《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Fermentation as a Functionalization Tool: Unlocking Agro-Food Residue Carbohydrates for Future Food Matrices
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农产品加工工业残渣（Agro-food industrial residues，AFIRs）代表了一类未被充分利用的顽固性碳水化合物来源，其食品应用受到较差的水合特性和感官特性的限制。然而，当前的物理或化学加工策略不足以实现精准调控，从而在残渣可利用性与食品适
农产品加工工业残渣（Agro-food industrial residues，AFIRs）代表了一类未被充分利用的顽固性碳水化合物来源，其食品应用受到较差的水合特性和感官特性的限制。然而，当前的物理或化学加工策略不足以实现精准调控，从而在残渣可利用性与食品适用性之间形成了关键缺口。本综述将发酵重新概念化为一种功能化工具，在循环生物经济框架内将这些残渣转化为高价值配料，以专门弥合上述缺口。其物理化学靶标可分为碳水化合物生物转化：不溶性纤维的结构解构、可溶性纤维的分子剪裁以及淀粉的营养改性。将过程工程与酶学机制相结合，展示了利用微生物系统对流变学、孔隙率和生物活性进行靶向调控的途径。本综述进一步探讨了这些功能化碳水化合物如何作为植物基食品中的质构改良剂，以及如何应用于细胞农业（cellular agriculture），包括作为替代碳源和培养肉的可食用支架。尽管可扩展性和监管挑战仍然存在，合成微生物菌群（synthetic microbial consortia）结合精准生物加工（precision bioprocessing）能够实现战略性碳水化合物工程，将农业副产物流转化为食品生产的可持续投入，从而为循环生物经济提供了一条切实可行的路径。
1 引言
农产品加工产生大量富含碳水化合物的残渣。全球估计显示，联合国环境规划署报告的食品浪费约为10.5亿吨，每年还有数十亿吨不可食用的作物副产品。这些物料流——包括谷物麸皮、水果果渣和油籽饼粕——含有大量结构碳，但其有效纳入人类食品系统仍受到限制。尽管减少浪费被广泛视为可持续性的必要举措，但将此类材料直接纳入食品配方通常在技术上不可行。源自副产物流的天然纤维通常受限于刚性的木质纤维素结构、有限的水结合能力以及不利的感官属性。常规方法（机械、化学或热加工）无法克服这些内在限制。因此，农产品加工残渣的大量供应与其在高价值食品产品中的可行应用之间仍存在关键缺口。推进循环生物经济因此不仅需要重新分配，更需要靶向改性。发酵已成为一种有前景的补充工具，其效果常通过适当的预处理策略得到增强。
发酵提供了实现这种转化的途径。超越其传统的保藏作用，发酵通过整合酶促水解和微生物代谢实现复杂底物的可控分子重构。本综述聚焦于从基于提取的利用向生物转化的转变，特别强调固态发酵（solid-state fermentation，SSF）。SSF为解构农产品残渣中的植物细胞壁网络提供了有效平台。通过选定的真菌和细菌菌群的作用，交联多糖可被水解，聚合物链长得以缩短，将不溶性、结构惰性组分转化为具有改善水合和流变性能的可溶性纤维。
这些改性的功能意义超越了常规纤维强化。残渣增值与细胞农业和精准发酵的发展之间存在新兴交叉。培养肉的经济可行性仍受限于基于葡萄糖的培养基的高成本以及可食用、可扩展支架材料的稀缺。源自发酵农产品残渣的水解产物代表了重组蛋白或生长因子生物合成的潜在替代碳源，从而减少对精制糖的依赖。同时，生物改性纤维和微生物聚合物，如细菌纤维素，表现出可调的孔隙率和生物相容性，支持其作为培养肉三维组织结构中可食用支架的应用。
在此背景下，本综述将发酵定位为农产品残渣的功能增强策略，其特点是采用结构-功能框架，根据物理化学靶标而非单纯加工技术对碳水化合物转化进行分类。本综述分析了发酵介导的三类碳水化合物改性：非消化性纤维、可消化淀粉和可发酵糖。综述强调了低价值物料流向植物基食品和细胞农业功能性配料的转化，同时探讨了监管和消费者接受度障碍，以实现有韧性的、碳水化合物驱动的循环经济，并最后对工业实施的转化路径和剩余挑战进行了前瞻性评估。
2 方法
