《Fermentation》：Fermented Agri-Food By-Products from Tubers and Legumes as Next-Generation Functional Ingredients: From Waste Valorisation to Precision Nutrition
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加工马铃薯、甘薯、木薯和山药等块茎类作物，以及大豆、豌豆、鹰嘴豆、菜豆和小扁豆等豆类作物，会产生大量的皮、果肉、壳和压榨饼，这些副产物尽管常被丢弃，但仍保留了相当可观的营养和功能价值。微生物发酵已成为一种低成本和可规模化的方法，可将这些残渣增值为具有改善消化性
加工马铃薯、甘薯、木薯和山药等块茎类作物，以及大豆、豌豆、鹰嘴豆、菜豆和小扁豆等豆类作物，会产生大量的皮、果肉、壳和压榨饼，这些副产物尽管常被丢弃，但仍保留了相当可观的营养和功能价值。微生物发酵已成为一种低成本和可规模化的方法，可将这些残渣增值为具有改善消化性和增强生物活性化合物含量的功能性配料。本研究综述了主要块茎和豆类副产物的组成、用于其生物转化的固态发酵（solid-state fermentation, SSF）和液态深层发酵（submerged fermentation, SmF）系统，以及通过发酵实现的生化和功能转化，包括抗氧化活性、益生元潜力、抗高血糖特性和蛋白质品质的改善。此外，还探讨了这些发酵副产物在烘焙产品、乳制品替代品、零食、营养保健品以及与肠道微生物组引导的精准营养（precision nutrition）这一概念相关领域中的新兴应用。对持续存在的挑战，包括组成变异性、安全性监测和监管分类，以及解决这些局限性的策略进行了批判性评估。总体而言，基于发酵的块茎和豆类残渣增值是一种科学可信且环境可持续的策略，可将农业食品废弃物流转化为增值的功能性营养配料。
**1. 引言**
全球农业食品系统约有三分之一的食品成为损失或废弃物。马铃薯加工产生的皮、果肉和果汁组分可占原料块茎质量的四分之一；木薯、甘薯和山药加工产生富含残余碳水化合物、纤维和酚类化合物的皮和压榨饼。豆类加工产生的大量豆渣（okara）、种皮和壳保留了相当的蛋白质、纤维和植物化学成分，但常被填埋或用作低价值动物饲料。微生物发酵作为一种低能耗、保护食品基质完整性并同时提高安全性、消化性和功能特性的方法，已成为废弃物增值的可持续途径。此外，精准营养领域表明饮食反应具有高度个体化特征，受遗传、肠道微生物组组成和生活方式影响，为发酵副产物与个体化饮食策略的融合创造了契机。
**2. 综述方法**
本综述采用叙述性方法，系统检索了Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar数据库，使用块茎副产物、豆类副产物、豆渣、木薯皮、马铃薯皮、固态发酵、液态深层发酵、功能性配料、生物活性化合物、肠道微生物组和精准营养等关键词组合，纳入2000年至2026年间以英文发表的同行评审原创研究、综述及相关书籍章节。
**3. 块茎和豆类农业食品副产物：来源、产量、组成与处理**
马铃薯皮富含绿原酸和糖苷生物碱如α-茄碱和α-卡茄碱；马铃薯果肉和果汁保留的高营养品质蛋白质在氨基酸平衡上可比肩蛋清蛋白或大豆蛋白。甘薯加工残渣含有淀粉、非淀粉多糖和花青素。木薯皮含有亚麻苦苷等生氰糖苷，需脱毒处理。豆渣干重约含50%膳食纤维和20–30%蛋白质，并含有以糖苷形式为主的异黄酮；豌豆、鹰嘴豆和小扁豆的壳和种皮富含不溶性膳食纤维和酚类化合物。副产物的物理形态和水分含量决定了适用的加工路线，季节性和地理集中性影响原料批次间的一致性。
**4. 副产物增值的发酵技术**
固态发酵（SSF）适用于纤维质残渣，需水量少、单位体积生产率高；液态深层发酵（SmF）适用于液态副产物，可更好地控制pH、通气和养分条件。乳酸菌（LAB）中的植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和戊糖片球菌通过产酸、合成胞外多糖和修饰淀粉颗粒改善产物特性。丝状真菌如少孢根霉、曲霉属和侧耳属通过分泌淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶，降解复杂碳水化合物和蛋白质、降低生氰糖苷并增加可溶性蛋白质。酿酒酵母可单独或与细菌联用实现木薯皮脱毒和蛋白质富集。在豆渣发酵中，根霉和曲霉产生的β-葡萄糖苷酶将异黄酮糖苷转化为更易吸收的苷元形式。混合培养的菌株间存在竞争、交叉喂养和代谢物介导抑制效应，发酵结果具有高度菌株和顺序依赖性。水分含量、温度、时间、接种量以及自然发酵与定向发酵剂的选择均显著影响发酵成效。工业放大涉及传热传质限制、反应器构型设计以及过程控制的系统性再优化。
