综述：酵母生物吸附的结构基础与分子机制：用于食品安全与营养

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Structural Basis and Molecular Mechanism of Yeast Biosorption: for Food Safety and Nutrition

　　

酵母广泛用于食品加工，但其独特的细胞结构及由此产生的生物吸附潜力仍未得到充分利用。研究人员在PubMed和ScienceDirect等数据库中进行了文献检索，结合了包括酵母生物吸附、食品污染物、生物活性化合物和生物吸附强化在内的相关关键词组合。该检索特别聚焦于涉及食品或食品相关系统的研究。本叙述性综述阐明，由酵母细胞膜（主要为甘露聚糖层）介导的快速、被动表面生物吸附符合准二级动力学以及Langmuir/Freundlich等温线，而主动的、能量驱动的胞内积累在痕量水平下占主导地位。在食品安全方面，经优化的酵母介导过程可在复杂基质中实现70%–90%的重金属（Pb²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺）和真菌毒素（棒曲霉素、赭曲霉毒素A）的去除，显著降低其体内生物利用度。此外，酵母还可作为敏感生物活性物质的保护性载体，提高其胃肠道稳定性和生物利用度（例如，茶多酚的生物利用度从12.2%提高至73.2%）。通过表面展示基因工程、碱预处理（使多酚负载量提高93.2%）以及物理强化（超声处理或真空灌注等）可进一步提升生物吸附性能。最终，向工业化食品应用过渡需要表征复杂的酵母-基质相互作用，并策略性利用活酵母平台中的主动代谢网络。

1 引言
全球食品产量持续增长，但污染和营养质量问题依然严峻。重金属通过工业排放和农业投入进入植物，进而污染水果及其加工品（如果汁、葡萄酒），也可通过受污染的饲料和水进入乳制品链。此外，储存不当会增加真菌毒素污染风险，例如黄曲霉毒素（AFs）和赭曲霉毒素。现代主食加工常导致天然生物活性化合物含量下降，从而增加了对功能性成分和递送系统的需求。在此背景下，酵母生物吸附在食品系统中受到关注。酵母作为现代食品、饮料和烘焙工业的基础，其细胞结构和蛋白质组学研究的进展拓展了其除发酵外的功能应用。酵母细胞可通过表面生物吸附和胞内摄取截留外源化合物，为食品安全和营养强化提供了基础。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）生物质已显示出对有毒重金属（如Pb²⁺、Cd²⁺）和真菌毒素（如黄曲霉毒素、棒曲霉素）的有效生物吸附能力。此外，酵母细胞还可作为多酚、维生素和亲脂性营养素等生物活性化合物的天然载体，实现吸附、保护降解和受控释放。酵母结合污染物的有效性主要归因于其细胞壁（CW）组分的理化性质，包括多糖、蛋白质和脂质。酵母基生物吸附剂的关键优势包括低成本、食品级安全性以及与异质食品环境的相容性。此外，相关研究中使用的多数酵母菌株在食品工业中具有悠久使用历史，并被主要司法辖区认可为食品成分或添加剂，从而提供更高的安全保障并促进法规批准和市场转化。然而，目前食品系统中酵母生物吸附的研究仍较为零散，缺乏从机制原理到实际应用的综合整合。本叙述性综述旨在提供食品相关应用中酵母生物吸附的结构化综合，首先概述生物吸附的结构和物理化学机制，然后讨论其在去除重金属和真菌毒素以及提取、稳定化和递送生物活性化合物方面的作用，最后评估包括细胞表面工程、菌株选择和预处理方法在内的生物吸附性能增强策略。

2 材料与方法
本叙述性综述通过检索ScienceDirect、PubMed和Wiley Online Library数据库，使用“yeast”“S. cerevisiae”“biosorption”“heavy metal”“mycotoxin”“bioactive compounds”“food matrix”等关键词及其组合，并补充“cell surface display”“genetic engineering”等强化策略术语。通过筛选参考文献列表补充额外记录。去重后筛选标题和摘要，共获得238篇全文评估文献。纳入标准为与食品相关基质中酵母生物吸附相关的研究，优先考虑报告生物吸附容量、动力学、等温线或强化策略的研究。排除环境废水处理或涉及非生物吸附机制的研究。随后进行叙述性综合，按机制见解、应用领域和强化策略组织结果。

