在糖水体系中，通过可持续的全细胞催化方法处理柑橘加工副产物，以高效生产高价值黄酮类化合物

《Food Bioscience》：Sustainable Whole-Cell Catalysis of Citrus Processing Byproducts for High-Value Flavonoid Production in Sugar-aqueous System

高效利用柑橘加工副产物中的黄酮类化合物面临溶解性差和溶剂毒性等问题。本研究创新性地开发了仅由糖和水组成的绿色溶剂系统，通过Aspergillus oryzae全细胞催化实现黄酮苷高效水解。该系统不仅显著提升溶解度（如橙皮苷溶解度提高70倍），还能通过调节糖的种类和水含量选择性生成高值单糖苷（如95.5%橙皮苷转化率），且催化剂连续使用8批次仍保持高活性。相较于传统有机溶剂、离子液体和天然深熔盐溶剂，该系统在安全性、操作简便性和环境友好性方面具有显著优势，为可持续农业废弃物资源化提供了新策略。

　　

作者：朱行翔、刘晓涵、赖学能、李晓峰、赵光磊

华南理工大学食品科学与工程学院，中国广东省广州市五山路381号，510640

摘要

由于柑橘加工副产物的水溶性较差，对其进行高效增值利用仍然面临挑战，这阻碍了它们在循环生物经济中的有效转化和利用。为了克服这一瓶颈并推动更安全、更可持续的工艺，我们开发了一种新型的糖-水体系，该体系仅由糖和水组成，作为传统有机溶剂及其他溶剂的替代品，用于米曲霉全细胞催化的柑橘类黄酮水解。与之前报道的基于糖的天然深共晶溶剂（NADEs）不同，我们的体系仅使用糖-水作为反应介质，提供了一种更简单、更可持续的方法。该体系显著提高了所有测试柑橘黄酮的溶解度，其中柚皮苷的溶解度相比水提高了70倍。值得注意的是，糖-水介质实现了高效的生物转化，普鲁宁的产率为95.5%，底物转化率超过96%，优于传统有机溶剂、离子液体（ILs）和天然深共晶溶剂（NADEs）。此外，该体系具有可调的“设计性”：通过改变糖的种类和含水量，可以有选择地生成单糖苷或苷元产物。全细胞生物催化剂在该体系中也表现出优异的操作稳定性，在连续八批实验中保持了高活性。对比研究表明，在葡萄糖-水介质中，多种柑橘残渣中的黄酮二糖苷的转化产率为40%-90%，且主要产物从苷元（在DMF中）转变为高价值单糖苷（柚皮苷除外）。这些发现突显了糖-水溶剂作为绿色、可调且高性能介质的独特能力和多功能性，有助于农业工业残留物的选择性水解和结构修饰，从而促进可持续的废物增值和循环生物经济的发展。

引言

工业废物的管理和增值是绿色化学领域的重要挑战。其中，柑橘加工副产物的高价值利用受到了越来越多的关注。全球柑橘年产量超过6375万吨（Kiteto等人，2025年），富含生物活性化合物的柑橘皮在制药、营养保健品、食品、饮料和化妆品领域具有巨大潜力（Mitra等人，2022年）。然而，柑橘黄酮主要以糖基化形式存在，如芸香苷或新橙皮苷，这些化合物的水溶性较差，因此口服生物利用度低（Seetharaman等人，2023年）。大多数这类化合物在水中的溶解度为“微溶”甚至“几乎不溶”，严重限制了其在制药和营养保健品中的应用。先前的研究表明，通过结构修饰，特别是将二糖苷水解为单糖苷衍生物，可以显著提高其水溶性和生物利用度（Cao等人，2022年；Liu等人，2022年；Zhao等人，2019年）。因此，开发高效且可持续的策略来选择性地将柑橘黄酮苷转化为更易吸收的形式在科学和工业上都具有重大意义。

在各种结构修饰策略中，生物催化——使用全细胞、细胞提取物或纯化酶进行有机合成——符合绿色化学的原则（Sheldon，2024年）。已有报道通过酶促或全细胞催化方法有效修饰了糖基化黄酮（Li等人，2024年；Wang等人，2022年；Weiz等人，2016年）。与使用分离的酶相比，全细胞催化具有优势，例如无需纯化酶的过程，降低了生产成本，并且可以通过轻松分离和回收细胞来实现催化剂回收。此外，全细胞催化剂为酶提供了天然环境，有利于辅因子的再生，并防止在苛刻条件（包括非水反应介质）下酶的变性和失活（Chen等人，2018年；Li等人，2022年；Zhang等人，2020年）。虽然使用纯化的α-L-鼠李糖苷酶水解柑橘黄酮苷已被广泛研究（Gerstorferova等人，2012年；Liu等人，2019年；Vila-Real等人，2011年；Wan等人，2020年），但关于全细胞催化的报道较少（Lin等人，2023年；Zou等人，2020年）。

