精准发酵（PF）闭环中的废弃培养基回收与微生物生物质升级利用

《Future Foods》：Closing the loop on Precision Fermentation: Recycling and Upcycling Spent Media and Biomass

　　

精准发酵（PF）为生产高价值食品配料提供了一种灵活方法，但其会产生大量废弃培养基和微生物生物质，带来环境与经济挑战。本文探讨将废弃培养基循环用作新鲜发酵输入，以及将微生物生物质升级转化为食品配料的策略。研究聚焦酵母和真菌发酵，并考察涉及广泛使用底盘菌株的案例研究。案例研究表明，回收可使废水排放减少70%或以上，并使运营成本降低近30%。废弃培养基含有氨基酸、有机酸、脂质、维生素和矿物质等有价值营养物质，但也含有固体和生长抑制剂，必须去除或灭活。虽然废弃培养基中的稀释生物分子因需高成本除水而不适合食品应用，但废弃生物质在升级利用方面显示出前景。酵母和真菌生物质富含蛋白质、脂质、微量营养素、生物活性物质以及甘露蛋白、β-葡聚糖和真菌几丁质等结构聚合物。这些材料可发挥与酿酒酵母衍生物类似的作用，但需要更严格的安全规程且变异性更大。这种变异性为新风味、结构配料（乳化剂、胶凝剂等）和生物功能性提供了尚未探索的机遇。回收和升级利用精准发酵（PF）副产物可带来显著经济与环境效益，支持该行业的可持续增长。

论文解读：精准发酵（PF）闭环中的废弃培养基回收与微生物生物质升级利用

研究背景与意义：精准发酵（precision fermentation, PF）是一种灵活生产高价值食品配料的技术，但发酵后产生大量废弃培养基（spent media）和废弃微生物生物质（spent microbial biomass, SMB），造成环境负担和处置成本。PF扩产受废物产生制约，生物药品生产原料消耗和废物产生量高，水耗和废液量亦大；随着食品级发酵能力扩大，废物体量可能更高。废弃培养基含氨基酸、有机酸、脂质、维生素和矿物质，但也含固体和生长抑制剂；稀释生物分子除水成本高，不适合直接食品化。SMB可经离心或粗滤浓缩，富含蛋白、脂质、微量营养素、生物活性物以及甘露蛋白、β-葡聚糖和真菌几丁质等。研究人员因此探索将废弃培养基回收为后续发酵营养源、将SMB升级为食品配料的闭环策略，聚焦酵母和真菌，并纳入细菌、古菌和微藻的示例。案例表明回收可使废水排放减少70%以上、运营成本降低近30%，对PF可持续增长具有重要意义。

技术方法概括：本研究为综述与案例分析，不涉及人体或动物样本队列；案例数据来自已发表酵母、真菌及部分细菌、古菌和微藻发酵研究。研究人员比较批次、补料批次、连续和灌流（perfusion）等生物工艺模式对废物流量与组成的影响；分析固液分离、产物回收和废弃培养基再生（如粉末活性炭（PAC）、纳滤、膜过滤耦合电解/紫外）及细胞裂解提取（化学法、脉冲电场（PEF）、酶解、高压均质（HPH）、超临界流体萃取（SFE）/SCCO₂）等单元操作；并总结过程分析技术（PAT）、核磁共振（NMR）、液相/气相色谱-质谱、拉曼/近红外/傅里叶变换红外光谱和流式细胞术等监测手段。