3 酵母生物吸附的物质基础与潜在机制
3.1 酵母细胞的结构
酵母细胞壁（CW）是生物吸附的主要介导者，占细胞干重的15%–30%。其主要由多糖（80%–90%）组成，并含有少量菌株特异性的蛋白质和脂质。结构上，CW呈双层结构：内层为β-1,3-葡聚糖与β-1,6-葡聚糖及几丁质交联形成的三维晶格，提供机械刚性；外层的甘露糖蛋白高度糖基化（聚糖含量>90%），其O-和N-连接甘露聚糖侧链中的磷酸二酯键赋予细胞表面净负电荷，有利于阳离子重金属和真菌毒素的螯合。以毕赤酵母X33为例，完整细胞对Cu²⁺的去除率为41.1%（6.2 mg/g），机械破碎后容量增至16.13 mg/g；分离的CW具有比胞质组分更高的生物吸附容量和更快动力学（15 min达平衡），其中甘露聚糖组分的去除效率（34%）显著高于葡聚糖组分（12%）。这表明CW尤其是富含甘露聚糖的外层是外源分子物理化学螯合的主要功能位点。

3.2 酵母生物吸附的潜在机制
酵母对外源分子的螯合是一个复杂的双相过程，包括不依赖代谢的表面生物吸附和依赖代谢的胞内生物积累。
3.2.1 不依赖代谢的表面生物吸附：表面生物吸附是在细胞被膜发生的快速被动过程，主要驱动因子是CW基质中的胺基、羧基和巯基等官能团与配体间的非共价相互作用，以及多孔超微结构内的物理截留。离子交换机制是这一阶段的关键组分，金属阳离子与带负电多糖结合伴随H⁺或轻金属离子的化学计量流出。该过程纯属物理化学性质，因此在活性、热灭活和非活性酵母生物质中螯合容量保守。表面相互作用的可逆性允许使用EDTA等螯合剂进行化学解吸，从而实现生物吸附剂再生和离子回收。
3.2.2 影响被动生物吸附效率的因素：被动生物吸附效率受CW宏观形态和生化组成深刻影响。具有较高CW厚度/细胞直径比值的菌株对赭曲霉毒素A（OTA）和玉米赤霉烯酮（ZEA）等真菌毒素表现出强螯合能力。CW多糖构象是决定性因素，例如采用单股或三股螺旋构象的碱不溶性β-d-葡聚糖而非与几丁质高度交联的网络，可增强反应官能团的空间可及性，从而增加ZEA结合容量。对于生物活性化合物，酵母CW通过疏水相互作用和氢键为多酚、花青素和类胡萝卜素等敏感分子提供封装支架。生化上，较高的净负表面电荷利于二价阳离子（如Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺）的静电螯合和离子交换，而较高的表面疏水性可能促进与亲脂性生物活性化合物的相互作用。重金属结合以电荷驱动为主，而真菌毒素和生物活性分子的螯合更依赖疏水相互作用、氢键和CW基质中的物理截留。
3.2.3 依赖代谢的胞内生物积累：当胞外离子处于痕量水平时，胞内生物积累成为主要途径。该过程依赖质膜转运蛋白、胞内金属伴侣和库酶的协同作用。以铜为例，酿酒酵母中Cu²⁺摄取由细胞表面金属还原酶Fre1/Fre2还原为Cu⁺，然后通过高亲和力跨膜蛋白Ctr1和Ctr3内化。Ctr1胞外N端富含甲硫氨酸和丝氨酸，提供Cu⁺特异性配位位点。内化后Cu⁺被胞内金属伴侣（如Cox17、Lys7）快速螯合，维持极低自由Cu⁺水平，形成持续摄取的强热力学梯度。铜稳态受严格调控，铜充足时CTR1/2/3转录下调和Ctr1蛋白降解，铜限制时通过Ctr2动员液泡铜储存。此外，这些金属转运系统具有相对广泛的底物特异性，允许摄入非必需或毒性金属，如低亲和力铁转运蛋白Fet4可介导Ni²⁺、Cd²⁺和Co²⁺的积累。

3.3 酵母生物吸附的动力学与平衡等温线
量化评估主要采用准一级（PFO）和准二级（PSO）动力学模型以及Langmuir和Freundlich等温线模型。PFO模型呈现多线性特征，初始快速阶段对应外部传质和表面积累，随后为受颗粒内扩散或吸附质结构重排控制的衰减阶段。但PSO模型更常用，且通常获得高决定系数（R²），表明限速步骤通常由涉及酵母CW官能团与吸附质之间电子共享或交换的化学吸附主导。Langmuir和Freundlich等温线用于评估热力学平衡和生物吸附容量。Farhan和Khadom（2015）对酿酒酵母吸附Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺、Co²⁺和Zn²⁺的研究显示PSO模型拟合优（R² > 0.95），并识别出三阶段吸附动力学曲线；Langmuir和Freundlich等温线均获得高预测精度（R² > 0.95）。Rubio等（2018）整合PSO动力学与Freundlich、Temkin和Dubinin–Radushkevich等温线分析葡萄渣多酚的生物吸附，发现最佳等温线拟合对预处理方法高度敏感，反映了CW结构修饰（如β-葡聚糖暴露或甘露糖蛋白降解）对热力学亲和力的影响。

