综述：发酵驱动的乳清大分子重塑：机制、功能结果及工业启示

《Food Hydrocolloids》：Fermentation-driven remodeling of whey macromolecules: Mechanisms, functional outcomes, and industrial implications

　　

摘要

乳清是一种富含蛋白质和碳水化合物的乳制品副产物，具有显著的增值潜力，但由于传统分级技术成本高且能耗大，其利用率仍然很低。发酵提供了一种生物驱动、可扩展的替代方案，通过微生物介导的酶促反应和代谢级联从根本上重塑乳清大分子。本综述批判性地考察了发酵引起的乳清蛋白、糖蛋白及相关碳水化合物分级的结构、构象和相互作用的变化。我们阐述了菌株特异性蛋白酶解系统、pH依赖性构象展开以及非蛋白酶解转化（如糖基化、酚类-蛋白质络合和微生物转糖苷作用）如何控制大分子的水合状态、界面行为和网状结构组装。整合蛋白质组学和代谢组学证据表明，最佳生物活性和基质稳定性出现在取决于底物的水解度范围内：甜乳清（天然蛋白构象）为8–12%，酸乳清（部分变性蛋白）为6–10%，预热处理乳清（暴露的疏水结构域）为10–15%。超过这些阈值后，过度裂解会破坏功能性表位，通过疏水的3–8个残基肽段引发苦味，或暴露出新过敏原。通过建立发酵介导的乳清重塑的结构-功能框架，本研究将微生物生物加工定位为工程化下一代亲水胶体功能化乳制品基质的精密工具，符合循环生物经济和可持续食品系统目标。

引言

乳制品行业是全球食品经济的核心支柱之一，过去十年间全球产量年均增长约2.5%（Mickiewicz & Volkova, 2022）。在该行业中，奶酪生产因其营养价值、文化多样性和广泛消费而占据中心地位（Ostaric等, 2022）。奶酪制作依赖通过酶促或酸诱导机制使牛奶蛋白（主要是酪蛋白）凝固，不可避免地产生大量乳清副产物（Coklar等, 2025）。尽管乳清具有内在的分子和功能价值，但目前全球仅有约42–60%的乳清产量得到增值利用，主要用于低价值应用，如动物饲料、肥料或散装蛋白浓缩物（Elkot等, 2024）。其余部分经常被排入水生环境，其中高浓度的可生物降解大分子和乳糖显著增加了化学和生物需氧量（BOD/COD）、富营养化以及更广泛的环境负担（De Almeida等, 2023; Czarniecka-Skubina等, 2025）。

超滤、反渗透和色谱分离等技术已被广泛用于乳清分级。虽然这些技术能有效分离高纯度分级产物，但其大规模应用受到高资本投资、高能耗（约2–5 kWh/m3）、膜污染和复杂下游处理过程的限制（Reig等, 2021）。相比之下，发酵提供了一种经济有效、可扩展且生物驱动的乳清增值策略。发酵过程利用微生物代谢将乳清大分子转化为有机酸、生物燃料、抗菌化合物、风味分子和功能食品成分（Briao等, 2024; Castillo等, 2020; Barba, 2021）。关键在于，这些转化是通过直接影响乳清生物大分子结构、组装和功能性的酶促和代谢相互作用来实现的。

对可持续食品系统和循环生物经济原则的日益重视进一步提升了发酵作为战略技术的地位（Carvalho等, 2021）。微生物转化乳制品副流与多项联合国可持续发展目标（SDGs）相一致，特别是SDG 2（零饥饿）、SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 13（气候行动），通过封闭养分循环、减少温室气体排放和产生促进健康的生物活性物质（Gabriele等, 2026）。此外，精密发酵、合成生物学和人工智能驱动的生物过程控制方面的最新进展正在重新定义如何选择性地重塑乳清大分子为靶向功能成分，而无需依赖传统农业或资源密集型提取（Singh & Kumar, 2025）。

虽然现有的综述已从营养学、技术或应用角度探讨了乳清（Minj & Anand, 2020; Thampy等, 2022; Bandara等, 2023; Abish等, 2024; Zeng等, 2024），但相比之下，对支撑所观察功能性的发酵诱导大分子转化的关注较少。此外，发酵与物理/化学增值途径之间的关键比较、酶-底物动力学的机制洞察以及实际的工业转化仍然缺乏探索。因此，本综述聚焦于发酵驱动的乳清生物大分子的结构、构象和相互作用变化，重点关注乳清蛋白、糖蛋白和碳水化合物衍生物。

