学术动态

2025年9月，湖南省农业科学院农产品加工与质量安全研究所食品微生物与生物合成研究室单杨院士团队在国际食品领域知名期刊Trends in Food Science & Technology （中科院一区TOP，IF: 15.4）上发表了题为 “Unlocking the potential of fruit and vegetable waste: Sustainable biomanufacturing strategies for synergistic nutrient recovery and high-value bioproduct synthesis” 的论文，系统提出了面向果蔬废弃物高值化利用的生物制造策略。该论文第一作者为加工所与湖南大学联合培养的2023级硕士研究生樊子依，通讯作者为单杨院士与郭佳婧研究员。

全球每年产生的果蔬废弃物（Fruit and Vegetable Waste, FVW）高达数百万吨，不仅造成巨大的资源浪费，还贡献了约6%的全球温室气体排放。然而，这类废弃物富含多酚、类黄酮、膳食纤维和精油等多种生物活性成分，具有很高的营养开发价值。面对全球粮食安全挑战和日益严峻的隐性饥饿问题，如何实现FVW的绿色、高效和高值化利用，已成为推动食品与农业可持续发展的核心议题。

本研究突破了传统废弃物处理方式，构建了一套集成现代发酵工程、酶催化合成与微生物群落代谢的系统性生物制造策略，实现了从“废弃物”到“资源”的精准转化。

一、现代发酵工程——高性能菌株定向选育与细胞工厂构建

近年来，食品生物技术的飞速发展推动了发酵工艺的革新，实现了从依赖天然菌株到精准发酵的转型。现代发酵工程依托菌种定向选育和细胞工厂构建的协同驱动，显著提升了FVW向高附加值产品的转化效率。

通过高通量筛选与组学技术联用，已成功选育出可高效降解FVW并合成单细胞蛋白（SCP）、单细胞油（SCO）、生物酶及生物燃料等高价值产品的优良菌株，结合工艺优化全面提升FVW衍生活性化合物的功能活性与生物利用度。在此基础上，利用合成生物学策略对模式及非模式菌株进行系统改造，通过基因编辑、代谢途径重构和辅因子工程，构建出可高效合成柚皮素、黏液酸、香草酸等高值化合物的细胞工厂。无细胞合成系统（CFSS）进一步突破了细胞生理限制，实现了复杂酶级联反应的高效运行，为天然产物的体外生物制造开辟了新路径。

随着人工智能、机器学习与多组学技术的不断融合，生物发酵正朝着精准设计、智能调控和规模化应用的方向迅猛发展，展现出广阔的应用前景。

图1. 构建FVW增值化利用的微生物细胞工厂技术路线图。重点突出了三种具有高效FVW转化潜力的生物制造平台：（i）模式底盘细胞，（ii）非模式底盘细胞，以及（iii）无细胞合成系统，它们在特定应用场景中均具备独特优势。

二、酶催化与合成——精准提取与高效转化的绿色引擎

FVW中的生物活性成分常与蛋白质、多糖等大分子结合，限制了其直接利用。酶催化技术凭借高效性、专一性及反应条件温和等优势，成为一种绿色且高效的提取与转化手段。将酶制剂与超声、微波等物理方法联用，可有效破坏植物细胞壁结构，靶向释放结合态活性成分。

为提升酶的性能，研究人员采用定向进化和从头设计等蛋白质工程策略，对酶分子进行智能化改造：通过模拟自然进化过程，筛选出更稳定、更高效的酶变体；借助AlphaFold、ProteinMPNN等人工智能工具，预测和设计具有全新功能的工程酶元件。借助蛋白质支架、DNA纳米笼等载体组装多酶复合体（MECs），模拟天然酶簇结构，构建稳定高效的人工多酶级联系统，实现“一锅法”连续催化，大幅提高了催化效率与产物得率。

图2. 通过酶促催化从FVW中合成高附加值产品。与传统化学生产方法相比，该策略具有多方面的优势，也面临着许多挑战。该技术框架整合了三个关键组成部分：（i）酶法提取FVW中的生物活性化合物，（ii）酶工程元件的设计与改造，（iii）多酶级联系统的构建，并展示了上述技术环节的方法及原理。

三、微生物群落代谢——共培养策略与肠道菌群健康效应

通过模拟自然发酵环境，构建多菌株共培养体系，可显著提升FVW中活性成分的转化效率与产物多样性。该方法借助代谢功能分区与中间产物交换，有效减轻单一菌株的代谢负担，激活沉默基因簇，从而合成新型生物活性成分。

肠道菌群通过多种酶的作用，将FVW转化为短链脂肪酸（SCFAs）和酚类代谢物等生物活性物质，显著提高其生物利用度和生理活性，从而发挥抗肥胖、抗炎及抗癌等多种健康促进效应。此外，这些功能成分还作为益生元和后生元，为开发个性化精准营养食品提供重要支持。

图3. FVW促进健康的肠道-多器官互作机制示意图。展示了肠道微生物对FVW中主要生物活性成分（酚酸与黄酮类化合物）的代谢转化过程，以及这些代谢物通过关键分子靶点和代谢通路改善宿主健康的六大核心生理功能。

基于上述绿色生物制造策略，可实现FVW中营养成分的高效回收与转化，同步生产功能性食品原料、精细化学品和生物能源，构建“废弃物—资源—高值产品”的循环经济模式，为食品工业的绿色转型与可持续发展提供了系统的解决方案。

第一作者：

樊子依

湖南大学隆平农学院、湖南省农科院农产品加工与质量安全研究所食品微生物与生物合成研究室2023级硕士研究生，导师为单杨院士。

主要从事微生物转化功能性天然产物与活性机制等方面研究，参与国家自然科学基金重点项目1项、湖南省自然科学基金1项，先后以第一作者身份在Trends in Food Science & Technology、Food Chemistry-X期刊发表SCI论文2篇。

通讯作者：

单  杨

食品工程专家，中国工程院院士，全国政协委员，湖南省农业科学院学术委员会主任。科技部和农业农村部重点领域创新团队负责人，洞庭实验室主任，农产品质量安全风险评估实验室（长沙）主任。

主要从事农产品-食品加工与质量安全研究，是农业农村部“科研杰出人才”。以第一完成人获国家科技进步二等奖2项，中国工程院光华工程科技奖和湖南光召科技奖各1项，湖南省科技创新团队奖1项、技术发明一等奖1项、科技进步一等奖2项。

郭佳婧

理学博士，研究员，湖南大学硕士研究生导师，湖南省芙蓉计划湖湘青年英才。以第一或通讯作者共发表论文35篇；主持国家自然科学基金面上项目等国家、省部级项目；获授权国内发明专利 5项；参编英文专著2部。担任Agricultural Products Processing and Storage期刊编委，中国农学会农产品贮藏加工分会委员，湖南省食品科学技术学会理事。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.tifs.2025.105288