超声辅助酶法提取甘蔗皮多糖的工艺优化及其抗氧化活性研究

本研究针对甘蔗皮资源浪费问题，通过超声辅助酶法（UAEE）优化甘蔗皮多糖（SPP）提取工艺，采用响应面法确定最佳条件为液料比40 mL/g、超声温度50°C、超声时间40 min、纤维素酶用量5%，提取率达5.38%，总糖含量75.52%。结构表征（FT-IR/NMR）证实其为吡喃型多糖，体外抗氧化实验显示4 mg/mL浓度下对DPPH和·OH自由基清除率分别达54.63%和33.91%，为甘蔗皮高值化利用提供理论依据。

　　

甘蔗皮：从农业废弃物到功能性多糖的绿色转化

甘蔗作为全球重要的经济作物，其加工过程中产生的甘蔗皮约占甘蔗重量的20%，长期以来被视为废弃物。这些富含纤维素、蛋白质和生物活性物质的副产物，若未经合理利用，不仅造成资源浪费，还可能引发环境问题。近年来，植物多糖因其广泛的生物活性（如抗氧化、抗病毒等）成为研究热点，而甘蔗皮多糖（SPP）的潜在价值却鲜有报道。传统多糖提取方法如热水浸提效率低下，酸碱提取易破坏结构，如何高效环保地开发甘蔗皮资源成为亟待解决的问题。

针对这一挑战，重庆师范大学碳水化合物科学与工程重点实验室的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究。他们采用超声辅助酶法（UAEE）结合响应面优化技术，成功从甘蔗皮中提取出高纯度多糖，并系统评价了其结构和抗氧化活性。这项研究为农业废弃物的高值化利用提供了新思路。

关键技术方法

研究以广西产黑甘蔗皮为原料，经脱脂预处理后，通过单因素实验和Box-Behnken响应面设计优化UAEE工艺参数。采用酚硫酸法测定总糖含量，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（¹³C NMR）解析多糖结构，并通过DPPH和·OH自由基清除实验评估抗氧化活性。

工艺优化与结构解析

单因素实验揭示关键参数影响

液料比在20-40 mL/g范围内，SPP得率随溶剂增加而上升，超过40 mL/g时因酶反应效率下降导致得率降低。超声温度50°C时得率最高（5.25%），温度过高或过低均会影响酶活性。超声时间40分钟达到平衡点，延长会导致多糖结构破坏。纤维素酶用量5%时效果最佳，过量酶会因聚集作用降低提取效率。

响应面法精准优化工艺

通过三因素三水平响应面实验建立数学模型，确定最优条件为液料比40.59 mL/g、超声温度50.58°C、纤维素酶用量4.95%，预测得率5.46%。实际验证调整为40 mL/g、50°C、5%酶用量时，得率5.38%与预测值高度吻合。方差分析显示模型R²=0.9981，各因素影响排序为：液料比>酶用量>超声温度。

结构特征解析

FT-IR图谱显示3285 cm^-1处强吸收峰（O-H伸缩振动），2941 cm^-1弱峰（C-H伸缩振动），1635 cm^-1吸收峰（C=O不对称伸缩振动），1196-1085 cm^-1连续峰提示吡喃环结构，846 cm^-1弱峰暗示可能存在微量呋喃糖。¹³C NMR谱中δ103.69和92.17 ppm处的异头碳信号，以及69.23-76.44 ppm的C2-C5峰进一步证实SPP主要为β-吡喃型多糖，含少量阿拉伯糖。

抗氧化活性评价

在0.25-4 mg/mL浓度范围内，SPP对DPPH自由基的清除率呈浓度依赖性增长，4 mg/mL时达54.63%（阳性对照Vc为95.30%）。对羟基自由基（·OH）的清除率同样随浓度增加而升高，最高为33.91%，虽低于Vc但展现显著活性。这种抗氧化能力可能与其分子中的羟基和糖苷键结构有关。

研究启示与展望

该研究首次系统建立了超声辅助酶法提取甘蔗皮多糖的优化工艺，相比传统方法具有提取时间短（40分钟）、温度低（50°C）、得率高（5.38%）等优势。结构表征证实所得SPP为具有生物活性的吡喃型多糖，其适中的自由基清除能力为开发天然抗氧化剂提供了新选择。特别值得注意的是，研究中采用的UAEE技术实现了纤维素酶与超声波的协同效应——超声波空化作用破坏细胞结构，而酶解特异性降解细胞壁，这种"物理-生物"联合策略为植物活性成分提取提供了普适性方法学参考。

从资源循环角度，该研究将甘蔗皮这一农业废弃物转化为高附加值功能性原料，每吨甘蔗皮理论上可提取约53.8 kg多糖，按当前天然多糖市场价格估算，可创造显著经济效益。未来研究可进一步探索SPP的构效关系，通过分子修饰提高活性，并评估其在食品保鲜、保健品开发等领域的应用潜力。这项成果不仅为甘蔗加工产业链的绿色发展提供了技术支撑，也为其他农作物副产物的综合利用树立了典范。