来源：BioTech (Basel) | 编译：DNA Lab Space
导语
全球每年有超过9亿吨面包被丢弃，而煎炸废油同样面临回收率低、转化途径单一等难题。传统处理方式不仅造成巨大资源浪费，还带来环境负担。近日，《BioTech》发表的一项研究独辟蹊径，利用食品级丝状真菌建立了一步式固态发酵体系，将陈面包与葵花籽废油同步转化为富含脂肪酸、可消化蛋白和生物活性物质的功能性配料。该工艺无需酶解预处理，在降低能耗的同时实现了两种异质性废弃物的协同升值，为食品副产物的循环再造提供了全新范式。
研究背景
食品损耗与浪费已成为全球性挑战。联合国环境规划署2024年报告显示，全球约17%的粮食在生产、零售和消费环节被浪费，其中烘焙类产品占比尤为突出。面包作为主食，其陈化导致的感官品质下降是丢弃的主要原因。然而陈面包的干基仍含有60%–70%的淀粉和10%–15%的蛋白质，是可发酵碳源的优质载体。另一方面，葵花籽油因富含多不饱和脂肪酸，在高温煎炸过程中发生氧化、聚合和水解，生成极性化合物和游离脂肪酸，不再适于人食用，但其碳链骨架依然保留着较高的代谢能值和潜在的功能活性。
将这两种异质性废弃物协同处理，面临两大瓶颈：其一，面包屑的高吸水性使体系易板结，不利于氧气传质；其二，废油中的氧化产物可能抑制微生物生长。近年来，固态发酵因低水耗、高产物浓度、可操作性强等优势，被重新评估为处理农工副产物的绿色平台。丝状真菌凭借菌丝穿透力和强大的胞外酶分泌系统，能够在固态基质中高效降解大分子并积累目标代谢物。其中，米曲霉、少孢根霉等被美国FDA和欧盟EFSA认证的食品级菌株，因安全性明确、蛋白质含量高且能合成脂肪酶和蛋白酶，成为理想出发菌株。然而，目前尚缺乏利用单一真菌在固态条件下同时转化陈面包与废油的研究。
Abbasi等人在《BioTech》刊发的研究，首次探索了以陈面包屑为固体支撑基质、葵花籽废油为补充碳源，接种食品级丝状真菌进行固态发酵的可行性。研究旨在不外加商品酶的条件下，实现淀粉水解、油脂裂解与菌体蛋白合成的同步进行，并将发酵终产物整体回用为动物饲料或功能性食品配料。该思路不仅避开了湿法发酵的高能耗浓缩环节，还通过废油补料提升了产物附加值，充分体现了“以废治废、全组分利用”的循环经济理念。
研究方法
研究团队设计了一条“基质调配—灭菌接种—固态发酵—全产物回收”的技术路线，关键步骤如下。
**原料预处理与基质构建**
陈面包收集自当地零售点，经60℃烘干至恒重后粉碎过20目筛，获得均一面包屑。葵花籽废油取自餐饮企业，经滤纸粗滤去除颗粒杂质，测定酸价和过氧化值以表征氧化程度。基础发酵基质由面包屑与无机盐营养液按1:1.2（w/v）比例混合而成，补充0.5% KH₂PO₄和0.2% MgSO₄·7H₂O作为营养盐，调节初始含水量至65%–70%。废油以5%、10%和15%（w/w干基质）三个梯度额外添加，以评估油含量对菌体生长和酶活的影响。每组基质分装于500 mL三角瓶，装料量20 g干基，121℃灭菌20分钟后冷却备用。
**菌株与接种**
选用三株食品级丝状真菌：米曲霉（*Aspergillus oryzae* ATCC 14895）、少孢根霉（*Rhizopus oligosporus* NRRL 2710）和黑曲霉（*Aspergillus niger* ATCC 16888）。孢子悬液以含0.1%吐温-80的无菌水制备，血球计数板调整浓度至1×10⁷ 孢子/mL。每瓶接种2 mL悬液并充分拌匀，于30℃、相对湿度85%的恒温培养箱中静置培养7天，每24小时手动振荡一次以防止菌丝结块。
**样品采集与分析方案**
分别在发酵第0、3、5、7天破坏性取样。取新鲜样品一部分直接测定含水量和pH；另一部分冻干后粉碎，用于后续成分分析。
- **脂肪酶活性**：采用对硝基苯基棕榈酸酯法，37℃、pH 7.0条件下测定，一个酶活力单位（U）定义为每分钟释放1 µmol对硝基苯酚所需的酶量。
- **脂肪组成变化**：索氏抽提总脂后，以气相色谱-质谱联用分析脂肪酸谱，同时测定游离脂肪酸含量和过氧化值。
- **蛋白质与氨基酸**：凯氏定氮法测定粗蛋白，酸水解后采用HPLC柱前衍生法测定17种氨基酸组成。
- **抗营养因子与安全指标**：检测胰蛋白酶抑制剂活性和植酸含量，评估作为饲料配料的适宜性。
- **微生物安全性**：对发酵终产物进行大肠杆菌、沙门氏菌和总霉菌计数，确保符合饲料卫生标准。
**统计学设计**
所有处理设三个生物学重复。以菌株类型和废油添加量为双因素，应用双因素方差分析和Tukey HSD多重比较（p<0.05），在R 4.2.3软件中完成统计及可视化。
研究结果
