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本研究利用废酵母生物质生产酵母提取物和葡聚糖-壳聚糖复合物，显著提高资源效率，符合循环经济原则。
作者：Ayan Banerjee、Shivani Chitkara、Abhilek Kumar Nautiyal、Swarnendu Bag、Thallada Bhaskar、Debashish Ghosh
印度北阿坎德邦德赫拉敦莫汉坎普尔，CSIR-印度石油研究所，材料资源效率部门（MRED），邮编248005
摘要
生物炼制厂为可再生原料的增值利用提供了可持续的途径，然而过程副产品的管理仍然是提高资源效率的挑战。本研究探讨了废弃微生物生物质（特别是脱油酵母生物质经过顺序分级处理后的固体残渣）作为生产高价值酵母提取物的原料的潜力。通过对顺序分级过程中产生的二次排放流进行处理，平均获得了18.52±4.83克/升的酵母提取物产量。该提取物在产品体系中保留了大量的碳和氮功能化合物，并最大限度地减少了废物排放。分析表明，这种酵母提取物富含氨基酸、维生素和代谢物，且不会抑制酵母生长或产生毒性。这些发现证明了从单一工艺流程（顺序分级）中同时生产酵母提取物和葡聚糖-几丁质复合物的可行性，从而提高了资源利用效率，符合微生物生物炼制厂的循环经济原则。
引言
虽然生物炼制厂在利用可再生原料方面取得了进展，但一个主要问题是产生了大量的废弃微生物生物质作为副产品。全球范围内，酿造和微生物发酵等行业每年产生数百万吨废弃酵母生物质，其中大部分未被充分利用。据估计，来自选择性大宗产品和特种产品行业的废弃微生物生物质年产量超过5000万吨（Stikane等人，2022年）。这不仅是一个处理难题，也是浪费宝贵营养素的机会。现代生物炼制厂的设计必须整合微生物生物质的使用，以减少对植物基原料的依赖，并促进包含多种功能性化合物的多样化生物经济（Makepa和Chihobo，2024年）。微生物生物质本身具有复杂性，会因物种和培养条件的不同而有所差异。生物加工和工业生物技术的进步优化了各种原料的微生物生产过程，从而增加了对微生物产品的需求，进而产生了更多的微生物生物质残渣（Chotani等人，2017年）。来自细胞内或细胞外微生物产品的提取后残渣通常被称为废弃微生物生物质（He-Lambert等人，2019年）。在针对细胞内产物（如脂质、蛋白质或多羟基烷酸）的过程中，废弃微生物生物质是下游残渣；而在以细胞外产物（如乙醇发酵）为目标的过程中，则会产生以废弃啤酒酵母形式存在的SMB（Spent Microbial Biomass）。
脱油酵母生物质（以下简称DYB）是酵母单细胞油生产过程中的副产品，可以进一步用于提取葡聚糖-几丁质复合物，从而为酵母脂质生产链增加价值，但由于在生物质分级过程中会产生连续的液体排放流，这带来了挑战。因此，在此类过程中实现资源效率仍然具有挑战性。DYB含有丰富的碳水化合物和蛋白质，其中重要的不溶性碳水化合物部分以葡聚糖-几丁质复合物的形式被提取出来。液体排放流中保留了可溶性蛋白质、可溶性碳水化合物以及富含碳和氮的代谢物，这些不应作为废物丢弃或按传统方式处理。
酵母提取物在微生物学、制药、营养保健品和动物饲料配方中有着广泛的应用，能够促进微生物生长，并影响抗氧化活性、风味和药物效果（Tao等人，2022年）。尽管酵母提取物易于获取，但由于转化率和产量的限制，很少从废弃微生物生物质中提取。自溶法是主要的商业提取方法，但对于缺乏内源酶的废弃微生物生物质可能效果不佳；然而，它可以作为预处理步骤。其他提取技术包括均质化、酶处理、微波辐射以及酸或碱处理，所有这些方法都旨在将细胞基质分解为功能性代谢物（Takalloo等人，2020年）。
以往利用DYB提取葡聚糖-几丁质复合物的研究采用了分离不溶性碳水化合物和可溶性代谢物的分级方法，其中液体组分被视为有价值的提取物（Banerjee等人，2024年）。与未经处理的酵母生物质相比，这些提取物的成分具有变异性，因此需要对其进行详细表征以实现其全部功能潜力（Oliveira等人，2022年）。经过策略性配方设计，这些提取物可以为生物炼制系统带来显著的价值提升并减少废物产生。此外，大量的液体排放意味着可以回收可溶性固体，从而支持水资源循环利用和减少环境足迹。
提取物的应用取决于其化合物组成，具体配方需根据特定需求进行定制。本研究重点关注从DYB的葡聚糖-几丁质提取排放流中制备和表征酵母提取物（以下简称PYE），包括代谢物分析及其对微生物生长的影响，并识别潜在的应用限制。出于提高可持续性的需求，本研究还旨在通过将生物炼制厂中的二次排放物转化为高价值产品来“闭环”，从而减少废物。
酵母提取物的生产
关于脱油酵母生物质（DYB）的顺序提取和加工以生产葡聚糖-几丁质复合物（GCC）及其相关排放流的生成过程已在Banerjee等人（2024年）的研究中有所描述。简而言之，DYB在常压下于50°C下自溶24小时。自溶后的液体组分（记为E1）通过离心分离。随后，剩余的固体在磷酸盐缓冲液条件下高压灭菌处理5小时以获得...
元素和功能特性
酵母提取物中含有大量宏量和微量营养素，通过多种生化机制提供了促进生长的必要条件，并具有多样化的应用潜力。表1总结了所制备的酵母提取物（PYE）的完整元素组成，显示其中碳（C）、氧（O）和氮（N）的含量较高。PYE中的氮含量超过了原始脱油酵母生物质（DYB）和葡聚糖-几丁质复合物（GCC）的含量，这表明...
结论
研究表明，脱油酵母生物质经过顺序分级处理后的二次排放流可以有效转化为功能性酵母提取物。这使得在酵母脂质生物炼制过程中能够回收富含碳和氮的代谢物。详细表征显示，该提取物中含有氨基酸和维生素，以及核酸、TCA和脂肪酸衍生物。在浓度低于2000微克/毫升的情况下，未观察到细胞毒性...
作者贡献声明
Ayan Banerjee：撰写初稿、可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Shivani Chitkara：撰写初稿、方法设计、数据分析。
Abhilek Kumar Nautiyal：撰写、编辑、方法设计、实验研究。
Swarnendu Bag：方法设计、实验研究。
Thallada Bhaskar：撰写、编辑、监督、资源协调、实验研究。
Debashish Ghosh：撰写、编辑、可视化、监督、项目管理。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿时，仅使用“Grammarly AI”进行语法校正和英语表达的改进。没有使用任何AI工具来生成科学内容、进行分析、引用数据或得出科学结论。所有科学数据、解释和结论均为作者本人的工作成果。
资金来源
CSIR Mission Mode Project（废物转化为财富）- HCP-0054项目资助Debashish Ghosh博士；
UGC-SRF奖学金（编号3812/NET-DEC 2018）资助Ayan Banerjee博士。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢CSIR-IGIB（新德里）和CSIR-IIP（德赫拉敦）的领导们提供的必要设施和持续支持。作者还要感谢CSIR-微生物技术研究所的Neeraj Khatri高级首席科学家和Priyanka（SRF项目成员）进行的毒性评估，以及CSIR-国家化学实验室的Rahul Bhambure高级科学家对氨基酸的分析。Ayan Banerjee博士也感谢...
