来源：Bioprocess Biosyst Eng | 编译：DNA Lab Space
农业废弃物的低值利用与黄酮类化合物生产的高成本，一直是绿色生物制造领域的两大难题。近日，一项研究将生物杀虫真菌与固态发酵技术相结合，以麦麸、柑橘皮等农业工业废弃物为底物，系统筛选高效产酶菌株，优化发酵参数，并成功放大至浅盘反应器规模，实现了黄酮类化合物的可持续生物合成。该策略不仅为废弃物高值化利用提供了新路径，也赋予了黄酮产物额外的生防功能属性。
研究背景
黄酮类化合物是一类广泛存在于植物中的天然多酚，具有抗氧化、抗炎、抗菌及免疫调节等多种生理活性，在食品、医药和化妆品行业需求巨大。然而，传统植物提取法受限于原料生长周期长、黄酮含量低、有机溶剂消耗大等问题，难以满足工业化需求。近年来，利用微生物发酵将廉价底物转化为高附加值活性成分，成为绿色制造的重要方向。
固态发酵是一种在无游离水或近无游离水条件下，利用微生物分解不溶性固体底物的发酵方式。与液态深层发酵相比，固态发酵具有投资低、能耗小、废水排放少等优势，尤其适合利用农业和工业废弃物的生物转化。农业废弃物如麦麸、甘蔗渣、豆渣、柑橘皮和橄榄渣等，富含纤维素、半纤维素、木质素及酚类前体物质，为真菌生长和次级代谢提供了天然营养基础。更值得关注的是，部分具有生物防治功能的木霉属、曲霉属和青霉属真菌，在降解木质纤维素的同时，能够通过苯丙烷代谢途径积累黄酮类化合物。这类真菌既可作为生物农药替代化学农药，又能在废弃物上合成高价值天然产物，兼具经济和生态效益。
然而，能够高效产黄酮的生物防治真菌种类有限，菌株与废弃物的适配、发酵条件对产物积累的影响，以及从实验室规模向工业规模放大时的传热传质问题，仍是制约该技术实用化的瓶颈。本研究即针对上述问题，开展了从菌株筛选、条件优化到反应器放大的系统性研究。
研究方法
该研究的技术路线可分为菌株筛选、基质筛选、条件优化和放大验证四个阶段。首先，研究人员从实验室保藏及自然环境中分离获得若干株具有潜在生物防治功能的真菌，包括木霉属、曲霉属和青霉属等。通过初步平板显色实验和液态摇瓶发酵，比较各菌株在以农业废弃物浸提液为碳源的培养基中的生长能力和黄酮积累水平，从中挑选出产黄酮能力较强、遗传稳定性良好的候选菌株。
在菌株筛选的基础上，研究进入基质筛选阶段。将麦麸、豆渣、甘蔗渣、柑橘皮和橄榄渣等农业工业废弃物分别作为固态发酵的唯一底物或混合底物，在相同条件下接种候选真菌，测定发酵后培养基中的总黄酮含量，并利用高效液相色谱对主要黄酮组分进行定性分析。结果表明，底物组成显著影响黄酮产量，含柑橘皮或麦麸的体系明显优于单一纤维素类底物，推测是因为果皮中富含的酚酸和类黄酮前体可以作为生物合成的直接底物。
随后，研究人员利用单因素实验考察了供水、pH、温度、接种量、发酵时间、碳氮比和诱导剂添加等因子的影响，并通过响应面法对关键参数进行交互优化。固态发酵体系中水分含量和接种量被证明是影响产物积累的核心因素。在最优参数条件下，黄酮产量较初始条件显著提升，且发酵过程中pH和还原糖含量变化呈现出典型的“先降后稳”趋势，表明真菌水解底物与代谢产物合成之间存在时序耦合。
放大实验是本研究的重要环节。研究人员将最优发酵体系从小型玻璃瓶转移至浅盘式固态生物反应器中，发酵规模扩大约一个数量级。反应器内通过强制通风和温度夹套控制料层温度，同时监测堆体空隙率、氧气浓度和二氧化碳释放速率，以评估放大过程中的传热传质效应。为保证均匀性，发酵过程中对物料进行间歇翻拌，并定期取样测定黄酮产量与菌体生物量。技术路线如图所示，体现了从“菌株—底物—参数—反应器”的完整研究链条。
研究结果
通过层层筛选和优化，该研究获得了若干关键结果。在菌株层面，两株木霉属真菌表现出较强的废弃物降解能力和黄酮合成潜力，其中一株在含柑橘皮的混合底物上产量最高。单一菌株与废弃物组合的对照实验表明，秸秆类废弃物单独作为底物时黄酮产量较低，而加入柑橘皮或麦麸后，产量成倍提升。这提示农业废弃物的“营养互补”效应在黄酮合成中起关键作用，果皮中的酚酸和糖苷类物质可能作为黄酮合成的前体，被真菌