《Food Bioscience》：Fermentation of tobacco waste using
Saccharomyces cerevisiae M01: Insights from whole-genome sequencing, volatile, and non-volatile profiles
编辑推荐：
•烟草生产会产生大量废弃物，因此对其进行增值处理至关重要。•酵母菌S. cerevisiae M01在发酵过程中生长良好，并表现出良好的代谢适应性。•酵母菌发酵后，酮类、醇类和酯类的含量有所增加。•总酚类和黄酮类化合物的含量显著增加，在48小时时达到峰值。•该研究提供了一种将烟草
- •
烟草生产会产生大量废弃物，因此对其进行增值处理至关重要。
- •
酵母菌S. cerevisiae M01在发酵过程中生长良好，并表现出良好的代谢适应性。
- •
酵母菌发酵后，酮类、醇类和酯类的含量有所增加。
- •
总酚类和黄酮类化合物的含量显著增加，在48小时时达到峰值。
- •
该研究提供了一种将烟草废弃物转化为高价值提取物的新生物技术方法。
引言
烟草（Nicotiana tabacum L.）既是全球主要的工业作物，也是研究基本生物学机制的重要模式植物（Gui等人，2024年）。在农业生产与制造过程中，大约25%的烟草材料（包括低等级的叶子、茎秆和加工产生的灰尘）被作为废弃物丢弃，部分原因是由于对其尼古丁含量的担忧（Bano?i?等人，2020年；An等人，2025年）。然而，烟草废弃物是一种未被充分利用的资源，其中含有丰富的多糖和蛋白质。它含有多种生物活性化合物，如吡啶生物碱、茄碱、黄酮类、酚类化合物、甾醇以及高价值的挥发性代谢物。这些化合物可以被回收并重新用于芳香剂生产、生物活性成分开发及相关生物加工领域（Zou等人，2021b年；Hu等人，2024年）。重要的是，这些代谢物具有多种生物活性。因此，从烟草废弃物中提取生物活性化合物为农业副产品的可持续高值利用提供了一种策略。
近年来，人们越来越关注烟草提取物的生物活性代谢物及其生物学功能。例如，Zou等人（2021a年）报告称，烟草提取物具有抗炎、抗肿瘤、抗菌、抗寄生虫和抗氧化等多种生物活性。Bano?i?等人（2019年）证明了在优化条件下，超声辅助提取可以获得富含酚类化合物和茄碱的提取物，其2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）自由基清除活性可达95.02%。此外，Zhao等人（2024a年）指出，超声辅助的酶解法显著提高了提取产率和挥发性代谢物的总含量。最近的研究还表明，溶剂的选择和提取技术显著影响了从烟草废弃物中回收的代谢物组成。具体来说，使用70%乙醇进行提取可以获得包括生物碱和挥发性代谢物在内的多种生物活性化合物。随后用95%乙醇进一步处理可以有效降低生物碱含量，同时选择性保留大部分挥发性代谢物（Xu等人，2025c年）。综上所述，不同的预处理和提取方案可以从同样的烟草废弃物中产生具有不同功能活性的多种产物。因此，需要进一步探索新的预处理和生物转化策略，特别是微生物发酵技术，以实现烟草废弃物的有效利用。
微生物发酵是一种成本效益高且前景广阔的技术，因其在调节香气、促进生物活性代谢物释放和延长产品保质期方面的作用而受到广泛关注（Fu等人，2023年；Que等人，2024年）。在各种微生物菌株中，Saccharomyces cerevisiae因其耐乙醇性、快速繁殖能力和产生多种酶的能力而备受重视。作为一种具有重要发酵性能的模式微生物，它在许多领域得到了广泛应用，包括发酵食品、合成生物学和微量元素补充剂的开发（Liu等人，2022年；Wang等人，2023年；Liang等人，2024年）。此外，S. cerevisiae通过糖酵解高效地将糖转化为乙醇和二氧化碳（CO2），同时产生多种次级代谢物（Qiao等人，2024年；Li等人，2025a年；Wang等人，2025年）。在之前的一项研究中，Ye等人（2021年）发现S. cerevisiae具有显著的耐尼古丁性，能够在烟草废弃物中生长并生物合成2-苯基乙醇。尽管烟草废弃物已成为S. cerevisiae发酵的有前途的底物，但对其发酵过程中的物理化学参数和代谢变化的系统研究仍然有限。
为填补这一研究空白，本研究旨在：（1）评估S. cerevisiae M01在烟草粉悬浮液中的生长特性和物理化学变化；（2）从基因组层面阐明其生长和代谢能力；（3）利用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱（HS-SPME/GC-MS）和非靶向代谢组学方法全面分析发酵过程中的代谢变化；（4）揭示潜在的香气贡献物质、差异性非挥发性代谢物和显著富集的代谢途径。据我们所知，现有文献中很少涉及这些方面。本研究为将烟草废弃物转化为高价值提取物提供了理论基础和技术参考。
章节摘录
材料
烟草叶渣（2022年采摘）由中国烟草陕西工业有限公司提供。使用前，将叶渣在40°C下干燥30分钟，然后在室温（23 ± 1°C）下粉碎，并通过75微米筛网过滤。2-苯乙基醋酸酯和正烷烃标准混合物（C7–C40）购自Sigma-Aldrich有限公司（中国上海）。乙醇（99%，体积比）由Comio化学试剂有限公司（中国天津）提供。所有其他化学品均为分析级。
S. cerevisiae M01在烟草粉悬浮液中的生长表现
为了评估S. cerevisiae M01在烟草粉悬浮液中的生长表现，对其生长动力学进行了监测。如图1A所示，YPD培养基和烟草粉悬浮液中的生长曲线均呈现典型的S形曲线，这可以用Gompertz模型很好地拟合（R2 > 0.99）。YPD培养基和烟草粉悬浮液的延迟阶段分别为6小时和7小时。随后，酵母进入对数生长阶段，达到最大特定生长率。
结论
本研究表明，S. cerevisiae M01在烟草粉悬浮液中表现出强劲的生长能力和良好的代谢适应性。通过HS-SPME/GC-MS鉴定出22种差异性挥发性代谢物。值得注意的是，某些具有较高相对芳香值（rOAV）的化合物（包括 phenethyl alcohol、D-solanone、4,7,9-megastigmatrien-3-one B、γ-dodecalactone 和 (2E,6E)-farnesol）在发酵后含量显著增加，赋予了产品花香、果香和甜味。
CRediT作者贡献声明
Yilei Dong：验证、实验研究。Xueao Zheng：验证、方法论。Long Zhao：监督、数据分析。Tuo Liu：资源获取、概念制定。Xingzhen Zhang：初稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理。Qiansi Chen：撰写、修订与编辑、验证、项目管理、资金筹集。Baoan Deng：项目管理、资金筹集、概念制定。Shangde Sun：监督、方法论设计、资金筹集。Peijian Cao：
未引用参考文献
Ma等人，2024年；Sari等人，2024年；Xu等人，2025a年；Yang等人，2025b年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国烟草集团（项目编号110202201004、JY-04）、陕西烟草工业有限公司（项目编号BA000-ZB24027和BA000-ZB24025）的科技项目，以及山东省科学技术厅（项目编号2023TZXD076）的财政支持。
Xingzhen Zhang|Tuo Liu|Long Zhao|Xueao Zheng|Yilei Dong|Xi Zhang|Qingxia Zheng|Peijian Cao|Shangde Sun|Baoan Deng|Qiansi Chen
