废酵母，也称为发酵残渣，是在生产生物乙醇或啤酒、葡萄酒等发酵饮料过程中产生的副产品。在啤酒生产中，废酵母是第二大废弃物，每生产一升啤酒大约会产生1.5–2.3克的废酵母。然而，这部分生物质可以重复使用2到10次，用于下一批产品的接种（Avramia & Amariei, 2021; Jaeger et al., 2020）。在葡萄酒生产中，每升葡萄酒产生的废酵母量通常在4至6克之间（Chetrariu et al., 2025; Dávila et al., 2017; Molina et al., 2007），不过目前尚不清楚这是否仅指沉淀的酵母，还是包括残留的葡萄颗粒和酒石酸在内的全部发酵沉淀物。
目前，这些废酵母主要被丢弃或用于低价值的应用，如沼气生产、堆肥、动物饲料，或用于蒸馏残余酒精（De Iseppi et al., 2020; Jaeger et al., 2020）。然而，酵母衍生产品在多个领域具有高价值的应用，可作为食品、饲料和化妆品中的功能性纤维，以及作为抗氧化剂、益生元添加剂、疫苗佐剂和维生素包封材料（Avramia & Amariei, 2021; De Iseppi et al., 2020; Jaeger et al., 2020; Jin et al., 2018; Raikos et al., 2018; B. C. Soares et al., 2025）。对于这些应用，生产商通常依赖专门的酵母来源，而不是废酵母。在这种情况下，转向使用废酵母可能会带来经济和生态上的优势（De Iseppi et al., 2020; Jaeger et al., 2020）。然而，尚不清楚哪些废酵母来源最适合生产特定的酵母衍生物，以及它们的内在变异性如何影响这些产品的生产。
工业废酵母主要由、和组成，因为这些是生产发酵饮料最常用的酵母种类。在这些酵母菌株中，细胞壁占细胞干质量的20–30%，其余部分由细胞膜和细胞质成分组成，如核酸（5–12%）、蛋白质（50–60%）、细胞质糖原（1–5%）和海藻糖（0.5–3.8%）（Aguilar‐Uscanga & Francois, 2003; Deshpande et al., 2011; Ngoc et al., 2017; Vieira et al., 2013）。细胞壁本身主要由β-葡聚糖（35–60%）和甘露蛋白（30–50%）组成，还含有少量的细胞壁相关糖原（1–29%）和几丁质（1–3%）（Aguilar‐Uscanga & Francois, 2003; Bastos et al., 2024; Deshpande et al., 2011; Loza & Doering, 2024; Quirós et al., 2011）。这些成分以分层结构存在，其中磷酸化的甘露蛋白形成外层，与细胞环境相互作用并决定重要的表面性质，如表面疏水性和抗氧化能力。在其下方，一个高度连接的网络由β-葡聚糖和几丁质组成，形成坚固的内层，主要负责细胞壁的机械强度（Bzducha-Wróbel et al., 2012; Lipke & Ovalle, 1998）。这个内层既是外层甘露蛋白的附着点，也是内层由细胞壁相关糖原组成的颗粒状结构的附着点（Bastos et al., 2024; Lipke & Ovalle, 1998; Loza & Doering, 2024）。需要注意的是，大多数数据来自对的研究，但通常认为也适用于其他酵母种类。