研究结果：2 回收废弃物流：通过综述指出废弃培养基是体积最大的废物流，SMB次之，需识别单元操作并评估回用。2.1 生物加工：通过比较操作模式，指出批次/补料批次产生离散高体积、营养耗竭和抑制物积累的废液，连续/灌流产生稳态、组成可预测的废液，便于在线监测；下游批处理与连续应匹配，可暂存。2.1.1 精准发酵：通过分析PF操作模式，指出废物流体积、时间可用性和生化组成受操作模式支配，决定回收可行性。2.1.2 固液分离：通过分析搅拌、黏度、絮凝和干燥，指出真菌团块需分散以稳定回收流，但湍流、细胞破裂、高黏度和多糖/蛋白积累会妨碍离心/过滤；干燥条件影响蛋白/碳水性质。2.1.3 产物回收与培养基再生：通过分析超滤、双水相、等电沉淀、色谱、溶剂萃取、蒸馏、原位产物回收（ISPR）和PAC/纳滤/膜过滤，指出需去除乙醇、盐、呋喃、羧酸、酚类、硫化物和游离脂肪酸等抑制物；PAC有效但不可再生，纳滤低能耗，膜过滤耦合电解/紫外可回用微藻培养基，但相似性质抑制物去除有限。2.1.4 微生物生物质裂解与提取：通过比较物理化学、电、酶和机械法，指出HPH对湿酵母脂质回收达84%，优于超声36%、PEF29%和高压电放电32%；酶解温和但成本和蛋白结构变化限制；SFE/SCCO₂可减少溶剂残留并可直接处理湿生物质。2.2 废弃培养基组成：通过分析初始培养基、代谢和工艺，指出丝状真菌分泌组更复杂，酵母如Komagataella phaffii较简单；热灭菌可产生美拉德反应产物；回用价值取决于残留营养、抑制物、pH和离子平衡。2.2.1 蛋白质：通过比较分泌组，指出丝状真菌分泌大量碳水化合物活性酶但受碳分解代谢阻遏，K. phaffii分泌组简单、宿主背景低；Kluyveromyces lactis和Saccharomyces cerevisiae可产killer toxins。2.2.2 氨基酸：通过分析S. cerevisiae和K. phaffii废弃培养基，指出氨基酸残留受宿主和工艺影响，K. phaffii中20种氨基酸有18种显著变化，Cys基本不变，Lys/Phe较高，Glu/Gly耗竭；可支持交叉喂养但需靶向补充。2.2.3 有机酸：通过案例指出有机酸积累降低pH和回用性，Trichoderma versicolor废弃培养基乳酸高、pH5.5，回用于Escherichia coli异源蛋白生产降低产量；柠檬酸/衣康酸可降低二价金属生物可利用度。2.2.4 矿物质：通过比较LB和K. phaffii废弃培养基，指出P/K富集、Na/Mg降低；Aspergillus/Neurospora废弃培养基可回收Co/Ni/Ce；T. versicolor矿物质谱类似LB，利于E. coli回用。2.2.5 其他代谢物：通过分析S. cerevisiae上清，指出含苯乙醇、2,3-丁二醇、丁香酸、柚皮素、肉桂酸和大豆苷元等，可能影响感官/抗氧化/抗菌；丝状真菌代谢物更丰富但更复杂。2.3 面向回收的设计：通过总结监测与案例，指出需监测营养耗竭和抑制物积累。2.3.1 废弃培养基分析技术：通过总结在线传感器、NMR/HPLC/LC-MS/GC-MS/毛细管电泳/离子色谱/酶分析/氨基酸分析及拉曼/NIR/FTIR/流式，指出PAT可实时表征并支持补料和纯化决策。2.3.2 废弃培养基回收案例：通过Hsiao等对Apiotrichum curvatum的研究指出定义培养基75%回用可连续7批不影响生长和脂质，乳清渗透物仅2批后下降并需离子交换；Hsiao与Glatz对Corynebacterium glutamicum定义培养基3批L-赖氨酸偏差<5%，甜菜糖蜜首批下降20%且阳离子交换效率低；Song等对Aurantiochytrium spp.与Mortierella alpina交叉回收DHA/ARA维持两代并减半水耗，但引入系统依赖。2.3.3 废弃微生物生物质回收案例：Yin等酶解Aurantiochytrium/M. alpina生物质替代酵母提取物，完全替代降低细胞干重和脂质，部分替代提高滴度至12%；Risse等Bacillus licheniformis自溶提取率70%，加溶菌酶>90%，替代氮源使生物量滴度提高>50%；Severa等R. toruloides酶解得40%碳水为可发酵葡萄糖/甘露糖；Yang等酸水解R. toruloides生物质替代碳氮源，新鲜培养基中表现等同或优于YPD，但序批第三批降约10%与氮损失有关，联合回收废弃培养基可维持三批；Koller等Haloferax mediterranei回收废弃培养基和生物质，PHA滴度首批下降68%，需优化回收比例和分析氨基酸/辅因子；Wang等工程S. cerevisiae番茄红素，酶解生物质并优化回收，70 L规模三次补料批次平均滴度提高22.25%，仅补少量酵母提取物和D-半乳糖，第四批运营成本估计低29.6%、水足迹降70%。2.3.4 实施回收考虑：通过分析连续循环中的过滤性、黏度和膜污染，指出离子强度、细胞碎片、压缩性滤饼、剪切变稀、胞外聚合物、消泡剂和灭菌美拉德产物会累积；清洗后通量恢复是关键指标；排放比例是设计变量，半减排放在稳态浓度约翻倍；需多批次评估和物理表征；排放流应导向生物质/培养基升级而非废物处理。3 升级SMB为食品配料：通过分析酵母提取物和真菌生物质食品历史，指出PF生物质食品应用需安全评估。3.1 组成：通过总结S. cerevisiae、Pichia pastoris、Yarrowia lipolytica、Aspergillus niger、Trichoderma reesei和M. alpina组成，指出SMB富含蛋白、碳水、脂质，少量核酸、矿物质和维生素，细胞壁含碳水聚合物、蛋白-多糖复合物和磷脂。3.2 食品安全：通过总结QPS/GRAS、上市前授权、GM标签和嘌呤风险，指出需灭活细胞、降解RNA至安全水平（热激活内源RNase 60–70°C，72–74°C优化减少生物量损失；碱水解使RNA<2%并保持蛋白）。3.3 伦理考虑：通过分析素食/纯素、Halal、Kosher和Ahimsa，指出无动物源培养基和加工助剂时PF配料通常可接受；猪源基因/胰蛋白酶等可使Halal不合格；Kosher需培养基无动物源，可Pareve；印度教/耆那教/佛教关注无动物源和无屠宰。3.4 营养价值：通过比较酿酒酵母衍生物和PF生物质，指出酵母提取物富含蛋白、肽、酚类、黄酮、维生素和矿物质；酵母细胞壁甘露蛋白/β-葡聚糖有免疫调节和降血脂作用；PF生物质组成随菌株、工艺和目标产物变化。3.4.1 脂质：通过总结Mucor产γ-亚麻酸、Mortierella产ARA/EPA，指出PUFA价值。3.4.2 维生素：通过总结酵母富含B族维生素和少量D/E/K/A，含麦角固醇（D₂前体）、7-脱氢胆固醇（D₃前体）、22,23-二氢麦角固醇（D₄前体），可UV转化。3.4.3 有价值聚合物：通过总结甘露蛋白、β-葡聚糖、几丁质/壳聚糖，指出可作澄清、乳化、稳定和MOS益生元；丝状真菌几丁质/壳聚糖较高，S. cerevisiae细胞壁约25%干重、几丁质约1%。3.5 技术功能：通过总结酵母甘露蛋白替代黄原胶制蛋黄酱、β-葡聚糖脂肪替代、细菌生物质稳定乳液和丝状真菌菌丝复合材料，指出PF生物质可提供水胶体、乳化/泡沫/凝胶和生物材料功能；β-葡聚糖有抗炎、抗氧化、免疫调节、降脂、抗糖尿病、抗肿瘤及佐剂潜力。4 经济与环境影响：4.1 经济影响：通过系统层面分析，指出原料可占生产成本>50%，回收可降原料和废水处理，但需扣除分离、再生、灭菌、补充、化学品、公用工程、人工、质控和资本；复杂培养基回收需离子交换且性能下降，优化案例可降运营成本29.6%；无普适路线，取决于组成、浓度、纯度、加工和规模；最大回收比例非目标，需保产量。4.2 可持续性影响：通过LCA证据指出PF高度依赖电力、水和农业投入，回收可减水70%或约50%，营养回收可达80%，但再生步骤可能抵消收益；需系统边界、分配和替代假设，避免负担转移。4.3 未来机会与挑战：通过总结指出需在工业相关PF中研究回收比例/次数与TRY，开发在线质谱PAT和AI预测；需低热/物理灭活（HPP、PEF、酶解）兼顾安全与营养；需风味图谱（GC-MS/Olfactometry和感官panel）；监管/伦理取决于输入和GM；食品配料价值比大宗化学品高1–2个数量级。5 总结与结论：通过综合案例指出媒体回收与SMB升级为两大策略，但需控制盐/抑制物积累、实施快速分析与过程控制、进行安全评估和LCA数据积累。

