《Journal of Cleaner Production》：Sustainable utilization of citrus biowaste through pharmacoinformatic and green extraction approaches to develop polymethoxyflavones-rich extract targeting xanthine oxidase in gouty arthritis
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柑橘生物废弃物中高甲氧基黄酮（PMF）的绿色提取与痛风治疗机制研究。采用自然深熔溶剂（NADES）和超声辅助提取技术，显著提升PMF（如橙皮素、花椒素、柚皮素）的产率，结合分子对接和动力学模拟证实其抑制黄嘌呤氧化酶（XO）的活性，较传统药物更安全有效。研究还筛选出柠檬碱品种为最佳原料，为可持续生物制药提供新思路。
阿比拉莎·夏尔马（Abhilasha Sharma）| 阿米莎·拉尼（Amisha Rani）| 阿曼·夏尔马（Aman Sharma）| 苏曼迪普·考尔（Sumandeep Kaur）| 克里蒂卡·库克萨尔（Kritika Kuksal）| 阿尔蒂·希夫拉吉·尼勒（Arti Shivraj Nile）| 希夫拉吉·哈里拉姆·尼勒（Shivraj Hariram Nile）
食品与营养生物技术部门，BRIC-国家农业食品与生物制造研究所（NABI），第81区，萨希布扎达·阿吉特·辛格·纳加尔（Sahibzada Ajit Singh Nagar），莫哈利（Mohali），旁遮普邦，140306，印度
摘要
柑橘类生物废弃物是果汁和食品加工的主要副产品，产量巨大但利用率低下。这种低利用率不仅加剧了环境问题，还忽视了其作为富含生物活性化合物（尤其是具有治疗价值的多甲氧基黄酮类化合物，简称PMFs）的潜力。本研究提出了一种综合方案，旨在从柑橘废弃物中可持续地提取PMFs，以治疗痛风性关节炎。药理信息学分析表明，黄嘌呤氧化酶抑制和炎症调节是关键机制；结构-活性关系显示柑橘素、辛内塞汀（sinensetin）和诺比利汀（nobiletin）是主要的PMFs候选物。分子对接和动力学分析证实了这些化合物与黄嘌呤氧化酶的强效且稳定的结合（辛内塞汀的结合自由能 = ?79.9 kcal/mol）。Citrus reticulata（金诺橙）被确定为PMFs含量最高的品种。通过使用天然深共晶溶剂（NADES；甜菜碱-甘油）和超声辅助提取方法，PMFs的产量比乙醇提取方法提高了三倍，这一点通过高效液相色谱法得到了验证。这些NADES提取物表现出优异的抗氧化（半最大抑制浓度 = 10.17 mg/mL）和抗炎活性。动力学建模和扫描电子显微镜观察证实了物质传递和细胞破坏效果的改善。酶动力学实验表明，辛内塞汀和NADES提取物对黄嘌呤氧化酶的抑制作用显著，甚至超过了别嘌醇。总体而言，这种基于生物学的综合方法促进了环保的PMFs回收，并支持将其开发为治疗代谢性和炎症性疾病的天然药物。
引言
天然产物长期以来一直是传统医学体系的基础，提供了大量具有治疗潜力的生物活性化合物（Atanasov等人，2021年；Sezer等人，2024年）。其中，Citrus reticulata（金诺橙）、Citrus sinensis（甜橙）和Citrus limon（柠檬）等柑橘类水果是全球广泛种植和加工的作物（Strano等人，2022年；Suri等人，2021年）。然而，这种大规模生产产生了大量的生物废弃物，包括果皮、果肉和种子，通常占总果重的50%。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球柑橘产量每年超过1.4亿吨，显示出巨大的废弃物产生量（Khanashyam等人，2023年）。虽然这些废弃物对环境和经济造成了重大挑战，但它们仍是一种未充分利用的资源，富含高价值的植物化学物质，尤其是多甲氧基黄酮类化合物（PMFs）。
PMFs是一类特殊的甲氧基黄酮类化合物，主要存在于柑橘果皮中，已成为柑橘生物废弃物中最有价值的生物活性成分之一（Munir等人，2024年；Olabinjo和Olabinjo，2025年）。柑橘果皮占柑橘加工残渣的很大比例，其中PMFs的浓度根据柑橘品种和加工方法的不同，可达到干重的2%至4%（Barreca等人，2020年）。诺比利汀、柑橘素和辛内塞汀等关键PMFs在Citrus reticulata和Citrus sinensis等品种的果皮中尤为丰富（Wang等人，2024年）。这些化合物具有高度的甲氧基化程度，这提高了它们的亲脂性、代谢稳定性和生物利用度（Wang等人，2024年）。它们的药理特性包括抗氧化作用以及通过调节NF-κB和MAPK通路发挥的抗炎效果（Barreca等人，2020年；Munir等人，2024年）。这些生物活性表明PMFs在应对氧化应激、炎症和代谢紊乱等健康问题方面具有潜力，使柑橘生物废弃物成为营养保健品和药品应用的宝贵资源。
