一种两步生物催化工艺用于提取和酰化花青素：一种可持续的红葡萄渣生物精炼方法

《Applied Food Research》：A two-step biocatalytic process to extract and to acylate anthocyanins: a sustainable approach for red grape pomace biorefining

葡萄籽皮生物催化提取与酯化工艺研究。采用Lysis Elite酶在4:1水-乙醇体系中进行三步串联提取，获得1.44 g/kg鲜样重花青素。经N435脂酶催化，以棕榈酸为酰基供体实现19.8%酯化率，二氢肉桂酸则达8.5%。该两步法有效降低溶剂与硫磺酸使用，提升花青素化学稳定性。

　　本研究探讨了从葡萄渣中提取和酯化花青素的生物催化方法，旨在开发一种可持续且高效的工艺，以提升花青素在食品工业中的应用价值。花青素是一种广泛存在于水果、蔬菜、花朵和谷物中的天然色素，具有显著的抗氧化、抗炎和益生菌等生物活性。然而，传统提取方法通常依赖于有机溶剂或亚硫酸盐，这不仅对环境造成负担，也难以满足消费者对绿色产品的需求。此外，从葡萄渣中提取的花青素多为非酯化的O-葡萄糖苷，其化学稳定性较差，容易因水解和氧化作用而降解。因此，本研究提出了一种两步生物催化流程，包括提取和酯化两个阶段，以改善花青素的稳定性并扩大其应用范围。

在提取阶段，研究人员测试了多种酶制剂，包括Pectinex? Ultra SPL和Lysis Elite，以评估其对花青素和总多酚提取效率的影响。通过比较不同酶负载（1%、0.1%和0.01%）和提取时间（1小时至24小时），发现Lysis Elite在0.01%的负载下，能够在6小时内实现较高的花青素提取率，达到1.44 g/kg鲜葡萄渣。相比之下，使用Pectinex? Ultra SPL的提取效果略低，但总多酚提取率更高。这一发现表明，选择合适的酶制剂和优化其负载是提升提取效率的关键因素。此外，实验还发现，加入乙醇（4:1的乙醇-水混合液）能够显著提高花青素和总多酚的提取效率，这可能与乙醇作为溶剂促进多酚的溶解有关。

在酯化阶段，研究团队使用N435脂肪酶对提取的花青素进行酯化反应，分别以月桂酸和二氢香豆酸作为酯化试剂。结果显示，使用二氢香豆酸的酯化反应获得了19.8 ± 0.7%的酯化率，而使用月桂酸的酯化率则达到8.5 ± 1.7%。这些结果表明，酯化过程可以有效提高花青素的稳定性，尤其是在非水性环境中。酯化后的花青素由于其折叠结构和π-堆积作用，能够减少与水分子的相互作用，从而防止花青素的水解。同时，酯化还能限制花青素与水溶液中的过渡金属离子接触，降低氧化反应的风险。这种增强的稳定性对于食品工业中的应用尤为重要，因为花青素常用于食品添加剂（如E163），其颜色和化学特性直接影响产品的质量。

为了进一步优化酯化过程，研究团队对不同酯化条件进行了比较。例如，酯化反应在无水2-甲基-2-丁醇（2M2B）中进行，并通过分子筛防止酯的水解。实验表明，虽然酯化率相对较低，但与传统的从纯花青素提取物中进行酯化的方法相比，从葡萄渣中直接进行酯化具有更高的可行性。这为工业应用提供了更实际的方案，因为从葡萄渣中提取花青素并进行酯化可以避免复杂的分离步骤和额外的成本。

研究还探讨了多种因素对提取和酯化效率的影响。例如，酶的种类、负载量、反应温度和时间等都会影响最终的提取率和酯化率。此外，不同多酚和糖类的提取率也显示出酶处理的优势。通过采用分步提取和纯化策略，研究人员成功地将花青素与其他多酚和糖类分离，形成了不同极性的提取物。其中，通过阴离子树脂纯化和液-液萃取技术，能够获得富含花青素的提取物，并进一步用于酯化反应。

从实际应用角度来看，这项研究不仅为葡萄渣的高附加值利用提供了新的思路，也为食品工业中天然色素的可持续生产开辟了新的方向。葡萄渣作为酿酒过程中的副产品，其大量堆积对环境造成压力，而通过生物催化技术将其转化为稳定的花青素衍生物，可以减少废物排放并提高资源利用率。此外，这种技术还能够满足消费者对天然、安全和环保产品的需求，推动食品工业向更加绿色和可持续的方向发展。

在实验方法上，研究团队采用了多种分析手段，包括高效液相色谱-二极管阵列检测器-质谱联用（UHPLC-DAD-MS?）技术，以精确鉴定和定量分析花青素及其酯化产物。通过比较不同提取和酯化条件下的结果，研究人员能够评估最佳工艺参数，并为未来的工业化应用提供参考。此外，实验还涉及多种标准方法，如DNS法测定总糖、Folin-Ciocalteu法测定总多酚含量，以及比色法测定花青素含量，这些方法确保了实验数据的准确性和可靠性。

从研究背景来看，花青素的提取和酯化在食品工业中具有重要意义。由于其天然来源和良好的生物活性，花青素被广泛用于食品着色和健康功能食品的开发。然而，传统方法在提取过程中使用大量的化学品，这不仅增加了成本，还对环境造成污染。因此，开发一种绿色、高效的生物催化方法对于提升花青素的工业价值至关重要。本研究通过使用酶促反应，不仅减少了化学品的使用，还提高了花青素的提取效率和酯化率，为实现可持续的多酚提取和应用提供了可行的解决方案。

在研究结论中，团队指出，通过两步生物催化流程，能够有效提取和酯化葡萄渣中的花青素。尽管酯化率仍有提升空间，但与传统的从纯花青素提取物中进行酯化的方法相比，本研究的工艺具有更高的应用潜力。此外，研究还强调了酶促提取过程中酶选择的重要性，以及优化提取条件的必要性。通过实验数据的分析，团队确认了Lysis Elite在低负载下的高效性，同时发现乙醇的加入能够显著提高提取效率。这些发现为未来进一步优化提取和酯化工艺提供了重要依据。

总的来说，这项研究为葡萄渣中花青素的提取和酯化提供了一种绿色、高效的生物催化方法。通过合理选择酶制剂、优化反应条件和采用先进的纯化技术，研究人员成功地提高了花青素的提取率和酯化率，同时减少了对环境的影响。未来，进一步优化酯化条件和扩大工艺规模将是提升该技术应用价值的关键方向。此外，研究还为其他植物副产品中多酚的提取和改性提供了参考，推动了生物催化技术在食品工业中的广泛应用。