《Current Research in Food Science》：Harnessing fermentation to convert fruit waste to functional foods
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摘要：水果废弃物的日益增加对农业食品部门构成了重大的环境和经济挑战，同时也为在循环经济框架内实现可持续增值提供了重要机遇。因外观原因被拒收的水果以及加工副产物都是膳食纤维、糖类和生物活性化合物的丰富来源，可被转化为高附加值产品。本综述旨在全面概述微生物发酵作为
摘要：水果废弃物的日益增加对农业食品部门构成了重大的环境和经济挑战，同时也为在循环经济框架内实现可持续增值提供了重要机遇。因外观原因被拒收的水果以及加工副产物都是膳食纤维、糖类和生物活性化合物的丰富来源，可被转化为高附加值产品。本综述旨在全面概述微生物发酵作为水果废弃物增值化可持续策略的应用，特别强调乳酸菌（LAB）、醋酸菌（AAB）、酵母菌和微生物菌群在改善水果源基质营养、技术和功能特性方面的作用。现有证据表明，微生物发酵不仅能保存水果生物质，还能通过降解复杂碳水化合物、生物转化酚类化合物、产生生物活性代谢物以及生成功能性成分来提高其价值。本综述进一步讨论了活微生物和后生元成分对产品功能性的贡献，以及微生物活力、加工条件和储存稳定性对开发安全且功能性发酵食品的重要性。此外，综述还强调了利用微生物菌群的最新进展，并指出调控微生物-植物基质相互作用的机制是需要进一步研究的关键领域。总体而言，现有文献支持发酵作为一种通用且有效的策略，可将水果废弃物转化为高价值食品。通过整合当前关于微生物代谢、功能性和加工挑战的知识，本综述指出了主要科学和技术空白，并概述了未来研究优先方向，包括微生物菌群设计、工艺放大、监管考量和生命周期评估，以促进可持续水果废弃物生物精炼厂的工业实施。
1. 引言
食品废弃物是现代农业食品部门面临的重大可持续性挑战之一。仅欧盟每年就产生超过5800万吨食品废弃物，造成经济、社会和环境多重后果。水果生产和加工是农业食品废弃物的重要来源，废弃物产生于供应链的各个环节。水果废弃物主要包括不符合消费者外观标准的水果及加工后产生的废弃物，若填埋处理会造成土壤和水污染并产生温室气体。依据循环经济原则，水果废弃物日益被视为一种有价值的生物资源，富含膳食纤维、糖类、有机酸、维生素、矿物质和植物化学物质，可通过化学和生物过程提取生物活性化合物，用于食品和制药领域，生产具有抗氧化、抗炎和细胞保护活性的功能食品。然而，传统溶剂提取法能耗高且产生二次废物流，而且相关生物活性化合物的消化稳定性、生物可及性和与肠道菌群相互作用仍未完全表征。发酵是获得生物活性化合物的另一种有价值方法，乳酸菌（LAB）、醋酸菌（AAB）、酵母菌等微生物天然存在于水果表面，可通过酶促转化改善营养物质的生物利用度或生成新的生物活性化合物。发酵食品还包含潜在益生菌和后生元成分，能够产生短链脂肪酸、生物活性肽、胞外多糖等代谢物，调节免疫反应并改善肠道屏障功能。本综述旨在整合水果残留物的生化特性、微生物代谢、产品功能性、微生物活力和工业适用性，通过四个主要目标填补现有知识空白，并着重关注机理、微生物活力和后生元作用以及实验室成果商业转化的障碍。
2. 水果废弃物和非适销水果
水果因其易受机械损伤、温度变化、过熟和微生物腐败影响，在供应链各环节均产生损失。工业加工产生的副产物包括果皮、种子、果肉、果渣和甘蔗渣等。大量水果废弃物源于因外观瑕疵被拒收但仍可食用且具有营养价值的农产品。这些水果通常因不符合商业质量标准和消费者外观预期而被丢弃。水果加工副产物的多样性使其成为回收生物活性化合物和应用于发酵过程的有前景基质，其增值化不仅改善衍生产品的功能和营养特性，还有助于提高水果加工部门的可持续性和经济效率。表1概述了主要水果副产物及其生物活性成分和潜在应用途径。然而，这些基质的组成也决定了其是否适合微生物发酵，并影响微生物生长、代谢活动和后续生化转化程度，因此理解这些相互作用对于将基质特性转化为特定生化转化和产品功能变化至关重要。
