一种集成的热液-酶法生物精炼技术，通过去除木质素高效从欧亚莲（Euryale ferox）种壳中提取阿魏酸

《Process Biochemistry》：An integrated hydrothermal-enzymatic biorefinery approach for efficient ferulic acid production from Euryale ferox seed shell via lignin removal

香豆酸协同提取工艺及抗氧化活性研究。采用水热处理联合纤维素酶、木糖酶及香豆酰酯酶（HCXF）预处理菱角壳，有效破坏木质纤维素结构，去除30.82%木质素，实现2.21 mg/g香豆酸高效回收。其提取物表现出显著的DPPH（IC50=0.19 mg/mL）和羟基自由基（IC50=0.11 mg/mL）清除能力，为农业废弃物高值化利用提供新途径。

　　

钱世全|程欣然|宋文星|郑悠悠|唐若君|范静静|金慈|刁恩杰

江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心，江苏省淮扬食品安全与营养功能评价重点实验室，江苏省洪泽湖生态农业生物技术重点实验室，淮安223300，中国

摘要

本研究探讨了热水解与酶水解联合处理法在回收阿魏酸方面的有效性。结果表明，热水解、纤维素酶、木聚糖酶和阿魏酸酯酶联合水解（HCXF）能够破坏Euryale ferox种壳中的木质纤维素纤维，并去除半纤维素和木质素，从而提高酶法糖化效果。具体而言，当采用热水解（29.7 ml/g，110 °C，1.0 h）后进行酶水解（纤维素酶31.3 ml/g，1.0%；木聚糖酶34.5 ml/g，0.7%；阿魏酸酯酶16.6 ml/g，0.7%，反应时间36 h）时，可回收2.21 mg/g的阿魏酸，木质素去除率为30.82%。此外，通过HCXF法获得的阿魏酸提取物具有很强的1,1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）和羟基自由基清除能力，其IC₅₀值分别为0.19 mg/ml和0.11 mg/ml。该工艺通过有效去除E. ferox种壳中的木质素，显著提高了阿魏酸的回收率，具有在食品或制药行业作为抗氧化成分的应用潜力。

引言

Euryale ferox是一种水生植物，在东亚地区广泛分布[1]。在中国，由于其营养价值和药用特性，E. ferox被视为重要的食物资源[2]。然而，作为其主要副产品之一的E. ferox种壳由于具有坚硬复杂的木质纤维素结构而未得到充分利用[3]。E. ferox种壳主要含有木质纤维素和酚类化合物[4]。阿魏酸（FA）广泛存在于由木质纤维素构成的结构中[5]，是一种具有强抗氧化和抗癌活性的关键酚类化合物[6]。

利用植物原料回收阿魏酸受到了广泛关注。许多植物原料，如稻草[7]、小麦麸皮[8]和当归根[9]，都被用于阿魏酸的提取。目前已开发出多种提取方法，包括化学水解[10]、物理预处理[11]和酶水解[12]。虽然化学水解（使用酸或碱）效率较高，但容易导致生物活性化合物的降解和有毒副产物的产生。热处理是一种环保且能耗低的物理方法，能够在高温高压下破坏木质纤维素结构[8]。例如，热处理可改善废弃原料的厌氧消化和酶法糖化过程，促进目标化合物的释放[13],[14],[15]。此外，酶水解因其特异性和温和的反应条件，在从原料中释放阿魏酸方面展现出巨大潜力[16]。先前的研究表明，纤维素酶、木聚糖酶和阿魏酰酯酶能够破坏细胞壁和酯键，有效释放阿魏酸[17]。纤维素酶分解木质纤维素，木聚糖酶作用于半纤维素，而阿魏酰酯酶则切断阿魏酸与多糖之间的酯键[18]。最近，人们探索了联合使用热处理和酶水解的方法来回收阿魏酸，因为这两种方法对破坏原料的木质纤维素结构具有协同效应[12],[16]。联合热处理和酶水解显著提高了玉米纤维中阿魏酸的回收率[12]。但目前尚未有关于利用热水解和酶水解联合处理法从E. ferox种壳中提取阿魏酸的报道。本研究考察了热水解（HH）、纤维素酶水解（CH）、木聚糖酶水解（XH）和阿魏酰酯酶水解（FH）以及联合工艺（HCXF）在去除木质素和回收阿魏酸方面的效果。通过SEM、FT-IR、DSC、TGA、XRD和XPS对预处理的E. ferox种壳进行了表征，并评估了阿魏酸提取物的抗氧化性能，同时进行了质量平衡分析。本研究通过开发一种既能去除木质素又能回收阿魏酸的协同工艺，为生物质生物精炼提供了新的途径。

材料

E. ferox种壳由中国淮安的一家当地农场提供，并经过清洗处理。清洗后的E. ferox种壳在60 ℃下干燥2.5小时，然后粉碎成120目粉末。纤维素酶（50,000 U/g）和木聚糖酶（15,000 U/g）购自上海宇源生物科技有限公司（上海）。阿魏酰酯酶（200 U/g）购自广东芳新生物科技有限公司（广东）。所有试剂均来自Sigma-Aldrich（上海）。

预处理工艺

热水解（HH）、纤维素酶水解（CH）、木聚糖酶水解（XH）和阿魏酰酯酶水解（FH）对阿魏酸回收的影响

图2展示了热水解（HH）、纤维素酶水解（CH）、木聚糖酶水解（XH）和阿魏酰酯酶水解（FH）对阿魏酸回收效果的影响。结果表明，阿魏酸的回收率随预处理方法和条件的不同而显著变化。对于热水解（HH），随着液固比和温度的变化，阿魏酸的回收率先增加后减少（见图2A和B）。在液固比为20 ml/g、温度为90 °C、处理时间为1.0 h的条件下，阿魏酸的回收率达到峰值（0.78 mg/g）。在液固比为20–30 ml/g的范围内

结论

本研究探讨了热水解与纤维素酶水解、木聚糖酶水解和阿魏酰酯酶水解联合处理（HCXF）在提高E. ferox种壳中阿魏酸回收率方面的效果。HCXF显著破坏了木质纤维素纤维，去除了半纤维素和木质素，从而增强了酶法糖化效果。在最佳条件下，阿魏酸的回收率为2.21 mg/g，木质素去除率为30.82%。此外，通过HCXF法获得的阿魏酸提取物具有很强的DPPH和羟基自由基清除能力

作者贡献声明

程欣然：数据收集与整理。钱世全：初稿撰写、方法指导。刁恩杰：审稿与编辑、指导。金慈：审稿与编辑、指导。范静静：数据收集。唐若君：数据收集。郑悠悠：数据收集。宋文星：数据收集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金重大项目（24KJA550001）、江苏省产学研合作项目（BY20240857）、江苏省自然科学基金基础研究项目（BK20230724）、江苏省研究生实践与创新项目（SJCX25_2167）以及江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心的团队集体研究项目的资助。