《Sustainable Food Technology》：Valorization of rice straw residue for canthaxanthin production via sustainable bioprocessing
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本综述系统阐述了一种以酸处理稻秆（ATRS）残渣为底物，通过微生物（Dietzia kunjamensis）进行液态发酵（SmF）生产角黄素（canthaxanthin）的可持续工艺。研究通过优化培养基组分（如葡萄糖、酵母提取物（YE）、NaCl浓度及pH值）使角黄素产量达到135 mg L?1，并采用超声波辅助提取提升了效率。同时，文章重点探讨了利用不同壁材（如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、环糊精（CD）等）对角黄素进行微胶囊化包埋，以改善其释放动力学、抗氧化活性（DPPH法测定为47%）及在pH > 2环境下的稳定性，为开发面向食品与营养保健品行业的功能性生物着色剂提供了理论与技术基础。
引言：角黄素的生物活性与市场需求
角黄素（canthaxanthin），亦称4，4′-二酮-β-胡萝卜素，是一种呈鲜橙色的类胡萝卜素（xanthophyll），以其抗癌、抗氧化和抗炎特性而著称。目前，化学合成法生产的着色剂占市场主导，但存在健康与环境风险。因此，开发基于农业废弃物的可持续微生物生产途径具有重要意义。本研究旨在利用酸处理稻秆（ATRS）残渣这一丰富的木质纤维素废弃物，通过微生物发酵可持续生产角黄素。
材料与方法：从底物处理到产物分析的综合工艺
研究首先从印度莫哈利创新与应用生物加工中心（CIAB）的土壤中分离出一株产橙红色素的菌株，经鉴定为迪茨氏菌属的Dietzia kunjamensis。ATRS经过碱（NaOH）处理（1-4%， w/v）和酶（纤维素酶与β-葡聚糖酶组合）糖化后，释放出的葡萄糖用作液态发酵（SmF）的碳源。发酵在优化条件下进行，培养基包含酵母提取物（YE）、NaCl等组分。采用响应面法（RSM）对葡萄糖浓度、YE浓度、NaCl浓度、pH和接种量五个关键参数进行优化。
发酵后，通过离心收集菌体生物质，使用乙醇结合超声浴（超声波处理）提取胞内色素，该方法比未超声处理提高了16.67%的提取率。粗提物经硅胶柱层析纯化，得到角黄素纯品。纯化产物通过紫外-可见光谱（UV-vis，最大吸收峰在474 nm）、薄层色谱（TLC，Rf值为0.32）、超高效液相色谱（UPLC，与标准品峰重叠）和质谱（MS，[M + H]+峰为565.2）进行表征确认。
结果与讨论：工艺优化与产品性能评估
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糖化与发酵优化：ATRS经4% NaOH处理并以65:35的纤维素酶与β-葡聚糖酶比例糖化时，获得了最高的葡萄糖浓度（58%， w/v）。在发酵中，使用醋酸盐缓冲液相较于柠檬酸盐缓冲液可获得更好的颜色参数（L， a， b， C），表明其更有利于角黄素生产。NaCl作为一价盐相比KCl和二价盐能更有效地促进生物质生长。
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角黄素产量：通过响应面法优化，确定了最佳条件为：葡萄糖1.75%（w/v）， YE 1.25%（w/v）， NaCl 1%（w/v）， pH 7， 接种量1.5%（v/v）。在此条件下，Dietzia kunjamensis的角黄素产量达到135 mg L?1，生物量为8.54 g L?1，这是该菌株目前报道的最高产量之一。
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角黄素的包埋与表征：为提高角黄素在水体系中的溶解度和稳定性，研究采用冷冻干燥法将其包埋于多种壁材中，包括麦芽糊精（MD）、环糊精（CD）、酪蛋白酸钠（SC）、果胶（PC）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。其中，PVP显示出最高的包埋效率（75%），而SC的包埋效率最低（3%）。有趣的是，在CD中加入PC可将包埋效率从24%显著提升至54%。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，角黄素成功包埋于壁材中，并发生了相互作用（如氢键形成），部分壁材的晶体结构向无定形态转变。
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释放动力学：对不同包埋基质的角黄素释放行为进行了研究。麦芽糊精（MD）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基质的释放数据与Higuchi模型拟合最佳（R2分别为0.97和0.95），表明其释放机制以扩散控制为主。而酪蛋白酸钠（SC）的释放最快，30分钟内即释放超过95%。
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功能性评估：
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抗氧化活性：纯化的角黄素在DPPH自由基清除试验中表现出浓度依赖性的抗氧化能力，在800 μg mL?1时达到47%的清除率。
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pH稳定性：角黄素在pH > 2的条件下保持稳定，但在pH 2的强酸性环境中，15小时后会发生降解并褪色。
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粉末流动性：对包埋粉末的卡氏指数（CI）和豪斯纳比（HR）评估显示，CD-PC复合基质具有最佳的流动性（CI=30%， HR=1.43），而其他壁材如PVP和MD的流动性属“尚可”至“较差”范围（CI为35-41%）。所有包埋粉末的水活度（aw）均低于0.15，表明产品脱水良好，不易发生化学和生物降解。
结论与可持续性展望
本研究成功开发了一条利用农业废弃物（酸处理稻秆）生产高价值色素角黄素的可持续生物工艺路线。通过菌株筛选、工艺优化和产物工程化（包埋），获得了具有良好抗氧化活性和pH稳定性的角黄素产品。包埋技术的应用，特别是PVP和CD-PC基质，有效改善了角黄素的释放特性和物理性质。这项工作不仅为角黄素的高效、绿色生产提供了新策略，也展示了其在食品和营养保健品行业中作为安全、功能性着色剂的应用潜力，符合循环生物经济的理念和可持续发展目标（SDGs）。