3. 水果发酵中的微生物和微生物互作
发酵水果产品日益被视为非乳制功能食品，其质量和生物活性受基质特性、微生物代谢和发酵条件相互作用的影响。水果和水果副产物携带来自果面、土壤、水、收获设备、加工环境和储存条件的多种天然微生物群，这些微生物群可能对自然发酵产生积极贡献，但也可能引入变异和微生物风险。
3.1 乳酸菌
乳酸菌（LAB）是一类多样化的细菌群，包括乳杆菌属（Lactobacillus）、乳球菌属（Lactococcus）、片球菌属（Pediococcus）、肠球菌属（Enterococcus）、链球菌属（Streptococcus）、明串珠菌属（Leuconostoc）和魏斯氏菌属（Weissella）等。LAB具有蛋白水解、脂解和淀粉分解活性，并能产生乳酸。研究表明LAB已被用于发酵水果废弃物以改善营养和功能特性，例如植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）等菌株发酵葡萄渣、苹果渣等可产生类酸奶饮料，蓝莓来源的LAB可提高发酵蓝莓产品的抗氧化能力和酚类含量。然而这些特性不能简单地推广到物种水平，同一物种不同菌株间在发酵性能、酸化速率、低pH耐受性、碳水化合物利用和酚类转化等方面存在显著差异，因此菌株选择应基于在目标水果基质中的直接表征。
3.2 醋酸菌
醋酸菌（AAB）在食品中应用广泛，尤其用于食醋生产、维生素C生物合成和纤维素合成。其代谢特征是将糖和醇氧化为有机酸，其中乙醇氧化为乙酸是最重要的途径。水果醋因含有生物活性化合物而日益受到关注，AAB天然存在于水果表面，非常适合发酵水果基质和副产物。AAB在康普茶和水开菲尔等复合微生物群落中占有重要地位，优势属通常包括Komagataeibacter和葡糖杆菌属（Gluconobacter），底物影响群落组成。在工业规模上，必须控制AAB的代谢活性，氧传递不足会限制乙酸生产，而过量通气则可能导致蒸发、改变挥发性物质谱并促进过度酸化。
3.3 酵母菌
酵母菌是成熟水果自然分解的核心微生物，利用水果中的糖类产生乙醇和其他生物活性化合物，如酶、色素和抗微生物化合物。历史上酵母菌广泛用于营养、医药和工业应用，在水果废弃物增值化方面，生物乙醇生产曾是最主要研究方向，但目前正转向发酵饮料和其他高附加值产品。酵母菌在康普茶和水开菲尔生产中发挥关键作用，也被用于生产多种水果基发酵饮料。与LAB类似，酵母菌的性能高度依赖菌株，菌株在糖利用、乙醇耐受性、香气产生、胁迫抗性和转化水果相关化合物能力方面存在差异，因此在非酒精或低酒精水果发酵中选择酵母菌株时需兼顾技术效益和在加工及储存期间产生乙醇的潜在风险。
3.4 微生物群落
传统发酵食品如葡萄酒、泡菜和味噌是通过多种微生物组成的群落发酵获得。发酵过程中微生物间发生复杂互作，产生单一物种无法实现的新化合物并增强功能特性。基因组和宏基因组测序技术揭示的传统发酵食品微生物多样性远超培养法。测序还使研究者能够探究微生物代谢以及交叉喂养和协同进化过程。然而，设计新型或合成微生物菌群的主要挑战是微生物适应共享空间的短暂时间，新设计的菌群可能缺乏稳定的种间互作。因此，选择菌群成员应考虑交叉喂养机制和细菌素产生，并在目标加工条件下单独和组合评估其竞争、耐酸性、生长速率和兼容性。表2概述了主要微生物群的代谢功能、功能贡献和当前应用挑战。
4. 塑造产品功能性的微生物和生化转化
4.1 微生物对植物基质的修饰
