固态发酵（Solid-State Fermentation, SSF）中哈茨木霉（Trichoderma harzianum）重塑代谢组并增强番茄皮与园林绿废的抗氧化特性

《Molecules》：Solid-State Fermentation by Trichoderma Remodels the Metabolome and Enhances the Antioxidant Properties of Tomato Peel and Green Waste

　　

随着农工业残留物产量不断增加，在循环生物经济框架下开发可持续增值策略、将低值生物质转化为高附加值产品势在必行。研究人员以番茄加工产业来源的番茄皮（Tomato Peel, TP）与城市修剪活动产生的园林绿废（Green Waste, GW）为基质，开展由哈茨木霉（Trichoderma harzianum）介导的固态发酵（SSF），旨在评估真菌生长、代谢组重塑及抗氧化生物活性物产出的关系。不同TP/GW配比基质进行7天SSF并监测定殖；含高比例GW基质定殖最强，纯TP定殖可忽略，显示强基质依赖性。对定殖成功的发酵基质行UPLC-QToF-MS非靶向代谢组学（每处理3个独立生物学重复），纯TP组因定殖失败被排除。结果显示发酵基质间差异显著，鉴定出22种在富TP组中显著富集的差异代谢物，主要为羟基肉桂酸衍生物、黄酮、木脂素、酚苷及有机酸（如香豆酸、羟基咖啡酸、肉桂酰葡萄糖、柠檬酸、矢车菊素糖苷等），提示发酵关联转化与酚类释放。富TP混合基质发酵水提物抗氧化最强，DPPH与ABTS自由基清除分别达63.48 μmol TE/g dw与119.67 μmol TE/g dw，总酚含量同步升高。微生物、代谢组与抗氧化三联分析表明，番茄加工副产物与绿废共发酵可调控发酵产出并增强抗氧化潜力，为混合农工残基作为可持续原料生产富含抗氧化提取物（具营养与生物技术潜力）提供新见解。

研究背景方面，农粮系统强化致有机残渣激增，番茄加工副产物（主含皮、籽、残余果肉，占鲜果5–10%）富酚类、类胡萝卜素等生物活性物质，但高湿、易腐、木质纤维素基质复杂制约直接利用，常规有机溶剂提取能耗高且存安全与残留问题。固态发酵（SSF）以限自由水湿润固体基质模拟丝状真菌生态位，节水节能、利酶解壁释酚；哈茨木霉（Trichoderma harzianum）产纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶及氧化酶，且具快速定殖与次级代谢潜力。园林绿废（GW）富结构多糖可作物理支撑与碳源，但TP与GW共发酵下基质驱动代谢重塑未知，故研究人员假设TP/GW比例调制真菌–基质互作，影响定殖、代谢组与抗氧化输出。

本研究发表于《Molecules》，研究人员设100%TP、100%GW及75/25、50/50、25/75 TP/GW梯度，以T. harzianum孢子悬液（10⁷ conidia/mL）接种20 g湿基质于微繁盒，26 °C、60% RH、12 h光暗周期静态SSF 7天；以未接种对照平行处理。结论上，纯TP抑制木霉定殖（qPCR多重复低于检测限），GW促定殖（最高70,453 GCC/g），混合基质可复现定殖；富TP发酵水提物DPPH达63.48 μmol TE/g dw、ABTS达119.67 μmol TE/g dw，总酚1.62 mg GAE/g dw，显著优于对照；非靶向UPLC-QToF-MS结合PLS-DA鉴定22种差异代谢物（羟基肉桂酰糖酯、阿魏酸共轭物、香豆酸、羟基咖啡酸、肉桂酰葡萄糖、3,5-二甲基槲皮素、矢车菊素糖苷、3,3′,4,4′-四羟基木脂素、柠檬酸等），富集于75%TP组；Spearman相关显示真菌丰度与抗氧化及多数差异代谢物呈负相关（ρ≈?0.77至?0.89），即高定殖不等同高抗氧化，基质化学约束下的胁迫态生物转化主导酚类释放。意义在于明确基质配方是SSF过程可行性与产物功能的解耦调控旋钮，混合残渣共发酵兼顾工艺稳定与抗氧化增值，支撑循环生物精炼。