除了菌株或种类相关的差异外，许多因素也会影响废酵母细胞的组成。首先，酵母细胞在工业发酵过程中会经历各种压力，这会严重改变其组成，尤其是细胞壁多糖和储备碳水化合物（Aguilar‐Uscanga & Francois, 2003; Charpentier et al., 1986）。最初，酵母被投入富含糖的麦汁或发酵液中，这对细胞造成显著的渗透压应力。在这种情况下，高渗透压甘油（HOG）途径和细胞壁完整性（CWI）途径会被激活（Bastos et al., 2015; Jendretzki et al., 2011）。Slaninová等人（2000）观察到，与对照细胞相比，受到渗透压冲击的酵母细胞的β-葡聚糖含量增加了300%。除了细胞壁组成的变化外，这种渗透压冲击还导致细胞壁聚合物的压缩（Ene et al., 2015）和谷胱甘肽积累的增加（Jamnik et al., 2006）。CWI途径的激活导致细胞壁β-葡聚糖在接种后部分水解，使细胞壁变得更薄、更柔韧，从而有利于酵母细胞的快速扩展和繁殖（Levin, 2005; Srinorakutara, 1998）。同时，糖原储备被消耗以支持酵母细胞的快速生长，但一旦细胞繁殖停止且渗透压压力因糖的消耗而减轻，糖原储备会迅速得到补充（Deshpande et al., 2011; Gomar-Alba et al., 2015）。在发酵结束时，乙醇的积累导致甘露蛋白相关基因的转录增加和细胞壁重塑，尽管其对细胞壁组成的影响似乎有限（Ribeiro et al., 2022; Schiavone et al., 2016）。同时，营养物质的消耗导致糖原储备的消耗和细胞壁的重塑，伴随多酚在细胞壁上的吸附减少，可能是由于甘露蛋白的磷酸化程度降低（Deshpande et al., 2011; Sidari & Caridi, 2016）。由于甘露蛋白上的磷酸基团是细胞表面电荷的主要贡献者，因此磷酸化程度的降低也可能影响细胞的排斥性和絮凝性（Amory & Rouxhet, 1988; Lipke & Ovalle, 1998; Suzzi et al., 1994）。在发酵结束时，一个酵母细胞上的絮凝蛋白与另一个酵母细胞上的甘露糖残基之间形成桥梁，导致较大的絮状物形成并沉淀（Goossens et al., 2011; Mehta et al., 2021）。一些葡萄酒酵母在长时间发酵过程中还会将部分甘露蛋白释放到溶液中，但目前尚不清楚这些甘露蛋白是否会重新结合到细胞壁中（Quirós et al., 2011; Snyman et al., 2023）。发酵过程中所有这些压力对酵母细胞壁组成和相关性质的累积影响目前仍不甚清楚。
除了酵母生长和发酵各阶段发生的动态变化外，发酵介质的组成和发酵条件也会显著影响废酵母的性质。麦汁中的主要糖分是麦芽糖，而发酵液主要含有葡萄糖和果糖。Aguilar‐Uscanga和Francois（2003）发现，以葡萄糖为碳源培养的酵母含有更多的β-葡聚糖和甘露聚糖（分别为6.3%和9.3%），而以麦芽糖为碳源培养的酵母则含有较少（分别为5.1%和5.5%）。同时，他们注意到发酵温度对细胞壁组成的显著影响，这一参数通常根据所使用的酵母菌株或生产的啤酒或葡萄酒类型而变化。如前所述，发酵过程中乙醇应力逐渐增加，啤酒发酵中的乙醇浓度通常达到5–10%，而葡萄酒发酵中的乙醇浓度可达到14–15%，这是由于发酵开始时糖浓度较高（Piddocke et al., 2009; Varela et al., 2015）。这种乙醇应力会通过上调β-葡聚糖和甘露蛋白的产量来显著增加细胞壁的质量，并导致细胞壁结构的重组（Aimanianda et al., 2009; Sahana et al., 2024）。这也意味着酿造过程中麦汁的比重会对废酵母的性质产生重大影响（Piddocke et al., 2009）。
酵母菌株、发酵条件、培养基组成以及发酵过程中发生的压力的变化对废酵母的累积影响尚不清楚。因此，本研究旨在调查来自啤酒和葡萄酒生产的工业废酵母的多样性，重点关注其细胞壁组成和与细胞壁相关的性质，包括表面电荷和絮凝行为。绘制这种多样性有助于突出选择合适的废酵母来源对于生产酵母衍生产品的重要性。此外，还将研究细胞壁组成与某些细胞壁相关性质之间的关系。总体而言，这些知识将帮助酵母衍生物生产商从使用专门的酵母来源转向利用废酵母来源进行生产。通过这种方式，本研究旨在为这些工业废酵母在高价值应用中的价值利用提供框架。