4 酵母对重金属的生物吸附
4.1 食品中常见重金属危害
食品链中的重金属污染威胁食品安全。植物通过非选择性摄取途径积累有毒金属（Cd、Cr、Pb、Hg），其毒理机制具有金属特异性：Cd蓄积于肾和肝组织；Pb干扰钙信号并置换必需阳离子，造成神经发育风险；Hg与巯基形成稳定键，诱导神经和肾毒性。即使必需元素Cu在浓度升高时也有害，尤其在发酵中，残留Cu抑制酵母糖转运蛋白和糖酵解酶，导致发酵停滞和乙醇产量下降。

4.2 食品系统中酵母对重金属离子的生物吸附
酵母介导的重金属生物吸附涵盖从原位发酵到工程化处理系统及复杂食品基质。
4.2.1 发酵过程中的原位螯合：在发酵饮料中，酿酒酵母兼具发酵剂和原位生物吸附剂双重角色。早期研究认为Cu²⁺螯合仅局限于细胞被膜，但后续在生理条件下（≤19.2 mg/L）发现Cu²⁺从表面内化至胞质。代谢活性细胞的去除效率（72%–81%）显著高于非活性生物质（17%–23%），表明被动吸附启动后，主动代谢转运在痕量金属水平下主导螯合。该机制对饮料工业至关重要，既可修复污染物又可防止铜诱导的发酵停滞。
4.2.2 用于液体食品修复的离体工程化系统：连续流生物吸附系统利用活性酵母生物质在10–180 mg/L浓度范围内对Cu²⁺和Pb²⁺表现出稳健容量，遵循Langmuir等温线模型。活细胞在这些连续系统中的优越性能证实了表面结合与胞内生物积累协同的双元机制，为传统化学沉淀提供了经济有效的替代方案。
4.2.3 复杂食品基质中的生物吸附优化：在乳制品等高蛋白、高脂基质中，响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）可优化pH、生物质密度和接触时间等参数，实现十亿分率（ppb）级别的高效去除。优化后的酵母基工艺在精制系统中对Hg²⁺去除率接近90%，在牛奶基质中对Hg²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺的去除效率超过70%。总体而言，重金属生物吸附经历初始被动物理化学吸附和后续能量依赖性胞内转运两个阶段，活性酵母细胞尤其适用于食品中痕量重金属的螯合，但高浓度重金属离子会损害酵母代谢活性。

5 酵母对真菌毒素的生物吸附
5.1 食品中真菌毒素的危害
真菌毒素（来自曲霉属、青霉属和镰刀菌属的低分子量代谢产物）通过感染作物进入食物链并转移到动物源性产品。ZEA和脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）的检出率在某些地区高达60%–80%。不同毒素毒理机制各异：AFB1为强效肝癌原（IARC一类），造成肝损伤和遗传毒性；OTA通过线粒体破坏和蛋白质合成抑制诱导肾毒性；ZEA作为内分泌干扰物结合雌激素受体；PAT通过修饰巯基使酶失活，导致胃肠道和神经损伤。
5.2 食品系统中酵母对真菌毒素的生物吸附
相比物理化学方法，微生物生物吸附具有高分子特异性和环境相容性。酵母，尤其酿酒酵母，作为公认安全（GRAS）试剂具有非致敏性和遗传稳定性等优势。酵母细胞被膜是真菌毒素螯合的主要功能位点。例如，PAT去除实验中完整细胞效率最高，原生质体显著降低；傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明CW多糖中的羟基（-OH）、胺基（-NH）和C–O基团参与结合。通过调节CW生物合成可增强吸附能力，例如外源Ca²⁺（10 mM）通过钙调磷酸酶依赖转录因子Crz1激活MID1和CRZ1等基因，提高β-1,3-葡聚糖和β-1,6-葡聚糖含量，从而增强PAT去除。对于脱毒有效性，酵母–真菌毒素复合物需在胃肠道条件下稳定。克菲尔来源的Kazachstania servazzii KFGY7菌株与毒素复合物仅释放33%结合毒素，而整粒克菲尔颗粒释放65%，表明酵母CW可有效截留真菌毒素直至粪便排出。动物试验中，酵母细胞壁提取物（YCWE）可使OTA肝脏负荷降低约30%。与重金属不同，真菌毒素螯合主要依赖CW组分的被动物理化学吸附而非胞内摄取，同时代谢活性细胞的酶促生物转化可能进一步降低毒素总量。