本系统综述旨在识别并综合关于发酵作为功能化策略将农产品加工工业残渣转化为具有定制物理化学性质的高附加值碳水化合物配料用于下一代食品应用的证据。综述遵循PRISMA 2020指南进行。Web of Science作为主要数据库。检索涵盖2020年1月至2026年1月发表的所有英文研究论文、综述和技术报告。去重后，从主要数据库检索到322条记录。标题和摘要筛选排除了84条记录。对剩余238条记录进行全文评估，排除了168条不符合纳入标准的记录。最终，70条记录被纳入定性综合。尽管遵循PRISMA 2020指南，仍需承认若干局限性：单一数据库检索、仅限英文发表物以及未进行正式质量评估或偏倚风险评估。
3 通过微生物发酵实现纤维功能化
农产品加工工业残渣富含结构复杂的碳水化合物，主要是膳食纤维，由于溶解度有限和感官相容性差而未被充分利用。有效功能化取决于底物的物理化学性质。不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）主要需要结构解构，而可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）则受益于受控的分子改性。
3.1 发酵
3.1.1 固态发酵
固态发酵在30%–80%含水量下运行，接近丝状真菌的生态位，实现高效原位生物转化。真菌菌丝穿透顽固的固体基质，在微生物-底物界面直接分泌高浓度的木质纤维素酶。在茶渣中，使用菌株CZ-6和CZ-7的混合培养SSF破坏了纤维素网络，使结合多酚释放量增加7.6倍。回归分析证实纤维素酶和木聚糖酶活性与多酚释放呈正相关。然而，SSF存在放大限制，包括传质和传热限制、温度梯度以及严格灭菌带来的高运营成本。
3.1.2 均相系统中的精准生物催化
液体发酵（submerged fermentation，SmF）提供均相反应环境，支持对氧气供应、营养分布和代谢通量的精准控制。优化SmF条件使细菌纤维素/黄原胶纳米复合物生产率提高266%。SmF还支持协调的生物合成途径。然而，SmF通常产生大量废水，且农产品残渣通常需要能耗密集的物理预处理以实现高效转化。
3.1.3 微生物与酶学特异性
微生物选择决定驱动纤维转化的酶谱。丝状真菌如木霉属和曲霉属是IDF的主要降解者。混合培养表现出特别强的协同效应。乳酸菌与马克斯克斯克鲁维酵母共培养使酶谱多样化，酵母消耗单糖以缓解碳代谢物阻遏，而乳酸菌分泌有机酸削弱纤维间氢键，形成单菌株无法实现的互补催化途径。
3.2 发酵增值的关键途径
3.2.1 结构重塑与孔隙率发展
SSF过程中，酶促水解破坏氢键并部分降解结晶域，导致IDF逐渐软化。扫描电镜成像提供了直接微观证据，显示发酵后从致密光滑的天然纤维向疏松蜂窝状多孔结构的转变。值得注意的是，发酵后胡萝卜IDF的结晶度指数从约29%增至40%，这反映了微生物优先降解无定形纤维素，使有序结晶域相对富集。混合策略可放大此效应，如高压均质结合共发酵实现豆渣细胞壁近乎完全崩解。
3.2.2 功能增强
多孔结构的发展增加了比表面积并暴露了羟基和羧基等官能团，改善了水合和吸附性能。傅里叶变换红外光谱证实发酵纤维在3200–3400 cm-1（-OH）和1620–1640 cm-1（-COOH）处吸收带增强。发酵纤维的吸附性能高度依赖pH，在胃酸条件下质子化羧基结合亚硝酸盐，而在肠道中性pH下去质子化负电位点捕获胆固醇。
3.2.3 传统与新兴应用
改性IDF在传统食品系统中显示出作为高性能质构改良剂的潜力。发酵麦糟纤维可增强香肠硬度和弹性，同时通过物理吸附降低挥发性盐基氮和亚硝酸盐残留。发酵麦麸纤维改善了面团流变特性并显著降低面条蒸煮损失。在新兴应用中，功能化IDF正成为细胞农业中有前景的多孔支架，细菌纤维素具有极端持水能力和孔隙率，满足细胞培养要求。
3.3 可溶性膳食纤维的功能化
3.3.1 受控水解与分子量调控
SDF改性依赖于糖苷键的选择性断裂以调控分子量和组成。发酵不仅可提高SDF得率，还能改变单糖谱。分子量控制是关键，适度链修剪可避免完整长多糖的超高粘度以及过度降解片段的凝胶能力丧失。生物改性相比物理方法在分子构象控制上具有优越性。
3.3.2 流变设计与益生元效应
分子量调节可实现粘度和凝胶性能的调控。发酵SDF可增加凝胶硬度，并可与淀粉形成物理屏障降低消化性。部分酶解产生非消化性短链低聚糖，作为有益肠道微生物的选择性碳源。发酵SDF还表现出抗糖尿病潜力，对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶具有显著抑制率。
3.3.3 在食品系统及其他领域的应用
功能化SDF可作为天然流变改良剂，具有优异持水性和持油性，是合成添加剂的理想天然替代品。其剪切稀化和结构恢复行为使其适用于基于水凝胶的3D食品打印。细菌纤维素基材料因其高纯度、优异保水性和机械完整性，正成为下一代食品级3D结构化的明星生物墨水。
