综述：挖掘食物废弃物的潜在价值：通过酶制剂驱动水解揭示循环生物炼制的关键见解

《Biotechnology Advances》：Unlocking the hidden value of food waste: Critical insights into circular biorefineries via enzyme cocktails driven hydrolysis

　　

水解是食品废物生物炼制厂中的关键限速步骤。
酶催化水解可在温和条件下实现底物的选择性释放。
原位酶混合物实现了对食品废物具有成本效益和适应性的水解。
阐明了酶混合物驱动的多路径食品废物增值水解。
数据驱动设计与反应器创新推动了下一代循环生物炼制厂的发展。

## 引言

食品废物已成为一个重大的全球挑战，其年产生量约为9.31亿吨（Tian等，2026）。联合国可持续发展目标通过目标12.3强调了食品废物的减量（Forbes等，2021）。作为城市有机固体废物的重要组成部分，食品废物具有高含水率、成分复杂和快速腐解的特征。如果处理不当，将对城市环境卫生和公共卫生构成严重威胁（Wang等，2025）。目前，填埋和焚烧等传统处理方法仍占主导地位，但这些方法存在能耗高、占地面积大和资源回收效率有限的问题（Read等，2022；Tong等，2025）。重要的是，食品废物富含碳水化合物、蛋白质和脂质，是生产高附加值产品的有前景的可再生原料。通过适当的技术路径，食品废物可以被转化为高附加值产品，同时实现减量和无害化处理，从而实现从传统废物处理到资源回收的转变（Sun等，2025）。事实上，食品废物增值已被广泛提出作为循环生物炼制厂的基石，具有多条转化路径，可生产生物活性化合物、平台化学品、功能性材料、生物燃料和碳基产品等。

目前食品废物管理技术在技术成熟度和资源回收潜力方面存在显著差异。填埋和焚烧是已确立的末端处置方法，但其在碳和养分增值方面的能力仍然有限。相比之下，堆肥和厌氧消化作为处理技术已实现更广泛的商业部署。堆肥依赖于微生物将有机物转化为腐殖质。然而，食品废物中相对较高的盐含量可能会延长堆肥时间并诱导温室气体排放，导致产品质量降低（Xie等，2022）。另一方面，厌氧消化被广泛用于从生物固体中回收能源。然而，其整体效率仍受到一些瓶颈的制约，如水解缓慢、反应时间长以及甲烷转化效率不高等问题（Che等，2025）。此外，产生的消化液和沼气浆料含有相当数量的不稳定氮、磷和钾，需要额外处理以减轻环境负担（Yang等，2022）。这些局限性表明，主要挑战不在于成熟处理技术的可用性，而在于缺乏有效的上游过程强化策略，无法提高底物的可及性并将食品废物引向更高价值的生物炼制路径。在此背景下，酶催化水解代表了一种有前景的预处理方法，能够在克服厌氧消化中的水解瓶颈的同时，提高下游高附加值生物转化过程的效率。

酶催化水解作为一种有效的策略，在应对传统食品废物处理低效率方面受到了越来越多的关注，是连接食品废物预处理与循环生物炼制的关键技术。在温和条件下运作，酶选择性地将淀粉、蛋白质和纤维素等大分子降解为可溶性中间体（如葡萄糖和氨基酸），同时克服水解作为限速步骤的问题并增强下游生物转化。然而，食品废物的异构组成限制了单一功能商用酶的有效性，需要协同的多酶体系。例如，结合纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶后，在48小时的酶催化水解后，玉米芯的葡萄糖和木糖产量分别提高至110和62 g/L（Gao等，2021）。尽管存在这些优势，商用酶混合物的高成本和有限的稳定性仍然是大规模应用的重要障碍。为了提高经济可行性，利用食品废物本身作为底物进行原位酶混合物生产受到了关注（Ma和Liu，2019）。这种方法绕过了复杂的纯化过程，产生的酶体系与原料天然兼容，并可直接应用于残余废物。从食品废物中产生的酶混合物已表现出高达113.7 U/g的糖化活性，在24小时内生成89.1 g/L葡萄糖，优于传统的商用混合物（U?kun Kiran等，2015）。水解液对沼气、生物乙醇和液体肥料的生产具有高度的生物可利用性，而富含养分的残余固体符合农业安全要求，可直接用作生物肥料。尽管存在这些优势，挑战仍然存在，包括在不同食品废物组成下保持酶稳定性、大规模控制过程动力学以及确保水解液质量稳定以满足下游增值需求。为解决这些问题，有必要开发一个完全集成的食品废物生物炼制框架。