6 酵母对食品生物活性化合物的生物吸附
6.1 生物活性化合物的螯合
酵母CW和胞质含有丰富的蛋白质、多糖和脂质官能团，可与多酚配体配位。超声辅助生物吸附（394.2 W/L）使用废啤酒酵母回收蓝莓花青素，发现靶标分子的立体化学构象决定螯合效率：锦葵素-3-O-葡萄糖苷亲和力（34.4%）高于其半乳糖苷（25.0%）；黄酮醇类中金丝桃苷效率最高（39.8%），优于芦丁（25.0%）和杨梅素（24.2%）。FTIR和XRD证实酚类配体物理插入无定形酵母基质。Ribeiro等（2021）使用酿酒酵母螯合茶多酚，在碱预处理（pH 10.0）条件下平衡容量达白茶7.07 mg/g和绿茶6.22 mg/g，ATR-MIR光谱在3291 cm^-1处显示O–H伸缩振动差异。Pedro等（2026）使用啤酒废酵母（BSY）从果汁残渣乙醇提取物中回收生物活性化合物，盐处理酵母对总酚生物吸附容量为51.97 mg/g。
6.2 稳定性与生物可及性的增强
酵母细胞的超微结构和生物大分子可物理保留生物活性化合物，形成保护性微环境，防止其在食品加工和胃肠道中降解。酵母-茶多酚复合物的生物可及性达73.2%，而游离提取物仅12.2%；吸附在未处理和盐处理酵母上的酚类化合物生物可及性为24.73%–68.79%和33.72%–59.76%，远高于乙醇提取物（低于8%）。高胆汁盐浓度（25 mg/mL）可触发姜黄素快速释放（1小时内>80%），而胃蛋白酶对CW完整性无影响。酵母生物吸附还可稳定维生素D3，真空生物吸附后BSY微粒在口服和胃期完全保护维生素D3，肠道期爆发释放69.14%。
6.3 挥发性风味化合物的捕获
酵母封装挥发性风味化合物需在口腔中快速释放，释放机制由CW选择性渗透性和风味配体热力学分配系数（log P）决定。外层甘露糖蛋白层限制分子量低于700 Da且流体动力学半径小于0.85 nm的分子的扩散。亲脂性化合物（logP > 2.0）通常达到50%以上的封装效率（EE），但分子极性常比亲脂性更重要，例如己酸EE为45%，己醛仅为4%。C10乙酯EE仅15%–20%，而支链乙酯和反式异构体具有更好的基质结合。跨CW扩散主要受水合孔内挥发物水溶性热力学限制。酵母生物吸附剂在提取和封装中发挥双重功能，生产上常采用灭活细胞或去胞质CW颗粒以最大化稳定性，但完整活细胞因胞内细胞器提供额外结合位点可能表现出更优性能。