4 可消化碳水化合物的发酵功能化
4.1 营养与过程导向改性
可消化碳水化合物的发酵靶向淀粉的分子重构而非植物细胞壁的结构拆解。抗性淀粉（resistant starch，RS）特别是RS3型体现了这一转变。植物乳杆菌参与山药淀粉结晶可优先降解无定形区域和α-1,6糖苷键，促进直链淀粉链重新排列为更有序的结晶结构，RS3含量超过52%。红曲霉介导发酵可实现淀粉消化性和代谢物富集的同步调控，快速消化淀粉从约71%降至40%，γ-氨基丁酸增加14倍。菌株选择对平衡代谢改性和感官品质至关重要。
4.2 发酵的结构与功能后果
发酵整合酶促水解与有机酸产生，生成底物特异性的结构结果。一个一致的结果是在无化学试剂条件下生成多孔淀粉结构。红曲霉发酵可侵蚀玉米淀粉颗粒表面，形成比表面积接近天然淀粉两倍的瑞士奶酪形态。不同菌种在颗粒上留下不同指纹：乳酸菌主要攻击无定形区域形成表面凹陷，而淀粉分解菌种则向颗粒核心钻入深通道。发酵还影响淀粉流变学，可降低长支链淀粉分支比例，增强糊化粘度和剪切稳定性。共发酵系统中酵母产生二氧化碳物理膨胀淀粉基质，而乳酸选择性水解无定形区域，避免完全颗粒崩解。
4.3 应用
无麸质烘焙是成熟的应用领域。糯性木薯淀粉经自然发酵和日晒后可获得媲美小麦的比容，归因于支链淀粉的特异性解聚和功能性糊精的生成。多孔淀粉还作为生物活性递送系统，表现出pH依赖性释放曲线。发酵豌豆淀粉在宠物食品中保持低血糖特性的同时优于未发酵对照的适口性，为开发无味觉妥协的低升糖指数人类食品提供了途径。
5 可发酵碳水化合物的生物转化
农产品残渣增值的可行性依赖于高效糖平台的建设。固体载量通常需超过15%以最小化水耗和蒸馏成本。通过逐步底物添加管理浆料粘度，在33%固载量下实现75.6 g/L乙醇。同步糖化发酵（SSF）相比分步水解发酵可缓解产物抑制并提高生物丁醇生产率。粗水解产物中的抑制剂可通过特定预处理化学策略消除。级联增值趋势日益明显，顺序发酵策略实现葡萄糖转化为生物乙醇后，剩余戊糖转化为乳酸。商业纤维素酶成本构成显著运营支出，现场酶生产是可行路径。
6 精准发酵和细胞农业的低成本原料平台
6.1 解锁替代碳流
细胞农业对精制糖的依赖限制了可扩展性。源自木质纤维素生物质加工的乙酸盐可直接进入乙酰辅酶A节点的中心代谢，减少糖酵解相关的碳损失。适应性实验室进化可工程化改进耐受性。蘑菇加工废料提取的几丁质可水解为N-乙酰-D-葡糖胺用于精准发酵。
6.2 水解产物作为功能性培养基替代物
源自苜蓿、几丁质草或饲料颗粒的水解产物提供肽和微量营养素的复杂混合物，支持成肌细胞增殖。海洋细菌解藻弧菌的裂解物可在无血清条件下维持永生化牛卫星细胞扩增，作为胎牛血清的部分替代。
6.3 从原料到支架
农产品残渣中的结构碳水化合物可加工为培养肉生产中细胞培养的物理支持支架。脱细胞蘑菇组织制造的微载体支持成肌细胞附着和分化。植物来源聚合物包括纤维素和玉米醇溶蛋白用于生成近似肌肉质地的纤维支架。可扩展性仍是主要挑战，路径在于将这些纤维加工为标准化生物材料。
7 监管、安全与消费者视角
7.1 监管与安全考量
当前监管框架主要针对初级农产品设计，而非源自农产品残渣的复杂异质基质。主要障碍在于起始材料的监管分类。欧盟法规设定食品中真菌毒素和重金属的最高限量，但当应用于浓缩发酵组分时变得模糊。发酵过程可能浓缩农药残留或重金属。新型食品壁垒也是关键因素，显著改变结构或营养价值的发酵衍生碳水化合物被视为新型食品，触发严格且昂贵的上市前授权。中国国家卫生健康委员会的新食品原料框架日益重视安全使用历史。
7.2 消费者接受度与标签
消费者常将起始材料视为废物，标签上明确提及残渣或废物可能引发厌恶反应。行业需要标准化定义以建立信任。升级再造食品协会的官方定义和认证标准有效将叙事从拾荒重构为环境管理。广泛下游加工可能使这些配料与超加工食品定义一致，最可行的路径是强调转化的生物性质，将发酵定位为解锁营养的传统天然过程。
8 结论与展望
发酵被频繁呈现为农产品残渣增值的变革性途径，但实验室示范与工业实施之间仍存在实质性差距。原料异质性使过程控制和标准化复杂化。下游纯化通常占总生产成本的60–80%，抵消了底物层面的节省。固态发酵在固体废物处理方面具有体积生产率和用水优势，而液体发酵为高价值产品提供优越过程控制。合成微生物菌群提供代谢分工的概念框架，但其工业应用常受生态不稳定性限制。固态发酵中温度、湿度和传质梯度产生难以监控的异质微环境。残渣基发酵与细胞农业的融合代表有前景但复杂的方向。发酵应被视为生化升级的平台，需要微生物工程、材料科学和过程设计的更紧密整合。
