《Journal of Environmental Management》：Valorization of sauce-flavored Baijiu wastewater as a nutrient medium for enhanced production of
γ-aminobutyric acid by
Monascus purpureus
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酱油型白酒生产废水中转植紫红曲霉MP-1高效合成γ-氨基丁酸及降解有机污染物的机制研究。10% Pit Bottom Wastewater (PBW)补充培养基使菌体生物量增加150%，γ-氨基丁酸产量提升50.38%。代谢组学与转录组学分析表明PBW通过抑制色素合成并激活PUU途径促进GABA生成，同时增强木质素降解及氧化还原能力实现污染物同步处理。本研究建立白酒废水资源化利用新范式，实现环境治理与高值代谢产物协同生产。
李宣辰|杨欣|王棉|刘双平|罗玉娜|邱瑞怡|吴源根|孟婉妮|毛健|周建利|娄文勇
中国贵州省贵阳市贵州大学酒与食品工程学院，教育部山区植物资源保护与种质创新重点实验室，邮编550025
摘要
酱香型白酒生产过程中产生的窖底废水（PBW）是一种高浓度的有机废水，对环境造成严重威胁。本研究探讨了利用从大曲中分离出的紫色红曲（Monascus purpureus MP-1）将其转化为高价值化合物合成所需的营养基质的可行性。在添加10% PBW的培养基中培养后，生物量增加了150%，同时水解酶活性也得到了提升。综合代谢组学和转录组学分析表明，PBW的添加抑制了紫色红曲的色素合成，但激活了腐胺（Puu）途径以促进γ-氨基丁酸（GABA）的生成，使GABA的产量提高了50.38%（达到121.28 μg/mL）。此外，通过增强木质素分解和氧化还原反应，有机污染物也得到了有效降解。这项工作建立了一种可持续的废物转化策略，展示了紫色红曲在资源回收和功能性代谢物生产方面的潜力，为食品工业带来了双重效益。
鉴于日益严重的环境问题以及循环经济的原则，从单纯控制污染转向综合利用和高效转化废物的模式转变至关重要（Vaishnav等人，2023年）。一种有前景的策略是利用强效的微生物平台将富含营养的工业废水转化为高价值的生物产品（Abdelfattah等人，2022年；Li等人，2025年；Yan等人，2024年）。然而，这种策略的有效性常常受到废水本身毒性的限制（Ahmed等人，2021年），因为废水中的高盐度、酸度和乙醇含量会抑制传统微生物的生长。因此，寻找能够在极端条件下生长并同时将污染物转化为所需代谢物的微生物菌株变得十分必要。
紫色红曲（Monascus）属菌株是一个非常有吸引力的选择（Gong等人，2023年）。它们在东亚食品发酵中的传统应用，尤其是在红曲米的生产中有着悠久的历史，以其代谢多样性和对环境压力的抵抗力而闻名。这些菌株的应用已扩展到各种生物活性化合物的生产，包括降胆固醇物质Monacolin K和具有健康益处的主要抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）。此外，这些丝状真菌还具有多方面的生物转化能力：它们的水解酶系统能够高效降解有机污染物（Saini和Sharma，2021年），而表面疏水蛋白则有助于吸附和矿化，实现完全分解（Raza等人，2023年）。与细菌联合体相比，紫色红曲属菌株具有更好的沉淀性能，提高了废水处理系统的分离效率。关键的是，紫色红曲属菌株还能合成具有市场价值的次级代谢物。例如，Zheng等人报道，在处理超高浓度白酒废水时，M. pilosus同时产生了短链脂肪酸乙酯，降低了约90%的处理成本（Zheng等人，2021年）。TERAN等人进一步证明，在甘蔗渣废水的黑暗发酵过程中，紫色红曲属菌株能够实现最高的色素产量（Teran等人，2018年）。这种污染控制-资源回收模式现在被认为是食品废物转化的最佳方式（Lad等人，2022年）。
在本研究中，从酱香型大曲中分离出了紫色红曲属菌株。其中，Monascus purpureus MP-1（编号CCTCC M 20242448）因其出色的水解酶活性、旺盛的生长能力和显著的GABA产量而被选为最有前景的菌株。我们假设PBW中的有机和营养成分可以被重新利用，不是作为需要消除的污染物，而是作为富含营养的培养基成分来促进MP-1的代谢活动。因此，本研究的主要目的不是评估废水的降解效率，而是系统地评估PBW作为低成本发酵基质的潜力，以增加Monascus purpureus MP-1的生物量和GABA产量。我们进一步旨在阐明驱动这一生物转化过程的代谢和转录机制，特别关注负责GABA合成的途径。同时研究污染物指标（BOD5、CODcr、TN、TP）的减少情况，作为这一转化过程的综合结果。这项工作建立了一种可持续的废物转化为营养物质的策略，证明了利用紫色红曲发酵同时处理高浓度废水和生产高价值功能性代谢物的可行性。
材料与化学品
酱香型大曲和PBW在中国贵州省安顺白酒工业园区收集，并在-80°C下储存以备后续分析。土豆葡萄糖琼脂培养基（PDA）和土豆葡萄糖肉汤培养基（PDB）购自上海生物科技有限公司（上海，中国）。所有级别的GABA、甲醇、乙腈和磷酸均购自Solarbio（北京，中国）。所有分析级别的乙醇、葡萄糖、十二烷基硫酸钠（SDS）等化学品也均来自Solarbio。
评估紫色红曲属菌株在大曲中的生长和色素生产能力
从酱香型大曲样品中分离、纯化并鉴定了四种紫色红曲属菌株：MR-1（M. ruber）、MA-1（M. anka）、MP-1（M. purpureus）和ML-1（M. pilosus）（图S1）。为了评估这四种紫色红曲属菌株的生长能力，在相同的培养条件下测量了它们的生物量和菌落直径。结果显示，MP-1的生物量最高（0.098 g/L，P < 0.05），而MR-1的生物量最低（0.014 g/L，P < 0.05）（图2A）。结论
本研究成功地将酱香型白酒生产过程中产生的PBW转化为一种高效的新型营养基质，用于紫色红曲（Monascus purpureus MP-1（编号CCTCC M 20242448）的高密度发酵。添加10%的PBW不仅显著增加了生物量（增加了64.24%），还使GABA的产量提高了50.38%。综合代谢组学和转录组学分析首次揭示了PBW诱导的代谢重编程的机制。
作者贡献声明
李宣辰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据整理，概念构思。杨欣：指导，实验研究。王棉：撰写 – 审稿与编辑。刘双平：指导，实验研究。罗玉娜：指导，实验研究。邱瑞怡：指导，实验研究。吴源根：撰写 – 审稿与编辑。孟婉妮：指导，实验研究。毛健：撰写 – 审稿与编辑，数据整理。周建利：数据整理，指导。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了以下机构的财政支持：国家自然科学基金（项目编号：32360228）；贵州生态特色食品新品质加工与储存重点实验室（项目编号：ZSYS[2025]023）；贵州大学自然科学计划（项目编号：Gui Da Te Gang He Zi [2023] 21）；贵州省科学技术基金（项目编号：ZK [2022] General Project 190）；特色微生物资源应用科技人才团队项目。