7 增强酵母生物吸附的策略
7.1 基于酵母细胞表面展示的金属结合工程
酵母细胞表面展示（YSD）利用糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-APs）将外源蛋白固定在细胞被膜上。凝集素系统是最常用的支架：α-凝集素系统直接将靶蛋白与C端GPI锚定融合；a-凝集素系统由GPI锚定的Aga1p亚基和靶蛋白融合的Aga2p亚基通过链间二硫键异二聚化。展示六聚组氨酸（hexa-His）标签和金属硫蛋白（MTs）可显著增强二价阳离子螯合。Kuroda等（2001）展示hexa-His的菌株GPMH6在pH 7.8下可耐受4.0 mM Cu²⁺，表面Cu²⁺吸附容量增八倍，EDTA可逆解吸促进生物吸附剂再生。串联重复酵母金属硫蛋白（YMT）四聚体（4×）和八聚体（8×）使Cd²⁺回收量较单体分别提高5.9倍和8.7倍。组合肽库筛选的NP肽（来源于Cupriavidus metallidurans的CXXEE基序）展示在100–150 μM浓度下使Pb²⁺螯合增加3.5–5.2倍，去除率高达95%，透射电镜显示CW上形成局部微沉淀。噬菌体展示筛选的Cd²⁺结合肽展示于Aga2p系统，使Cd²⁺螯合增加35%，并可通过海藻酸钙水凝胶固定实现可回收平台。
7.2 胞内螯合与遗传优化策略
7.2.1 金属硫蛋白理性遗传工程：异源表达超积累植物毛果杨（Populus trichocarpa）金属硫蛋白基因PtMT2b及其突变体PtMT2b(Y)可减轻Cd²⁺毒性，在20 μM Cd²⁺下细胞增殖增加37%；在30 μM Cd²⁺时胞内Cd²⁺螯合容量为野生型的30倍。重组酵母表达定制MTs对Cr⁶⁺和Pb²⁺的浓缩也有效。
7.2.2 进化与代谢重编程：通过常压室温等离子体（ARTP）诱变获得高铜积累突变株H247，其胞内铜含量较亲本Cu-5高55.8%。转录组分析表明差异表达基因富集于脂质生物合成正调控，提示脂滴作为铜储存库并促进铜向亚细胞区室转运。
7.2.3 自然遗传变异作为多样性螯合性状的基础：酿酒酵母、葡萄汁酿酒酵母（Saccharomyces bayanus var. uvarum）等在葡萄酒发酵中表现出固有OTA生物吸附差异，红色葡萄酒基质中株间变异更显著。Caridi等（2012）对亲本菌株及其46个减数分裂后代的分析显示，OTA生物吸附呈多基因数量性状遗传，子代残余OTA浓度低至0.60 ng/mL，而亲本为1.42–1.60 ng/mL，为定向选育提供理论基础。
7.3 增强生物吸附与负载的预处理策略
酵母细胞用作微囊化基质前常进行自溶或质壁分离预处理。自溶利用内源水解酶降解胞质组分，增加质膜通透性和空隙空间；质壁分离利用高渗剂使细胞脱水，增加负载体积但可能降低需要胞内大分子特异相互作用的封装效率。物理干预如超声、电穿孔和高压均质可选择性破坏细胞被膜。对于表面介导的生物吸附，热和化学预处理（乙醇、NaOH等）可暴露CW结合位点，乙醇渗透化对Cd²⁺和Pb²⁺螯合改善最大，碱处理最大化Cu²⁺吸附。碱预处理酵母对葡萄渣多酚生物吸附容量达198.28 mg/g，较天然生物质提高93.2%，且残余酚含量和生物可及性分别增加196%和147%。盐处理是一种新方法，盐处理酵母的吸附容量较未修饰酵母提高517%，平衡时间从360 min降至60 min，可能涉及渗透胁迫去除水分和可溶性化合物、增加胞内空间以及表面异质性。
7.4 生物螯合与封装的物理强化
7.4.1 超声介导的动力学增强：低频超声（20 kHz）通过声空化破坏边界层并诱导细胞被膜微穿孔。Tao等（2019）发现超声使啤酒废酵母对蓝莓酚类的吸附容量提高62.7%（达67.2 mg/g），外部传质系数增加128.5%，表面扩散系数增加74.3%。在非瑟酮封装中，333.3 W/L声能密度获得67.7% EE，同时保留90%抗氧化活性，扫描电镜显示空化压力波改变酵母表面形态和葡聚糖-甘露糖蛋白网络构象。
7.4.2 真空辅助浸渍与结构完整性：真空辅助生物吸附利用双相压力转变将配体富集溶剂驱动进入多孔细胞腔。Young等（2017）在1.0 kPa下处理5 s，使姜黄素负载动力学较被动扩散加速288倍，质量负载增加三倍；完整细胞的封装效率显著高于分离酵母细胞壁颗粒（YCWPs），表明完整细胞内结构提供额外结合界面。Costa等（2025）报道，真空辅助浸渍（?101.3 kPa）实现了维生素D3高负载（55.09%–96.95%），但完整酵母细胞在60天储存中保留31.2%有效载荷，高于质壁分离生物质的20.6%，表明维持天然细胞超微结构对肠道靶向释放至关重要。

8 结论与未来展望
本综述系统阐明了酵母介导生物吸附的结构基础、动力学机制和强化策略，强调其在脱除重金属和真菌毒素以及靶向封装生物活性营养物中的双重作用。通过整合先进遗传工程、靶向预处理和物理强化方法，酵母基生物吸附剂在多种食品应用中展现出显著效率。然而，真实食品基质中生物大分子（多糖、蛋白质、脂质）可能竞争吸附质、形成物理屏障并影响酵母代谢，从而深刻影响配体生物利用度和吸附剂完整性。实验室水相模型与真实食品基质之间存在显著差距。未来应在真实食品基质中开展直接比较评估，采用严格变量控制和定量目标监测。此外，遗传工程或化学处理生物吸附剂的安全性需严格认证，美国通过FDA GRAS途径审查，欧盟需作为新型食品获得上市前授权（法规(EU) 2015/2283），中国需通过“三新食品”途径进行安全评价。未来研究应通过跨学科验证和综合技术经济评估弥合概念验证模型与复杂食品系统之间的鸿沟。