通过以生物大分子作为主要分析单元，本综述架起了微生物生物加工与大分子结构-功能关系之间的桥梁，评估了技术经济和规模化挑战，并提供了一个分子框架来支持安全、功能性和商业可行乳清基产品的合理开发。

章节片段

乳清作为生物大分子的复杂基质

乳清是奶酪制作过程中产生的营养丰富的结构复杂副产物，由异质的生物大分子混合物组成，其组成和理化性质差异较大（图1A）。这种变异性源于多种因素，包括乳清类型（甜乳清vs.酸乳清）、牛奶来源（牛乳、山羊乳、水牛奶）、动物饲料、泌乳阶段、季节性生产和奶酪制作条件。甜乳清（pH 5.0–6.3）保留了更高的天然蛋白

发酵剂选择与微生物相互作用

发酵剂选择决定了乳清发酵的功能轨迹，需要在蛋白酶解能力、酸化速率和代谢相容性之间取得平衡（图1B）。单菌株嗜热链球菌或乳乳杆菌常用于靶向肽释放，但其狭窄的底物特异性往往导致水解不完全或快速酸诱导蛋白酶失活（Rul等, 2022）。共培养系统通过代谢

乳清生物加工中的组学框架

蛋白质组学和代谢组学方法为阐明复杂食品基质中发酵诱导的生物大分子转化提供了高分辨率分析框架（Jia等, 2025）。在乳清发酵中，蛋白质组学在蛋白和肽水平解析变化，而代谢组学捕获大分子修饰或微生物代谢下游产生的低分子量产物（Guclu等, 2024）。

为说明整合应用的实用价值

工业化放大与技术经济障碍

尽管技术进步，工业乳清利用仍然受限（图4）。膜和色谱系统能达到高纯度，但面临膜污染、高能耗（约2–5 kWh/m3）以及食品级分离物严格监管要求带来的可扩展性限制（Reig等, 2021; Czarniecka-Skubina等, 2025）。发酵提供较低的资本成本和更温和的加工条件，但引入了污染控制、菌株稳定性

结论与未来展望

发酵已成为重塑乳清大分子的精密策略，将大量乳制品副产物转化为功能定制的亲水胶体、生物活性肽和益生元寡糖。通过利用菌株特异性蛋白酶解和pH依赖性构象展开，微生物生物加工调节大分子的水合状态、界面活性和网状结构组装。然而，工业转化仍然受到原料异质性、不一致

CRediT作者贡献声明

Cheng Kuan-Chen：监督指导、项目管理。Jafari Saeid：撰写 – 审阅与编辑。Lin Hui Wen：撰写 – 审阅与编辑、概念化。Salazar Feliz Louie：撰写 – 初稿、概念化。Mopera Lotis E.：撰写 – 审阅与编辑、监督指导。Hsieh Chang Wei：撰写 – 审阅与编辑。Swiader Katarzyna：撰写 – 审阅与编辑。Bou Mitri Christelle：撰写 – 审阅与编辑

未引用参考文献

Gabriel, 2022; Garrido-Escárcega等, 2026; Ge等, 2024; Han等, 2024; Hu等, 2025; Hu等, 2020; Irazoqui等, 2023; Mickiewicz和Volkava, 2022; Olvera-Rosales等, 2023; Qu等, 2021。

披露声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由台湾国家科学及技术委员会（NSCT，台湾）（NSCT 112-2221-E-002-040-MY3及NSCT 112-2320-B-002-013-MY3）和菲律宾科技部 – 科学教育学院（DOST-SEI）加速科学技术人力资源开发计划（ASTHRDP）资助。作者还感谢Diana Bogueva博士对本文稿的审阅和编辑。

Feliz Louie Salazar | Hui-Wen Lin | Saeid Jafari | Christelle Bou-Mitri | Katarzyna Swiader | Chang-Wei Hsieh | Lotis E. Mopera | Kuan-Chen Cheng

圣多美大学食品技术系，马尼拉 1015，菲律宾