酶混合物技术为大幅提高食品废物资源回收效率提供了变革性机遇。然而，要实现其全部潜力，需要克服酶设计、过程集成和系统可扩展性方面的关键科学与工程瓶颈。近期的综述已研究了食品废物的酶预处理、原位酶生产和从食品废物中回收生物乙醇、生物柴油和生物甲烷（Zou等，2020；Zou等，2024）。然而，这些研究主要集中在单一技术或最终产品上，对将酶混合物设计、水解性能、水解液质量、下游增值路径和工程实施整合为统一的流程优化框架关注有限。为弥补这一空白，本综述将酶混合物介导的水解定位为循环生物炼制框架中食品废物增值的门户技术。其关键创新在于系统整合了上游酶生产、水解过程优化、下游资源回收和工程部署。具体而言，本综述总结了从食品废物中增强酶混合物生产的策略，阐明了酶组成、水解液特征与后续资源回收路径之间的关系，并批判性地评估了水解液如何被引向生物燃料、生物化学品、养分回收和生物废水处理的生产。此外，与以往主要强调实验室规模技术的综述不同，本综述还将讨论扩展到工程实施，提出了现有热解-厌氧消化设施的实用改造策略。在该策略中，酶混合物被引入以增强油脂回收，而液体水解液被用作生物反硝化的替代碳源。总体而言，这种系统层面的视角展示了酶混合物介导的水解如何同时提高资源回收和过程集成，降低运行成本并加速从传统食品废物处理向循环生物炼制系统的转变。最后，探索了未来的研究方向，包括酶性能优化、智能反应器设计、机器学习辅助过程控制和综合的环境与技术经济评估。预期这些研究可以弥合实验室创新与工程规模实施之间的差距，同时促进食品废物的低碳、高效和循环管理。

## 章节摘要

### 酶催化水解作为食品废物增值的战略杠杆

食品废物是一种富含碳水化合物、蛋白质和脂质的异构有机底物，通过生物化学转化具有巨大的资源回收潜力。然而，其复杂的物理结构和组成异构性为微生物利用带来了重大挑战。大多数有机成分以固态或胶态形式存在，通常被封装在木质纤维素基质内或稳定为乳化的脂肪-蛋白质复合物。这种结构难降解性……

### 从食品废物中酶混合物生产的设计原理

酶混合物辅助水解的性能在很大程度上取决于酶生产系统的效率。本节回顾了从食品废物中生产酶混合物的主要策略，重点关注微生物群落构建和过程强化。这些策略共同建立了提高水解效率和适应异构食品废物原料的酶生产的关键设计原理。

### 酶混合物驱动的多路径资源回收

高效水解食品废物的复杂成分仍然是其增值过程中的主要技术瓶颈之一。此类废物的异构特性——通常是淀粉、纤维素/半纤维素、蛋白质、脂质、矿物质和残余惰性分数的混合物——对传统处理构成了挑战，尤其是当目标不仅仅是稳定废物而是提取价值时（Wu等，2021）。一条有前景的途径是使用酶混合物强化水解……

### 将酶混合物概念转化为工程规模系统

尽管酶混合物辅助水解在实验室规模已显示出相当大的潜力，但其实际价值最终取决于有效整合到现有食品废物处理设施中。因此，本节讨论了潜在的改造策略和促进工程实施与大规模应用的关键运行约束。

### 迈向适应性数据驱动的循环生物炼制厂

基于酶混合物的食品废物增值技术已展现出强大的应用潜力，为资源回收和碳减排提供了可持续途径。然而，要实现大规模工程部署，必须解决若干关键挑战（Kanwal等，2024）。在菌株优化、反应器工程、产品多元化、智能过程控制和系统级评估方面的突破对于充分发挥其潜力至关重要……

### 结论与展望

高含水率、组成异构和强生物降解性的食品废物加速产生，对实现可持续和高效的废物管理构成了持续障碍。传统处理方法，如焚烧和堆肥，仅提供部分解决方案，通常以高能耗、养分损失和二次污染为代价。相比之下，本文表明酶催化水解提供了一种选择性、温和和……

## 利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。在稿件准备过程中，使用了ChatGPT进行语言编辑和可读性改进。

## 致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：52300093，U24A20188）、中央高校基本科研业务费（040-63263220，040-63251246）、中国高层次人才计划（资助Y. Liu）以及河南省重大研究项目（编号：241111321400）的资助。

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