**1. 菌丝生长与基质转化外观**
三株真菌在陈面包基质上均能快速定殖。米曲霉和少孢根霉在72小时内形成致密白色菌丝层，即使15%废油添加组也未出现明显抑制。与之相比，黑曲霉在废油≥10%时菌丝扩展延迟，且产生少量孢子后基质褐变加重，提示氧化应激响应。发酵结束时，米曲霉组基质呈松软颗粒状，伴有淡果香；少孢根霉组基质地黏结稍重，但仍可分散。pH值变化显示，米曲霉和少孢根霉可将初始pH 6.2降至4.8–5.0，有机酸累积有助于抑制杂菌。
**2. 脂肪酶活性与油脂降解**
脂肪酶活性在发酵第5天达到峰值。米曲霉表现出最高的脂肪酶分泌量，在10%废油条件下酶活达87.3 U/g干基质，显著高于少孢根霉（62.5 U/g）和黑曲霉（41.8 U/g）（p<0.01）。伴随脂肪酶激增，游离脂肪酸含量同步上升：米曲霉10%废油组游离脂肪酸占总脂比例从初始的5.2%升至25.7%，说明甘油三酯被大量水解。过氧化值在发酵前3天短暂升高后急剧下降，至第7天已低于初始值，提示真菌产生的抗氧化酶系和次级代谢物降解了过氧化物，消除了废油氧化产物的潜在毒性。
**3. 脂肪酸谱优化与功能性脂质积累**
米曲霉处理组的总脂肪酸谱发生有益重排。亚油酸（C18:2）比例由原料的48.3%增至53.1%，而饱和脂肪酸棕榈酸（C16:0）和硬脂酸（C18:0）合计从25.4%降至20.7%。少孢根霉组也有类似趋势，但变化幅度较小。研究者推测，丝状真菌可能选择性消耗饱和脂肪酸作为速效碳源，同时将部分游离不饱和脂肪酸重新酯化为菌体甘油酯，进而富集必需脂肪酸。该机制为低成本制备富含多不饱和脂肪酸的功能性脂质提供了新思路。
**4. 蛋白质增量与氨基酸平衡**
发酵7天后，所有真菌处理组的粗蛋白含量均显著提高。米曲霉10%废油组粗蛋白从原料的11.2%升至21.9%，增幅达95.5%；少孢根霉组升至19.4%，黑曲霉组为17.6%。氨基酸分析显示，米曲霉发酵产物中赖氨酸含量达5.2 g/100g蛋白，较原料提高1.8倍，这是多数谷物蛋白的第一限制性氨基酸。苏氨酸和蛋氨酸也有25%–40%的增长，使氨基酸评分更趋近于理想蛋白模式。这些增值主要源于真菌菌丝体本身的优质蛋白。
**5. 抗营养因子的消减**
值得关注的是，固态发酵过程对植物源性抗营养因子具有显著降解作用。陈面包原料的植酸含量为3.8 mg/g，米曲霉发酵后降至1.2 mg/g，降解率68.4%；少孢根霉组降解率62.1%。胰蛋白酶抑制剂活性在米曲霉组几乎无法检出。这一结果可归因于真菌分泌的植酸酶和蛋白酶，它们不仅改善了矿物元素的生物可利用性，也增强了蛋白质消化率。
**6. 产物安全性达标**
所有处理组的大肠杆菌和沙门氏菌均未检出，总好氧微生物计数低于1×10³ CFU/g，霉菌毒素（黄曲霉毒素B₁、赭曲霉毒素A）检测均为阴性。这表明，在无外源防腐剂的情况下，食品级真菌的快速定殖以及伴随的pH下降形成了天然的生物防控屏障，终产物可直接作为饲料原料或进一步加工成食品配料。
讨论与展望
该研究证明了“陈面包+废油”的固态发酵路线兼具技术可行性和商业前景。丝状真菌扮演了“多功能微型工厂”的角色：菌丝物理疏松基质供氧，脂肪酶和蛋白酶执行胞外降解，菌体本身又贡献优质蛋白和特定脂肪酸。这种一步式共转化策略，绕过了传统油脂化学法转酯化的高温高压条件和淀粉酶解的分步预处理，极大降低了过程能耗。此外，过氧化值的下降和必需脂肪酸的富集，克服了废油再利用的最大障碍——氧化变质。
从应用前景看，发酵终产物可视目标市场需求柔性定位。若面向饲料行业，高蛋白、低植酸的产品可直接替代部分豆粕；若面向食品工业，粉碎后的发酵粉可作为烘焙预拌粉的蛋白强化组分或功能性脂质载体。研究团队指出，下一步需要在中试规模的浅盘或填充床生物反应器中验证工艺，并建立动态通风和温控策略，防止发酵床层局部过热。同时，应联合生命周期评价和技术经济分析，全面核算该路径的碳减排效益与加工成本，明确与现有湿法炼制和厌氧消化路线的比较优势。
未来还可拓展菌株工具箱，如利用适应性实验室进化筛选耐高油氧化胁迫的突变株，或构建混菌发酵体系以进一步增强酶系协同效应。总之，这项研究为占城市有机废弃物大头的“碳水+油脂”型基质提供了普适性升级方案，有望在循环生物经济的框架下加速落地。
参考来源
- Abbasi V, Martínez-Antequera FP, Al-Roubai H, Abukar R, Mahboubi Soufiani A. Valorization of Stale Bread and Sunflower Spent Oil via Solid State Fermentation Using Food-Grade Filamentous Fungi. *BioTech (Basel)*, 2025, DOI: 10.3390/biotechxxxxx. （注：原文DOI待期刊正式发布后补充）