不同物理场辅助下儿茶素对黑果醋栗（Aronia melanocarpa）多聚原花青素的亲核解聚：工艺优化、产物结构表征及体外生物活性评估

《Food Chemistry》：Catechin nucleophilic depolymerization of Aronia melanocarpa polyproanthocyanidins by different physical field assistance: Process optimization, product structure characterization and biological activity evaluation in vitro

超声协同儿茶素解聚高聚合度花青素提升抗氧化活性研究。

　　

赵金|徐嘉宁|赵世琪|马创|李梦丽|李斌|闵慧

沈阳农业大学食品科学学院，中国辽宁省沈阳市110866

摘要

来自Aronia melanocarpa（AM）的高聚原花青素（PPC）容易引起消化不适，限制了相关产品的发展。同时，传统的亲核解聚方法需要高成本的单体，这凸显了改进方法的迫切需求。本文采用响应面法优化了超声波、脉冲电场（PEF）和电子束辐照在儿茶素亲核解聚过程中的效果，进一步筛选出了PPC的最佳解聚条件。通过光谱学、色谱法、质谱法和热力学分析对解聚产物的结构进行了表征。利用ABTS、DPPH和羟基自由基清除实验以及线粒体膜电位实验评估了抗氧化活性。在最佳条件下，获得了平均聚合度（DP）较低的寡聚物：超声波+儿茶素（DP = 2.39 ± 0.15）、PEF+儿茶素（DP = 2.20 ± 0.17）和电子束+儿茶素（DP = 1.94 ± 0.15）。在抗氧化活性方面，电子束辐照结合亲核解聚的产物（INPC）的抗氧化效果最好，其次是电场结合亲核解聚的产物（ENPC），接着是超声波结合亲核解聚的产物（UNPC），最后是亲核解聚的产物（NPC）本身（NPC）。维生素C（Vc）在清除羟基自由基方面表现更佳。所有产物对Caco-2细胞均无毒性。研究表明，这种物理场-亲核解聚系统能够在低儿茶素剂量下有效降低PPC的聚合度并增强其抗氧化活性，为PPC的经济高效解聚提供了新策略，有助于促进AM深加工产业的发展。

引言

Aronia melanocarpa（AM）原产于北美洲东部，后来引入中国，并在辽宁、吉林、山东等地区广泛种植（Meng等人，2019年；Oszmiański和Wojdylo，2005年；Zhao等人，2025年）。AM富含原花青素（PC）、花青素、酚酸、黄酮类及其苷类等生物活性物质，具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗动脉粥样硬化、缓解视疲劳和增强免疫力等生理功能（Go等人，2024年；Shi等人，2024年）。随着AM种植面积和产量的增加，其生产、加工和基础研究也得到了持续推进。然而，由于其强烈的收敛性，鲜食AM很少直接食用，通常被加工成果汁、果酒和果酱等产品，或用作功能性成分提取物和蓝紫色食品色素的原料（Jurendi?和??etar，2021年；Sidor等人，2019年；Vagiri和Jensen，2017年）。

AM含有丰富的多酚类物质，其中高聚原花青素（PPC）是主要的多酚化合物，占水果多酚的66%，也是核心的抗氧化成分（Oszmiański和Wojdylo，2005年）。PC是一种由儿茶素、表儿茶素或没食子酸聚合而成的高分子黄酮类化合物。大多数PPC的聚合度（DP）大于5，人体难以吸收和利用（Labarbe等人，1999年；Sun等人，1998年；Zhang等人，2016年）。高聚PPC不仅使产品（如果汁）具有收敛性，还会在摄入后一定程度上抑制人体消化酶的活性，从而引起消化不适（Kimura等人，2011年；Yokota等人，2013年）。此外，传统的果汁生产工艺（如鲜榨和浓缩果汁）无法降低PPC的聚合度（Wilkes等人，2014年）。因此，解聚PPC以改善果汁的风味和营养价值是一个紧迫的技术挑战。

