Novel biosurfactants produced from food waste: a variability and validation study
- 作者
- Thibo Van de Craen, Sophie L.K.W. Roelants, Karolien Maes, Sofie Lodens, Sofie L. De Maeseneire, Wim K. Soetaert, Tom Delmulle
- 单位
- Centre for Industrial Biotechnology and Biocatalysis (InBio.be), Department of Biotechnology, Faculty of Bioscience Engineering, Ghent University, Ghent, Belgium; R&D Department, Bio Base Europe Pilot Plant (BBEPP), Rodenhuissteak 1, 9042 Deestdok, Belgium; R&D Department, AmphiStar, Suzanne Tassierstraat 1, 9052 Zwijnaarde, Belgium
- 杂志
- Bioresource Technology（2025）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2025.133043
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
食品废弃物（FW）成分多变且含有乳酸等抑制物，阻碍其作为第二代原料用于新型生物表面活性剂（bola sophoroside）的稳定生产。
研究策略
对52批比利时超市集中收集的食品废弃物进行成分变异性分析和相关性分析；建立线性回归模型预测不同批次FW发酵结果；采用pH控制策略（pH维持在乳酸pKa以上）缓解乳酸抑制；在24孔板和生物反应器规模验证水解FW作为底物生产bola sophoroside。
核心内容
本研究系统评估了52批比利时超市食品废弃物作为第二代原料生产新型bola型槐糖脂的可行性。针对食品废弃物成分多变且含高浓度乳酸（12.30–52.34 g/L）的抑制问题，作者建立了线性回归模型预测不同批次发酵结果（生长R²为0.5168，生产R²为0.8055），并采用将pH维持在乳酸pKa以上的策略缓解抑制。在pH 5条件下，50 g/L乳酸对菌体干重无显著生长抑制（仅降低9.42%），bola sophoroside滴度从33.19 g/L降至21.07 g/L，与文献中pH 3.5时乳酸导致生长抑制24.84%、产量降低45.25%相比，生产抑制降低18.67%。生物反应器验证中，水解食品废弃物培养基的平均稳定期菌体干重达25.27±4.18 g/L，体积生产率0.28 g/L/h，分别为合成培养基的1.28倍和5.2倍，证明该策略可有效克服原料变异性和乳酸抑制，食品废弃物是比传统培养基更优的底物，为可持续生物表面活性剂生产提供了新途径。
创新点
首次在第二代原料（食品废弃物）上生产新型bola sophoroside；通过pH控制策略显著减轻乳酸抑制（高达50 g/L乳酸）；建立可预测不同批次FW发酵结果的线性回归模型；证明水解FW优于传统合成培养基，获得更高生物量和生产率。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Starmerella bombicola ATCC22214 | 槐糖脂/bola sophoroside 生物合成 | cyp52M1 | CYP52M1（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 基因敲除菌株（Δcyp52M1 Δfao1），用于生产bola sophoroside |
| Starmerella bombicola ATCC22214 | 槐糖脂/bola sophoroside 生物合成 | fao1 | Fao1（脂肪醇氧化酶） | 催化 | 基因敲除菌株（Δcyp52M1 Δfao1），用于生产bola sophoroside |
| 无（外源酶） | 食品废弃物预处理 | — | 葡糖淀粉酶（glucoamylase） | 催化 | 用于水解食品废弃物中的淀粉释放葡萄糖 |
| 无（外源酶） | 食品废弃物预处理 | — | 蛋白酶（protease） | 催化 | 用于水解食品废弃物中的蛋白质释放氨基酸/氮源 |
关键发现
- 52批FW组成变异：pH均值3.95±0.19，DM%均值19.71±2.85%，蛋白均值22.43±16.64 g/L，乳酸均值35.04±7.86 g/L（范围12.30–52.34 g/L），葡萄糖释放均值28.55±8.79 g/L。24批FW均支持S. bombicola生长和bola SS生产：CDW范围0.0055–0.0175 g/g（平均0.0133±0.0031 g/g），bola SS浓度0.12–0.95 g/L（平均0.40±0.21 g/L）。在pH 5条件下，50 g/L乳酸时菌体干重仅比0 g/L低9.42%（21.44±2.02 vs
- 67±2.91 g/L，p=0.16），无显著生长抑制；bola SS滴度从33.19 g/L降至21.07 g/L，体积生产率降低36.84%。与文献中pH
- 5下40 g/L乳酸导致CDW降低24.84%、SL产量降低45.25%相比，本策略完全消除生长抑制，并将生产抑制降低18.67%。生物反应器验证中，FW培养基的平均稳定期CDW为25.27±4.18 g/L，显著高于SD培养基的19.71±2.08 g/L（p=0.003）；体积生产率0.28 vs
- 13 g/L/h，体积调整后0.52 vs
- 10 g/L/h，即生长提高1.28倍、生产率提高5.2倍。线性回归模型R²分别为生长0.5168、生产0.8055。
研究结论
水解食品废弃物尽管成分多变且乳酸浓度高，仍是Starmerella bombicola生产新型bola sophoroside的可行原料；通过预测建模和pH控制策略可有效缓解食品废弃物变异性和乳酸抑制问题；概念验证表明食品废弃物优于传统培养基，为可持续生物过程开发奠定基础。