《Journal of Dairy Science》：INVITED REVIEW: Turning Dairy Food Waste into Valuable Products via Yeast Bioproduction
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本刊特邀综述系统评述了如何通过微生物发酵将乳制品食物废弃物（DFW）升级再造为单细胞蛋白（SCP）、有机酸、酶等动物营养品。文中重点讨论了天然乳糖发酵酵母（如马克斯克鲁维酵母 Kluyveromyces marxianus）与工程化酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的平台潜力，剖析了底物变异性、乳糖代谢瓶颈等技术挑战，并展望了菌株工程与自适应进化等合成生物学解决方案。
引言：被浪费的“白色资源”
全球每年约有三分之一食物被损耗，乳制品行业亦不例外——部分地区近20%的产量最终沦为废弃物。乳制品食物废弃物（Dairy Food Waste, DFW）涵盖牛奶、乳制品及其加工副产物在供应链各环节的流失，既带来经济与环境压力，也隐藏着未被开发的养分宝藏。
传统废水处理虽能减轻污染，却常导致营养物彻底降解。若无法从源头减少浪费，通过微生物发酵将DFW转化为高附加值产品，便成为支撑“乳业循环经济”的关键路径。其中，酵母因其公认安全（GRAS）地位、工业鲁棒性及长期用于反刍动物营养的经验，成为极具吸引力的生物生产平台。
乳制品废弃物的来源、成分与管理
供应链中的“漏损点”
DFW贯穿生产全链条：农场（占比较低，约＜1%）→加工厂（损失集中，约占半数）→零售与餐饮→家庭消费（合计贡献30–70%总量）。制造环节的副产物（如奶酪乳清、脱乳糖渗透液）因量大、组分相对均一，最适宜集中式生物加工。
关键底物：乳清的多样面孔
甜乳清（奶酪凝乳后液体）年产量达～2亿吨，富含乳糖（～5%），但蛋白质与脂肪含量低；酸性乳清（希腊酸奶/酸凝奶酪副产品）pH更低、矿物质偏高；高盐乳清则含2–5%氯化钠。此外，乳清渗透液、脱乳糖母液、酪乳以及清洁废液（含清洗剂残留）均为潜在发酵底物。
这些流体的高含水率稀释了可发酵碳源，增加了运输与反应器成本，因此就近在乳品厂内或邻近区域进行浓缩与发酵最为经济可行。
微生物发酵转化DFW的潜力与挑战
优势与瓶颈并存
乳清类DFW提供现成的碳氮源，但成功转化需克服三大障碍：
- 1.
乳糖代谢限制：工业宠儿酿酒酵母（S. cerevisiae）无法天然利用乳糖；
- 2.
底物波动：不同批次乳清的pH、盐分、抑制剂差异显著；
- 3.
经济壁垒：中小规模加工厂缺乏资金与技术投入高成本精制路线。
酵母平台的“双轨策略”
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短期方案：天然乳糖发酵酵母（如K. marxianus、K. lactis）可直接生长于乳清，快速产出微生物菌体；
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长期方向：通过基因工程赋予S. cerevisiae乳糖利用能力，结合其成熟的遗传工具箱与抗逆性，构建通用型底盘细胞。
生物产品在奶牛营养中的应用图谱
微生物菌体：单细胞蛋白（SCP）
酵母菌体蛋白含量可达33–60%，氨基酸谱均衡，B族维生素丰富。研究显示，K. marxianus在脱蛋白甜乳清上可获得6–65 g/L干重，乳糖转化率达0.48–0.52 g/g。此类SCP可作为豆粕/鱼粉的部分替代，补充泌乳牛限制性氨基酸。
矿物强化菌体：提升微量元素生物利用度
在发酵基质中添加无机硒（Na?SeO?）或铬盐，酵母将其转化为有机形态（如硒代蛋氨酸）。例如，K. marxianus在加硒乳清中培养，菌体硒水平达85 mg/kg，饲喂犊牛后血液硒浓度显著上升。铬强化酵母也被证明可改善产奶量与免疫功能。
功能性多糖：β-葡聚糖与甘露寡糖
酵母细胞壁的多糖组分（β-1,3/1,6-葡聚糖、甘露蛋白）兼具益生元与霉菌毒素吸附功能。K. marxianus在乳糖培养基中产出的碱不溶性葡聚糖占比达15%（干基）。这些分子能促进肠道有益菌、调节免疫，并通过结合黄曲霉毒素B?等降低其在乳中的迁移风险。
直接饲喂微生物（DFM）：活菌制剂
活性酵母（尤其是S. cerevisiae）作为瘤胃益生菌已广泛应用，可提高干物质采食量、稳定pH、增加乳脂与乳蛋白。从乳清分离的K. marxianus菌株显示出良好的胃肠道存活率，具备开发为本土DFM的潜力。
氨基酸、有机酸与酶：精准营养与消化助剂
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酵母菌体富含赖氨酸、亮氨酸，而蛋氨酸略低；代谢工程正致力于提升含硫氨基酸产量；
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乳酸、丙酸等有机酸可用于青贮保存与饲料酸化；工程化S. cerevisiae已在乳清底物上实现乳酸高产；
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乳糖发酵酵母天然产β-半乳糖苷酶（乳糖酶）；重组菌还可分泌植酸酶、纤维水解酶，甚至表达霉菌毒素降解酶（如黄曲霉毒素B?分解酶）。
脂质与维生素：能量密度与微量营养素
产油酵母Yarrowia lipolytica在酸性乳清中积累～40%油脂（干重）；进一步改造后可合成α-亚麻酸（ALA, ω-3），有望提升牛奶ω-3含量。紫外线辐照酵母可富集维生素D，弥补舍饲奶牛光照不足缺口。
酵母工程的突破：让“万能细胞”吃透乳糖
S. cerevisiae的基因可操作性无与伦比——CRISPR工具、模块化启动子库、自动化生物铸造厂（biofoundry）使其成为理想的定向改造对象。核心进展包括：
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引入外源乳糖通透酶与β-半乳糖苷酶基因，使S. cerevisiae获得乳糖利用能力；
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通过适应性实验室进化（ALE）筛选耐盐、耐洗涤剂突变株，适应咸乳清与设备清洗废液；
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利用Crabtree效应（有氧条件下仍优先发酵糖）抑制杂菌生长，并利用其对多种抗生素的天然抗性，在含药废奶中占据生态优势。
未来还可定制“增值特性”：增强蛋氨酸合成途径、整合植酸酶表达盒、重构脂肪酸谱，使同一菌体同时扮演“营养补充+消化增强”双重角色。
结论与展望：闭环乳业的实现路径
DFW的生物增值需聚焦五大方向：
- 1.
底物预处理优化：针对不同乳清流开发低成本标准化工艺；
- 2.
高效菌株构建：利用合成生物学与ALE打造“吃废全能型”S. cerevisiae；
- 3.
产品优先级排序：优先推进SCP、DFM等市场成熟、监管友好的品类；
- 4.
就地放大：将发酵单元嵌入现有乳品厂，削减物流成本；
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全生命周期评估：量化环境效益，验证减碳与经济效益的真实平衡。
唯有跨学科协作，才能将乳制品废弃物从环境负担转化为驱动循环农业的高值资源。