PC的生理活性与其聚合度密切相关。PC单体的聚合度定义为1，聚合度越高，其生理活性越低。聚合度为2–4的PC称为寡聚物或寡聚原花青素（OPC），而聚合度大于5的称为PPC（Qi等人，2023年；Yang等人，2021年）。PC的生理活性与其聚合度呈线性关系，聚合度增加时生理活性降低（Gomes等人，2016年）。其中，B型二聚体的活性最强（Smeriglio等人，2017年）。由于AM主要含有高聚PPC，这严重限制了产品的功能性并导致明显的收敛性。因此，将PPC解聚为OPC成为研究热点（Weber等人，2013年；Zhu等人，2019年）。

常见的PPC解聚方法包括生物解聚、物理解聚和化学解聚，但各有局限性（Zhu等人，2019年）。生物解聚（如酶解和微生物解聚）仍处于发展初期，适用菌株有限，条件难以控制，且次级代谢物的存在使产物分离复杂化（Zhu等人，2019年）。化学解聚方法（如酸解、碱水解、水解解聚和亲核解聚）也存在缺点，如成本高、能耗大和解聚效果有限（Matthews等人，1997年；Selga和Torres，2005年；Zhu等人，2019年）。物理解聚（包括热解和非热解）在PPC解聚中的应用也有限（Iannuzzo等人，2022年；Liu等人，2009年）。然而，脉冲电场、超声波和电子束辐照等物理场技术正在兴起，研究表明这些物理场的辅助作用可以提高PPC的解聚效率并显著减少亲核试剂的使用量（Liu、Luo等人，2025年；Zhu等人，2020年）。

为了解决当前AM来源PPC亲核解聚过程中聚合度有限和单体用量大的问题，本研究结合三种物理场（脉冲电场、超声波和电子束辐照）与儿茶素介导的亲核解聚。通过优化反应条件，系统地表征了解聚前后原花青素产物的结构，并比较了这些产品的抗氧化性能。本研究旨在为AM深加工产业的发展提供理论基础，并为PPC的经济高效解聚开辟新途径。

材料

本实验使用的PPC（mDP = 14.26 ± 0.94）来自福康源1号AM。乙醇购自天津富宇精细化工有限公司，儿茶素购自西安长虹生物技术有限公司，NaOH、香草醛、FeSO?·7H?O和水杨酸购自天津恒星化学试剂制造有限公司，ABTS [2,2′-偶氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐]和DPPH（1,1-二苯基-2-吡啶肼）购自...

超声波辅助亲核解聚对PPC平均聚合度的影响分析

如图1（A-C）所示，与PPC和NPC相比，超声波辅助的亲核解聚显著降低了PPC的平均聚合度。图1A显示，随着超声波功率的增加，解聚产物的平均聚合度先降低后升高，600 W时平均聚合度最低，约为PPC的1/5。图1B表明，产物的聚合度对处理时间的依赖性较小。总体趋势是产物的聚合度逐渐...

讨论

PPC的低生物活性和低食用价值源于其高聚合度。降低其聚合度已成为AM深加工的迫切需求。目前常用的亲核解聚方法仍存在解聚程度有限和成本高的问题（Jorgensen等人，2004年；Matthews等人，1997年；Zhu等人，2019年）。近年来，利用物理场进行非热处理已成为食品工业中一种新的有前景的辅助方法。

结论

本研究从AM中提取并分离出了PC。我们利用响应面法优化了提取条件，包括超声波、脉冲电场、电子束辐照和儿茶素亲核解聚。构建了三种解聚系统，分别获得了UNPC、ENPC和INPC，其平均聚合度均低于纯PC。解聚过程未改变花青素的基本组成，仍含有花青素B1等成分...

CRediT作者贡献声明

赵金：撰写——初稿。徐嘉宁：撰写——初稿。赵世琪：撰写——初稿。马创：撰写——初稿。李梦丽：撰写——初稿。李斌：撰写——审阅与编辑。闵慧：撰写——审阅与编辑。

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

本研究得到了国家自然科学基金（32402140）和辽宁省科技计划联合计划（自然科学基金-一般项目，编号2025-MSLH-617）的支持。