痛风性关节炎是一种严重的代谢性疾病，主要由尿酸生成过多或排泄不足引起（Benn等人，2018年）。黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化为尿酸，其过度活跃是痛风的核心病理特征（Seychell等人，2023年）。单钠尿酸盐晶体在关节中的沉积会引发强烈的炎症反应，这是通过激活NLRP3炎性小体和释放IL-1β和TNF-α等促炎细胞因子来实现的（Liu等人，2023年）。尽管合成XO抑制剂如别嘌醇和非布司他被广泛用于痛风治疗，但其临床应用常常受到不良反应、过敏反应和心血管风险增加的限制（Yao等人，2024年；Yu等人，2024年）。因此，迫切需要更安全、多靶点和可持续的治疗替代方案。
利用柑橘生物废弃物回收富含PMFs的提取物具有双重优势：它通过减少农业工业废弃物来促进环境可持续性，并支持开发用于治疗慢性炎症性疾病（如痛风）的新营养保健品和植物药。然而，由于PMFs的水溶性低以及柑橘生物废弃物的复杂基质，其高效提取面临挑战。传统的提取方法通常依赖乙醇等有机溶剂，这些方法能耗高、对环境负担大，且目标化合物的回收率不佳（Osorio-Tobón，2020年）。在这种情况下，新兴的绿色提取技术引起了广泛关注，特别是天然深共晶溶剂（NADES），它们被提议作为从食品和农业工业废弃物中回收植物活性成分的可持续替代品。NADES通常由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）组成，这两种成分均来自天然存在的可生物降解物质，形成低挥发性的液体相，具有高溶解能力和可调的极性（Hikmawanti等人，2021年）。对于那些水溶性差的亲脂性、高度甲氧基化的PMFs，基于生物相容性季铵盐或两性HBA和多元醇类HBD的NADES能够改善其在柑橘和其他水果副产品中的溶解性和渗透性。由甜菜碱（一种两性、植物来源的HBA）和甘油（低毒性的多羟基HBD）组成的食品级系统特别适合实现柑橘生物废弃物的绿色回收，同时更好地满足PMFs溶解的物理化学要求。
与此同时，药理信息学的进步，包括网络药理学、分子对接和分子动力学模拟，使得人们能够系统地理解PMFs发挥治疗作用的多靶点机制（Li等人，2025年）。网络药理学有助于绘制PMFs、XO和炎症相关通路之间的复杂相互作用，而计算建模则阐明了PMFs在分子水平上的结合亲和力、稳定性和结构-活性关系（Li等人，2023年；Noor等人，2022年）。这些综合方法对于弥合传统知识与现代药物发现之间的差距至关重要，提供了机制见解，并加速了将柑橘来源的PMFs转化为临床相关干预措施的过程。
因此，本研究采用了一种综合的多学科方法，对十种不同柑橘品种的生物废弃物进行价值化利用，重点识别PMFs含量最高的来源，并优化绿色提取工艺以实现最大产量和可持续性。通过结合先进的NADES提取技术、药理信息学分析和初步的生物活性验证，本研究旨在：（i）表征柑橘生物废弃物的植物化学成分；（ii）阐明关键PMFs对XO和炎症介质的多靶点作用机制；（iii）实验验证它们作为治疗痛风性关节炎的天然、环保药物的潜力。通过这些工作，不仅推进了可持续生物废弃物利用的科学和技术前沿，也为开发针对复杂代谢性和炎症性疾病的下一代营养保健品和植物药奠定了基础。
方法部分
下文提供了计算和实验工作流程的结构化概述。完整的逐步协议和软件分析请参见补充方法。
从柑橘生物废弃物中分离多甲氧基黄酮类化合物及其在痛风管理中的潜在应用
本研究利用IMPPAT 2.0数据库（该数据库整合了来自100多部印度传统医学文献和数千篇同行评审文章的植物化学数据），系统地从16种柑橘品种中鉴定了4788种次级代谢物（Mohanraj等人，2018年）。重点关注来自果实的废弃物（果皮、果肉、种子），共选择了1812种化合物，因为它们对可持续价值化策略具有重要意义（图1，表S1）。这种对柑橘生物废弃物的关注得到了日益增长的支持...
结论
本研究充分利用了柑橘生物废弃物的潜力，开发了一个全面且可持续的框架，用于回收11种印度柑橘品种的果皮和果渣。通过采用先进的绿色提取技术，特别是NADES（如甜菜碱-甘油系统），本研究最大化了PMFs的回收率，这是一种独特且具有药理意义的甲氧基黄酮类化合物。这些环保方法的结合不仅提高了提取效率...
CRediT作者贡献声明
阿比拉莎·夏尔马（Abhilasha Sharma）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、数据管理。阿米莎·拉尼（Amisha Rani）：撰写初稿、方法设计、正式分析、数据管理。阿曼·夏尔马（Aman Sharma）：数据可视化、方法设计。苏曼迪普·考尔（Sumandeep Kaur）：方法设计。克里蒂卡·库克萨尔（Kritika Kuksal）：方法设计。阿尔蒂·希夫拉吉·尼勒（Arti Shivraj Nile）：撰写、编辑、项目管理。希夫拉吉·哈里拉姆·尼勒（Shivraj Hariram Nile）：撰写、编辑、监督、项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了阿努桑丹国家研究基金会（Anusandhan National Research Foundation, ANRF）（印度）的支持（资助编号：EEQ/2023/001099）。作者衷心感谢BRIC-国家农业食品与生物制造研究所（NABI）的执行主任。