对于酶或全细胞的生物催化，反应溶剂在实现高效反应中起着重要作用。柑橘黄酮的低溶解度是使用生物催化剂进行高效反应的关键障碍。因此，这类反应所需的溶剂不仅需要对酶友好并降低酶失活的风险，还需要能够有效溶解这些难溶的底物（Fotiadou等人，2022年；Zhang等人，2025年）。历史上，有机溶剂（尤其是二甲基亚砜（DMSO）因其溶解黄酮的能力而被广泛用作反应介质。然而，极性有机溶剂如DMSO与酶不兼容，常导致酶失活。此外，作为传统有机溶剂，它们具有固有的毒性、挥发性和易燃性，对环境和公共健康构成威胁（Wei等人，2015年）。随着现代工业加工对绿色技术的需求（Khuri等人，2025年），人们越来越倾向于用新兴的绿色溶剂（如离子液体（ILs）、深共晶溶剂（DES）或天然深共晶溶剂（NADEs）替代传统有机溶剂（Guajardo & Dominguez De Maria，2019年；Ria?o，2025a；Tan & Dou，2020年）。离子液体（ILs）最初作为绿色化学中的有机溶剂替代品出现（Seddon，2000年），但在生物降解性和可持续性方面存在挑战（Ria?o，2025年）。随后，DES（包括NADEs）因其高溶解度、低毒性和生物降解性而受到广泛关注（Guajardo & de María，2018年；Dai等人，2013年）。尽管DES和NADE的原料被认为是安全无毒的，但关于这些溶剂的毒性或生态毒性的研究较少，对其毒性的结论仍有争议（Ria?o，2025a；Sharma & Lee，2024年）。Radosevic等人报告称，基于ChCl的DES对鱼类和人类细胞系的细胞毒性较低，对小麦的植物毒性也较低（Radosevic等人，2015年）。基于磷的DES对甲壳类动物Artemia salina的细胞毒性高于其单独成分（Hayyan等人，2013年）。Morais等人研究了基于ChCl和不同有机酸的NADEs的细胞毒性，发现测试的NADEs具有“中等毒性”，主要毒性来源是酸作为HBD（de Morais等人，2015年）。因此，在大规模工业应用之前，还需要更多的实验数据（Benvenutti等人，2019年）。进一步研究更绿色、更安全、无毒的溶剂仍然十分必要（Imeneo等人，2022年；Phucharoenrak等人，2022年；Xu等人，2019年）。

基于我们之前在溶剂辅助下全细胞水解柑橘黄酮方面的研究，之前已有报道指出，基于天然深共晶溶剂（NADEs）的生物相容性溶剂-缓冲体系可以提高底物溶解度和反应效率（Zou等人，2020年）。尽管这些体系具有催化优势，但它们需要复杂的配方，并在产品纯化和溶剂回收方面存在挑战。为了解决这些问题并进一步简化反应体系，我们提出了一种新型的糖-水溶剂策略，该体系仅由糖和水组成，无需额外的有机溶剂或缓冲添加剂。与之前报道的基于NADE的体系不同，我们的糖-水体系本身作为唯一的反应介质，提高了可持续性、降低了毒性并简化了产品回收。这种热辅助的糖-水体系能够高效地进行柑橘黄酮二糖苷的全细胞催化，选择性地产生高价值单糖苷，改善了其水溶性。我们系统研究了糖的种类和浓度对米曲霉全细胞生物催化剂催化性能和产物选择性的影响，以柚皮苷为代表底物。还评估了反应动力学、生物催化剂的操作稳定性和底物范围。重要的是，该体系可以可控地生成单糖苷或苷元，并且与之前的溶剂体系相比，显示出更好的生物相容性和可重复性，凸显了其在绿色和可扩展的黄酮加工方面的潜力。

实验试剂

米曲霉 FSC-2来自华南理工大学食品科学学院（中国广州）。柚皮苷（95%）和芸香苷（90%）购自RAWN（中国上海）。橙皮苷（95%）和新橙皮苷（95%）购自TCI（日本东京）。新橙皮苷二氢查尔酮（98%）、橙皮苷（98%）和柚皮苷（98%）购自上海Gena Biotechnology有限公司。普鲁宁（98%）、异槲皮素（98%）和橙皮苷-7-O-葡萄糖苷（98%）也进行了采购。

不同柑橘黄酮在糖-水体系中的溶解度

由于柑橘黄酮具有多种生物活性，它们在食品、制药和化妆品行业中得到广泛应用；然而，其较差的水溶性常常限制了实际应用（Lajoie等人，2022年）。因此，了解黄酮在不同溶剂中的溶解行为对于基础研究和工业应用至关重要。在开发的糖-水体系中，首先评估了几种难溶于水的黄酮的溶解度。

总结与展望

本研究展示了一种有效且环保的柑橘加工副产物水解反应平台，这些副产物富含黄酮苷。核心贡献在于开发了一种简化且更安全的糖-水溶剂体系，有效解决了传统溶剂体系中黄酮溶解度有限和低价值苷元副产物过量生成的难题。

这种方法不仅提高了反应效率，还

作者贡献声明

李晓峰：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。赵光磊：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。朱行翔：撰写——初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。刘晓涵：撰写——初稿撰写、验证、方法学设计、数据分析、概念构建。赖学能：撰写——审稿与编辑。

未引用参考文献

Guajardo和Dominguez，2019年；Liu等人，2019年；Ria?o，2025b。

利益冲突

不存在利益冲突。

数据可用性

数据可根据要求提供

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：22278159和21978101）和广东省自然科学基金（资助编号：2024A1515011105）的支持。