当前，食品系统面临着日益加剧的压力，需要减少废弃物和副产物的产生、提高资源利用效率，并朝着更加可持续的生产模式转型。在此背景下，循环经济原则鼓励将食品加工过程中产生的二次物流从废弃物转化为原料，用于生产食品、配料和高附加值生物分子。
在实现其增值利用的各种策略中，发酵尤为引人注目，因为它能够改变原料的组成、改善其营养和功能特性、降低抗营养因子含量并生成新的代谢产物。然而，仍有一些挑战亟待解决，尤其是与工艺优化和规模化放大相关的挑战，以及理解这些转化背后的机制和对所得产品进行验证等方面。基于这一背景，本专刊汇集了原始研究论文和综述，涵盖了利用各种发酵策略实现农食品副产物增值利用的范围，同时也提出了一些需要解决的问题，以推动向更加集成和可持续的应用转变。
发酵最成熟的应用之一是提高低利用率原料的营养特性。例如，利用Rhizopus oryzae（米曲霉）对米糠进行固态发酵，可增加其蛋白质和酚类含量，并随后提高以该配料饲喂的斑马鱼的生长表现[贡献1]。类似地，利用Aspergillus（曲霉属）物种处理不同的农业工业残留物，可降低抗营养因子和纤维组分，同时改善与其营养价值和消化率相关的参数[贡献2]。这些应用对于饲料行业尤为重要，发酵不仅能有助于提高养分利用效率，还能保存原料并减少某些环境影响。在这方面，青贮处理保住了石榴副产物的营养和抗氧化特性，而使用龙舌兰蔗渣衍生的配料与瘤胃发酵的有利变化以及较低的甲烷产量相关[贡献3、4]。这些发现与已审查的关于谷物和豆类固态发酵用于饲料的证据一致，其中降低抗营养因子和改善消化率是报道的主要益处之一[贡献5]。
与此同时，发酵越来越多地被用作生物转化工具，以释放、修饰或生产具有功能意义的化合物。对蓝莓蔗渣进行真菌发酵可改变其酚类谱，并能在细胞模型中将这种转化与抗氧化和免疫调节反应联系起来[贡献6]。另一个有趣的例子是黑豆豆渣与Rhizopus oligosporus（少孢根霉）和Yarrowia lipolytica（产脂酵母）的共发酵，其中β-葡萄糖苷酶活性促进了糖基化异黄酮向相应苷元的转化[贡献7]。对Prunus mume（梅）副产物进行乳酸发酵，进一步将该概念拓展至功能性食品的开发，所得饮品具有高益生菌活性，同时多酚和黄酮类含量增加且抗氧化活性增强[贡献8]。
这些生物转化的范围还超越了植物基质和酚类化合物。奶酪乳清可作为生产有机酸、胞外多糖、酶、微生物生物量和后生元的底物[贡献9]，而食品工业废水可为微藻培养和高价值化合物（如虾青素）的生产提供营养，从而将资源增值与废水处理相结合[贡献10]。总体而言，本专刊的贡献展示了广泛的应用谱系，从人食用和动物饲料配料到功能性代谢产物和环境相关过程。
这些应用的多样性也反映了向更加针对每种残余物流特征进行定制的策略的转变。果渣和龙舌兰蔗渣、豆渣、米糠、奶酪乳清、石榴副产物和食品加工废水在组成和物理化学性质方面存在显著差异，因此需要同样多样化的生物学方法。丝状真菌、酵母、乳酸菌和微藻提供了互补的代谢能力，以降解复杂结构、转化现有代谢物或合成新化合物。因此，挑战不在于寻找一种通用的发酵平台，而在于根据所需终产品合理选择底物、微生物和工艺条件的组合。混合培养和微生物群落的利用可以通过组合互补的代谢和酶活性进一步拓展这些可能性。
尽管取得了这些进展，仍存在若干局限性。虽然固态发酵和浸没发酵都得到了广泛应用，但在等效条件下直接比较两种方法的相对研究较少。本专刊中对蓝莓蔗渣进行的比较表明，发酵方式可以显著影响酚类谱的演变和所得产品的功能特性[贡献6]。系统性的比较不仅应考虑最终组成，还应考虑产率、生产率、资源消耗和处理要求，这对于指导技术选择将特别有价值。
还需要更深入地理解微生物转化与观察到的功能特性之间的机制联系。测量酚类含量、抗氧化能力或营养组成的全局变化提供了有价值的信息，但不足以阐明负责这些效应的途径。将代谢组学、蛋白质组学和转录组学与更先进的生物学模型相结合，可能有助于建立微生物、分子转化和生物反应之间更加稳健的关联。这些知识可以促进从以经验为主的增值过程逐步向旨在促进特定代谢转化的发酵策略转变。
另一个重大挑战是将这些进展从实验室推向实际应用。在放大过程中，副产物的组成变异性、培养稳定性、工艺控制、产品回收和可重复性变得越来越重要。在此背景下，精密发酵、连续培养系统和微生物群落的理性设计等方法可能提供新的机遇[贡献9]。然而，其实施应伴随经济和环境评估。对残余物流进行增值并不必然意味着所得过程是可持续的；还必须考虑能量和水消耗、辅助材料、下游分离步骤以及系统内部环境负荷的潜在转移。因此，在早期阶段整合生命周期评估（LCA）、技术经济评估（TEA）和循环性指标对于确定基于发酵的策略何时代表真正可行的替代方案至关重要。
最终，这些考虑指向一种转变，即从旨在获得单一产品的过程转向能够更全面地利用残余物流不同组分的发酵驱动生物精炼厂。不应将发酵视为孤立的处理步骤，而应将其与回收、分离和级联转化过程整合在一起，从而使单一原料可以顺序产生多种产品，同时将最终被丢弃的组分降至最低。本专刊中展示的多样化成果——从食品和饲料配料到生物活性化合物、后生元和高价值生物量——为可能构成此类集成系统的不同组成部分提供了范例。
向这一模式迈进需要在微生物学、食品科学、生物过程工程和可持续性评估之间实现更大的融合。组学工具、微生物和群落的理性选择、精密发酵以及建模和优化策略可以促进更具选择性和稳健性的过程开发，而LCA和TEA则用于评估其在实验室规模之外的相关性。因此，未来几年的挑战将不仅仅是证明某种副产物可以被发酵，而是要确定哪些转化能够产生足够的营养、功能、环境和经济价值，从而为其实施提供正当性。这一视角的转变对于发酵从实现单个残余物流增值的工具演变为未来生物精炼厂和循环食品系统中不可或缺的组成部分至关重要。