发酵通过微生物代谢、植物基质酶促转化、生物活性代谢物产生和物理化学环境调节等多种互补机制增强水果源基质的功能性。酸菜提供了一个充分表征的模型：发酵初期异型发酵菌种如明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）和魏斯氏菌属（Weissella）占主导，产生乳酸、乙酸、乙醇和二氧化碳，酸化、二氧化碳积累和氧化还原电位下降抑制腐败和致病微生物。随着pH降低，更耐酸的LAB如短乳杆菌（Levilactobacillus brevis）、戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）和植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）成为优势菌。逐渐酸化和氧化还原电位降低不仅提高微生物稳定性，还有助于保护敏感营养素并限制氧化劣变。
4.2 生物活性化合物的酶促转化
微生物酶催化结构多糖降解、糖苷键水解、酚类化合物修饰和植物蛋白水解，从而释放植物基质中截留的生物活性化合物并生成具有改变生物可及性和生物特性的新代谢物。果胶酶是水果基质生物转化中最重要的酶之一，果胶水解有助于改善果汁提取和澄清、降低粘度并促进酚类化合物释放，同时产生具有潜在益生元活性的果胶衍生低聚糖。纤维素酶和半纤维素酶通过破坏纤维素-半纤维素网络增强抗氧化剂回收。微生物β-葡萄糖苷酶催化多种植物次生代谢物中糖苷键的水解，释放苷元，提高生物可及性，同时通过释放挥发性化合物和减少苦味物质改善风味。
4.3 微生物代谢物的产生
发酵微生物合成多种有助于发酵水果产品技术、感官和潜在功能特性的代谢物。有机酸是最主要的代谢物，乳酸降低pH抑制腐败微生物并促进风味发展；醋酸菌将酵母产生的乙醇氧化为乙酸；发酵来源的乳酸可作为肠道乳酸利用菌的底物，通过交叉喂养转化为丁酸和丙酸等短链脂肪酸。胞外多糖（EPS）由多种LAB合成，可提高粘度、保水能力并改善质地，部分EPS具有益生元或免疫调节潜力。发酵微生物还产生细菌素、过氧化氢等抗微生物代谢物，提高发酵稳定性和微生物安全性。此外还能产生生物活性肽、挥发性香气化合物、维生素等次级代谢物，这些产物的产生高度依赖菌株并受底物和发酵条件影响。
4.4 水果废弃物发酵的证据
不同水果废弃物在糖组成、酸度、纤维结构、酚类特征和天然微生物群方面存在显著差异。一致的研究发现是通过微生物生物转化增强酚类组成。例如，椰子加工废弃物的顺序发酵促进了未发酵底物中不存在的酚类代谢物形成；苹果和蓝莓废弃物经鼠李糖乳杆菌（Lacticaseibacillus rhamnosus）、干酪乳杆菌（Lacticaseibacillus casei）等发酵后，糖基化黄酮水解产生的酚类苷元浓度升高，抗氧化能力提高。葡萄渣混合发酵中酵母和LAB的联合活性与没食子酸、焦性没食子酸、东莨菪内酯和儿茶酚等代谢物形成相关。然而，现有证据仍然零散，多数研究在实验室条件下评价单一底物-微生物组合，采用不同分析方法，难以横向比较。未来研究应侧重于整合多组学方法、靶向代谢组学和受控发酵实验的机理性研究。
5. 最终产品中的微生物活力和稳定性
在发酵植物产品中，微生物活力被认为是功能性的决定因素，尤其是与潜在益生菌活性相关的功能。最终产品中的微生物存在取决于底物组成、发酵时间、温度、氧可用性、加工阶段和储存条件等因素。水果基质缓冲能力低，低pH虽可保护蛋白质和酚类免于降解，但会影响储存期间微生物的活力。为解决发酵产品的不稳定性，可通过过滤或巴氏杀菌灭活活微生物，防止二次发酵、过量气体或酒精增加以及储存期间不良风味变化。这一过程可能不干扰功能特性，因为发酵产物可通过微生物代谢物和后生元保留生物活性，这些成分包括短链脂肪酸、肽、胞外多糖、细胞壁片段和转化酚类化合物。体外研究和动物模型表明这些化合物可能具有免疫调节、抗氧化和代谢效应，但需通过设计良好的临床研究确认。酵母菌也被探索作为功能因子，例如啤酒废酵母（酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae）可作为生物载体封装和保护来自葡萄渣的酚类化合物，喷雾干燥酵母基粉末具有低水活性和低吸湿性等良好储存特性，并在模拟胃肠道消化中提高酚类生物可及性，但仍需体内验证。
6. 挑战、可持续性和未来前景