**5. 发酵过程中的生化和营养转化**
发酵驱动多种生化变化：淀粉和非淀粉多糖被部分水解，增加可溶性纤维和可发酵低聚糖；结合态酚类化合物通过微生物酯酶和糖苷酶作用释放；蛋白质被水解为具抗氧化、抗高血压或抗菌活性的肽段和游离氨基酸；植酸、单宁、胰蛋白酶抑制剂和生氰糖苷等抗营养和毒性成分被降解。这些转化相互关联：细胞壁降解酶使微观结构变得疏松多孔，既释放结合态酚类又改善酶对底物的可及性。在豆渣发酵中，β-葡萄糖苷酶将大豆苷和染料木苷转化为大豆苷元和染料木素。在木薯副产物中，发酵通过linamarase酶同时实现营养强化和脱毒。然而发酵时间过长可能导致微生物进一步代谢已释放的酚类化合物，降低其抗氧化活性，因此过程优化至关重要。
**6. 发酵副产物的功能和生物活性特性**
发酵马铃薯皮和甘薯残渣提取物的DPPH自由基清除活性持续高于未发酵对照，归因于游离酚含量增加以及新形成的类黑素和肽类抗氧化剂。发酵豆渣表现出抗糖尿病、抗肥胖、抗高脂血症和抗氧化活性。发酵增加可溶性和低分子量氮组分比例，降低胰蛋白酶抑制剂活性和植酸含量，从而改善蛋白质和矿物质的生物可及性。发酵产生的可溶性膳食纤维和低聚糖具有益生元潜力，可选择性支持有益肠道菌群。发酵还改变风味特征和水油持留能力、粘度及凝胶行为，使其可作为脂肪、鸡蛋或亲水胶体的替代物。
**7. 在功能性食品和营养保健品中的应用**
在烘焙和谷物产品中，发酵马铃薯和甘薯淀粉可作为无麸质配方中木薯淀粉的功能性替代物，改善面包屑结构；发酵豆渣粉和豆类壳组分被用于饼干、面包和挤压零食的纤维和蛋白质强化。在乳制品替代品领域，马铃薯蛋白分离物结合高压均质可制备无稳定剂的类酸奶产品；豆渣被开发为发酵酱料和功能性饮料。发酵木薯皮和木薯-大豆残渣主要用于安全、营养强化型动物饲料，脱毒和蛋白质富集原理正逐渐应用于人食级木薯配料。发酵提取物还被探索作为营养保健品和化妆品原料。成功应用需管理添加水平和粒径等配方因素，消费者接受度则依赖于对可持续性效益的清晰沟通。
**8. 从废弃物增值到精准营养**
精准营养旨在基于个体遗传背景、代谢特征、肠道微生物组和健康状况制定个性化饮食策略。发酵食品因含有嵌入食品基质中的微生物群落、有机酸、生物活性肽和生物转化植物化学物，对精准营养具有特殊相关性。发酵块茎和豆类副产物提供的可溶性纤维和低聚糖可支持有益肠道微生物生长，异黄酮苷元和酚类化合物的代谢与肠道微生物组密切相关。通过菌株选择和发酵条件优化可定向生产具有特定功能特性的发酵产物。然而现有证据主要来自机理研究和小规模干预试验，尚需更大规模的人体研究验证。
**9. 挑战、安全与监管考虑**
主要障碍包括：组成变异性导致发酵动力学和最终产品规格不一致；糖苷生物碱、生氰糖苷、真菌毒素和病原体需批量水平的分析验证；固态发酵放大过程中的氧扩散、温度和湿度梯度等传热传质限制；新型食品地位、许可菌株和健康声称方面的监管不确定性；以及精准营养声称的人体证据不足。固态发酵和液态深层发酵在放大中各有不同的工程挑战，工业上偏好的工艺取决于产品、菌株和底物特性。
**10. 未来展望**
多组学表征结合代谢组学、蛋白质组学和微生物群落测序可阐明发酵剂、工艺参数与生物活性化合物谱之间的机制联系，推动从经验优化转向理性设计。机器学习辅助工艺建模有助于解决放大中传热传质难题。分层人类干预研究需将特定发酵副产物与个体微生物组和代谢表型配对以证实精准营养声称。整合生物精炼策略可从同一底物回收多种价值流。跨区域安全与监管框架的协调统一及有效消费者沟通将有助于建立市场信心。
**11. 结论**
发酵为将块茎和豆类农业食品副产物转化为具有增强生物活性、改善消化性和降低抗营养负荷的功能性配料提供了技术稳健、成本相对较低且环境友好的途径。现有证据表明发酵可提高抗氧化能力、改善蛋白质品质、增加益生元膳食纤维水平并增强植物化学物生物利用度。发酵副产物在精准营养中具有潜在作用，但尚需在多样化人群中开展设计良好的人体干预研究。解决组成变异性、安全性验证、放大工程和监管协调问题是实现实验室成果向商业化转化的必要前提。