讨论部分总结：回收与升级利用具有财务和环境收益潜力，但必须在系统层面权衡回收收益与分离、再生、灭菌、补充、资本和性能损失；废弃培养基适合回收营养，SMB更适合升级为食品配料；需关注积累动力学、膜污染、排放比例、低热灭活、风味图谱、监管与伦理，并补充LCA数据。研究结论翻译：精准发酵（PF）是一种有潜力改善专用食品和营养配料供应与成本的技术，但PF会产生大量液体和固体废物流，必须出于经济和可持续性原因加以缓解。研究人员详细阐述了两种策略：回收以生产培养基组分，以及升级利用以生产食品配料。有限案例表明，伴随靶向补充的培养基回收可显著降低用水和培养基需求；回收废弃培养基中的多余营养可减少新鲜培养基配料需求，并避免冗长的培养基配方试验。将废弃培养基回收整合入现有PF工艺需要优化回收比例、增加灭菌等单元操作，并可能需要进一步工艺改变；多轮循环中盐和抑制性代谢物逐步积累可负面影响生长速率和下游加工效率，因此需要快速分析和响应性过程控制，现有PAT框架可较快实施。废弃培养基含具有营养价值、风味和技术功能的溶解溶质，但浓度过低，浓缩和回收不具吸引力；固体生物质更易浓缩。酵母和真菌来源食品配料长期作为风味增强剂和营养强化剂，但PF来源生物质作为新型食品需上市前安全评估，并可能需“转基因”标签，取决于遗传修饰性质和纯化程度；安全评估成本应与食品配料较高回报相权衡。生物质必须灭活，但若用于食品则宜采用温和灭活以保护不稳定营养，非热加工技术可能同时满足两者。当前开展生命周期评估等系统分析的数据不足，难以阐明不同回收和升级情景的成本与收益；PF被宣传为可持续技术，但若要真正可持续且具成本竞争力，必须改变对废弃培养基和生物质的认识，并通过回收和升级利用实现闭环。