将实验室规模实现的生化转化和功能特性转化为安全、稳定和商业可行的产品仍然复杂，涉及技术、监管和安全挑战。特别重要的问题包括微生物功能性、酒精形成、产品稳定性、消费者接受度、监管分类和工业可扩展性。
6.1 微生物和发酵水果产品的监管考量
在欧盟，列入合格推定安全（QPS）清单的微生物被视为安全，而美国类似评估在公认安全（GRAS）框架下进行。但安全指定不应被解释为益生菌特性或健康益处的证据。益生菌是给予足够量时对宿主产生健康益处的活微生物，且此类效应必须针对特定菌株证明。此外，若发酵水果产品包含非传统微生物物种、新型微生物菌群或基因修饰微生物，可能属于新型食品，需要上市前授权。安全评估还应考虑最终产品特征，如活微生物数量、致敏潜力、毒理学特性和预期使用条件。
6.2 天然微生物群、微生物风险和受控发酵
水果表面和加工副产物可能含有多种天然微生物，包括LAB、AAB、酵母菌、霉菌和来自环境的环境细菌。天然微生物群可能包含有用发酵微生物，也可能含有腐败菌和潜在食源性病原体，如肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、芽孢杆菌属（Bacillus）、梭菌属（Clostridium）、葡萄球菌属（Staphylococcus）和李斯特菌属（Listeria）成员以及产毒霉菌。还应考虑农药残留、真菌毒素、生物胺等。自然发酵结果难以预测，初始微生物载量和群落组成批间差异大。使用选定发酵剂进行受控发酵可通过促进快速微生物优势和可预测酸化降低变异性，pH降低、氧化还原电位变化、营养消耗和有机酸、乙醇、二氧化碳或细菌素产生可限制不良微生物生长。但仍需针对每种底物-微生物-工艺组合证明安全性。发酵剂应在菌株水平评估安全相关特征，包括分类确认、获得性抗微生物耐药基因缺失、毒力因子和毒素产生途径缺失。
6.3 局限性、技术就绪度和工业转化
当前多数研究处于实验室规模，使用小发酵体积、短期试验和严格控制条件，底物异质性、接种物制备、发酵时间、温度、氧传递和分析方法差异使研究难以比较。许多报道的益处基于少数菌株或发酵后立即测量，总酚含量和抗氧化能力的增加不一定证明人体生物利用度或健康益处增加。扩增子测序提供群落组成但菌株和功能分辨率有限，宏基因组测序可改善分类和功能表征，但基因存在不代表表达。当前研究集中于少数特征明确的微生物，可能限制探索功能有前景但研究较少的类群。工业转化需要关注工艺稳健性，发酵剂在生物质生产、浓缩、冻干、储存和分配过程中保持稳定。放大可能改变混合、热传递、氧可用性、剪切应力和二氧化碳去除，需进行中试规模研究。生命周期评估（LCA）是确定发酵增值化是否具有真正环境效益所必需的，应比较拟议发酵工艺与动物饲料、厌氧消化、堆肥或常规废弃物处理等实际替代用途。早期评估应采用敏感性和情景分析处理不确定性。工业可行性取决于底物特性、微生物性能、生化结果、产品功能性和工艺可持续性的整合，未来研究应从概念验证转向集成工艺开发，包括菌株和菌群筛选、安全性评估、接种物和发酵条件优化、中试验证、货架期研究、感官分析、技术经济评估和LCA。
7. 结论
水果废弃物代表一种在循环经济中具有增值化潜力的资源。不符合美学标准的水果和加工副产物含有可通过微生物发酵回收、转化或改善的生物活性化合物。发酵是一种多用途生物技术策略，能够将水果废弃物转化为具有增强营养和技术特性的功能性成分和食品。LAB、AAB、酵母菌和混合微生物菌群能够代谢复杂植物基质，产生有机酸、转化酚、肽、胞外多糖和其他功能代谢物。这些益处不单纯依赖活微生物的存在，后生元和发酵来源化合物可在改善产品稳定性和安全性同时保持生物活性。设计能够实现协同互作、底物互补和增加代谢产出的微生物群落日益重要，但向受控工业过程过渡仍面临底物异质性、微生物稳定性和物种间代谢依赖知识有限等挑战。未来研究应侧重于整合多组学方法、理性设计微生物菌群和进行生命周期评估，以弥合实验室研究与工业应用之间的差距，促进更可持续食品系统的发展。
