx)。

废弃动物脂肪的转化技术
WAF的高熔点（达60°C）和疏水性需通过热液化或生物乳化解决。C. necator Re2058/pCB113工程菌在50 g L^-1脂肪浓度下可实现70% PHA含量，空间产率0.63 g L^-1 h^-1。骨源残渣虽能合成含20 mol% HHx的共聚物，但固体杂质增加下游处理难度。

废食用油的规模化应用
未处理的粗WCO在200 L反应器中经48小时发酵可产194 g L^-1 PHA，碳转化效率超86%。关键技术在于避免昂贵预处理，依赖湍流混合和适度脂肪酶增强。

暗发酵耦合PHA生产
DF将混合厨余转化为SCCAs后，可通过MMCs或纯培养生产PHA。乙酸/丁酸促进3-羟基丁酸（HB）单体生成高结晶度材料，而丙酸/戊酸增加3-羟基戊酸（HV）比例以改善柔韧性。三阶段中试流程显示：

• 奶酪乳清DFE产出含66/34（HB/HV）的PHA，产率0.33 g L^-1 h^-1；
• 水果废料DFE在60 L反应器中实现71.3% PHA含量，HHx占比达66 mol%。

经济与环境平衡
WAF和WCO的原料成本分别为0.6-3.3 USD kg^-1和1.0-3.4 USD kg^-1 PHA，而DFE因需分离步骤成本较高（37.5 USD kg^-1）。生命周期评估（LCA）表明，使用屠宰废料生产PHA比传统聚乙烯减少12%碳排放，但需依赖可再生能源补偿发酵能耗。

未来挑战
当前障碍包括废弃物收集体系不完善、原料质量波动大，以及分散式生产模式与传统化工基础设施的兼容性问题。开发实时PHA合成监测技术（如光子密度波光谱）和智能调控策略，将是实现工业化突破的关键。