关键技术方法上，研究人员采用：①多比例TP/GW混合基质灭菌后静态SSF（26 °C、7天，意大利Conserve Italia提供TP、Brescia市政GW）；②半定量CFU与qPCR（钙调蛋白基因TCal引物，GCC/g定量）双轨定殖评估；③7天终点水提（1:5 w/v，0.45 μm过滤冻干）行DPPH/ABTS/ Folin–Ciocalteu总酚测定；④UPLC-QToF-MS负离子模式非靶向代谢组（BEH C18柱，MSE），MarkerLynx建矩阵、MetaboAnalyst 6.0行PCA/PLS-DA/ANOVA-FDR及MSI Level 2注释；⑤Spearman等级相关整合真菌量–代谢物–抗氧化参数。

研究结果按原文小节浓缩如下。

3.1 基质组成对木霉定殖与发酵可行性的影响：经CFU与qPCR证实，100%GW定殖最高（17,761–70,453 GCC/g），纯TP基本无定殖（仅1重复6276 GCC/g，受多酚/蜡质抑PCR疑低估），TP比例升则定殖降；25%TP/75%GW与75%TP/25%GW差异显著（p=0.0465）。表明TP抗菌植化素与低可及性限菌，混合基质保工艺可行。

3.2 木霉SSF对抗氧化活性与总酚的影响：75%TP/25%GW发酵提DPPH 63.48±2.31、ABTS 119.67±1.89 μmol TE/g dw，TPC 1.62±0.03 mg GAE/g dw，较对照显著提升；50/50次之；纯TP发酵前后无差。水提仅捕亲水酚，番茄皮疏水番茄红素等未计入。ABTS普遍高于DPPH。中间配比平衡定殖与酚前体最优。

3.3 发酵基质代谢组与差异代谢物：PLS-DA分群，富TP组沿PC1（≈20%方差）分离。ANOVA+Fisher LSD筛22个MSI Level 2代谢物，富TP组富集羟基肉桂酰阿拉伯木糖苷、顺阿魏酰糖酯、香豆酸、羟基咖啡酸、肉桂酰葡萄糖、3,5-二甲基槲皮素、矢车菊素糖苷、3,3′,4,4′-四羟基木脂素、柠檬酸等，提示壁束缚酚经酶解/微生物转化释放。代谢位移与菌量非正比，应激态转化权重更大。

3.4 真菌生长–代谢组–抗氧化的相关分析：Spearman热图示qPCR菌量与差异代谢物（ρ=?0.770~?0.887）、TPC（ρ=?0.769）、DPPH（ρ=?0.573）、ABTS（ρ=?0.580）均负关；羟基咖啡酸与TPC ρ=0.894，(R+)-3-(4-羟苯基)乳酸与TPC ρ=0.932、与DPPH/ABTS ρ=0.785–0.813，3,3′,4,4′-四羟基木脂素与DPPH/ABTS ρ=0.860–0.867为正最强。证明抗氧化增强非菌量驱动，而赖基质特异酚谱。

讨论部分总结：研究人员指出纯TP因植化抑制与核酸提取干扰致定殖信号不稳；代谢物为Level 2推定，缺酶活/转录验证；相关为探索性；单菌株单条件且限水提，疏水抗氧化未覆盖；未做放大与经济性评估。核心论点为基质配方解耦“菌量”与“功能”，GW保定殖、TP供酚前体，富TP混合基质以较低菌量获最高水溶抗氧化，系化学约束下真菌应激生物转化所致。

结论部分翻译：通过哈茨木霉介导SSF共发酵番茄加工副产物与园林修剪残基，是循环生物经济下农工残基可持续增值的有前景策略。结果表明基质组成强烈影响真菌发育与提取物功能——GW促T. harzianum定殖与工艺可行，富TP配方促抗氧化关联代谢物累积并增强提取物功能。微生物学与非靶向代谢组整合揭示真菌生物量累积与提取物功能不直接相关：最高定殖基质非最高抗氧化基质；反之富TP混合配方虽菌量较低却优化功能，证明SSF绩效须同时考量微生物生长与活性馏分质量。从生物精炼视角，TP混GW既克服纯TP不适性又利用其酚富集贡献，基质配方是平衡可行性与品质的关键参数。虽结果限于所测基质/菌株/条件，仍为靶向代谢验证、提取优化与放大评估奠基。总体而言，木霉SSF联合代谢组导向表征可将异质农工残基转化为富抗氧化提取物，具营养、农业与生物技术潜在应用。