克里特苦苣菜（Cressa cretica）的生物加工：从生物聚合物提取到果胶酶介导的果汁处理

《International Journal of Biological Macromolecules》：Bioprocessing of Cressa cretica: From biopolymer extraction to pectinase-mediated juice treatment

本研究以盐生植物Cressa cretica为原料，提取并分析果胶和纤维素，发现纤维素经甲基化处理后可制成生物复合材料。利用Bacillus vallismortis MH10和Neobacillus sedimentimangrovi UE25发酵产酶，优化酶解条件（30单位N. sedimentimangrovi UE25酶，30分钟）可使桃汁产量提升至80.37%，显著增强抗氧化活性（DPPH 87.3%，ABTS 92.71%）。

　　这篇研究聚焦于一种名为*Cressa cretica*的盐生植物，探讨其生物质在生物聚合物提取和微生物酶生产方面的双重潜力。该植物因其能够在盐碱地和干旱环境中生长而备受关注，其丰富的生物活性成分使其在药用领域已有一定应用。然而，其在工业材料和酶制剂方面的利用却相对有限。本研究旨在填补这一空白，通过提取和改性其生物质中的关键成分，如纤维素和果胶，并进一步利用这些成分生产具有应用价值的酶，以推动其在生物技术领域的可持续利用。

*Cressa cretica*，通常被称为“Rudanti”，是一种多年生的盐生草本植物，广泛分布于沿海和干旱地区。这种植物不仅具有高度的环境适应能力，还能在极端条件下存活，如高温和干旱的沙漠环境。其生物质中含有多种生物活性物质，包括香豆素、黄酮类、甾醇、生物碱、单宁和苷类等，如蒽醌和强心苷。这些化合物赋予了*C. cretica*一定的药用价值，但其在工业和材料科学中的潜力尚未被充分挖掘。因此，研究者们希望通过提取和改性其生物质中的纤维素和果胶，进一步拓展其应用范围。

纤维素和果胶是植物细胞壁中的天然多糖。纤维素是一种线性多糖，主要由β-(1→4)-连接的葡萄糖单元组成，而果胶则是一种异多糖，主要分布在细胞中层。纤维素在食品和制药行业中具有重要的应用价值，其功能性的改性，如转化为甲基纤维素，可以显著提高其溶解性、成膜能力和在食品和药物制剂中的适用性。果胶则可以通过微生物发酵产生果胶酶，从而改善果汁的产量、清澈度和营养价值。果胶酶能够分解果胶多糖中的糖苷键，提高果汁的提取效率，同时释放更多的生物活性化合物和抗氧化物质。

在本研究中，研究者们首先从*C. cretica*中提取了纤维素和果胶，并通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其进行了表征。SEM可以用于观察材料的表面结构，而FTIR则能够分析其化学组成和官能团。通过这些分析手段，研究者们确认了所提取纤维素和果胶的纯度和结构特征。此外，提取的纤维素被进一步改性为甲基纤维素，使用了二甲基硫酸作为改性剂。甲基纤维素因其良好的溶解性和成膜性，被认为在食品和制药工业中具有广泛的用途。

与此同时，研究者们利用果胶作为发酵底物，从两种细菌中生产果胶酶：*Bacillus vallismortis* MH10 和 *Neobacillus sedimentimangrovi* UE25。这些细菌属于* Bacillus*和* Neobacillus*属，因其快速生长、高产酶能力和耐热性而被广泛研究。果胶酶的生产不仅有助于提高果汁的产量和质量，还能够促进生物活性物质的释放，增强果汁的抗氧化能力。研究者们在不同剂量和反应时间下测试了这些粗酶对桃汁的影响，发现使用30单位的* N. sedimentimangrovi* UE25果胶酶进行30分钟的处理，能够显著提高桃汁的产量（达到80.37%）和抗氧化活性（DPPH为87.3%，ABTS为92.71%）。而* B. vallismortis* MH10果胶酶在120分钟的处理后也表现出类似的效果。

研究结果表明，*C. cretica*的生物质不仅可以作为提取功能性生物聚合物的来源，还可以作为微生物酶生产的优质底物。这种植物的利用不仅有助于减少对传统化石燃料基化学品的依赖，还能够为食品和制药行业提供可持续的原料。此外，通过将提取的纤维素改性为甲基纤维素，并将其与聚乙烯醇（PVA）结合，形成一种细胞ulosic复合材料，进一步拓展了其在工业和材料科学中的应用潜力。

在方法上，研究者们首先从*C. cretica*中收集了生物质材料。这些植物样本是在2023年从卡拉奇大学的盐生植物可持续利用研究所（位于24.94°N, 67.12°E）获取的。该研究所位于巴基斯坦的卡拉奇，其地理位置和气候条件非常适合盐生植物的生长。研究者们选择在植物的营养生长阶段进行采样，以确保其生物质中富含细胞壁成分。同时，为了保证研究的科学性和客观性，研究中未使用特定的亚种或栽培品种，而是基于野生种群进行实验。桃汁则从当地市场购买，选择了Florida King 6-A品种，以确保其品质和一致性。

在生物质的分离和提取过程中，研究者们采用了多种技术手段，以确保能够高效地获得纤维素和果胶。纤维素的提取通常涉及酸解、碱解或酶解等方法，而果胶的提取则可能需要特定的化学处理。本研究中，提取的果胶被用于发酵，以生产果胶酶。发酵过程是在水相中进行的，即所谓的“浸没式”发酵。这种发酵方式能够提供稳定的环境，促进微生物的生长和酶的产生。研究者们对提取的果胶进行了详细的分析，以确定其是否适合用于发酵，并对其结构和性质进行了评估。

在果胶酶的生产方面，研究者们利用两种不同的细菌菌株进行实验。这两种菌株在不同的反应条件下表现出不同的酶活性。例如，* N. sedimentimangrovi* UE25在较短的反应时间内（30分钟）就能达到较高的酶活性，而* B. vallismortis* MH10则需要更长的反应时间（120分钟）才能获得相似的效果。这表明，不同菌株在酶生产方面可能具有不同的特性，需要根据具体的应用需求进行选择和优化。此外，研究者们还测试了不同剂量的果胶酶对桃汁处理效果的影响，发现适当剂量的酶能够显著提高桃汁的产量、清澈度和抗氧化活性。

在实际应用中，果胶酶的使用能够有效改善果汁的加工过程。传统的果汁提取方法往往伴随着较高的能耗和较低的效率，而果胶酶的引入则能够降低这些障碍。果胶酶能够分解果胶多糖，减少其对果汁流动性的阻碍，从而提高果汁的产量。此外，果胶酶还能促进果汁中生物活性物质的释放，如多酚类化合物和抗氧化物质，这些物质不仅能够提升果汁的营养价值，还能增强其健康益处。因此，果胶酶在食品工业中的应用具有广阔的前景。

除了果胶酶的应用，研究者们还关注了纤维素的改性和复合材料的制备。纤维素的改性通常包括化学处理、物理处理或生物处理等方法，以改变其物理和化学性质。本研究中，纤维素被改性为甲基纤维素，这一过程涉及到化学反应，能够提高其在水中的溶解性，使其更适合用于食品和药物制剂。甲基纤维素在食品工业中常用于增稠剂、稳定剂和乳化剂，而在制药领域则可用于药物的缓释和包衣。此外，研究者们将甲基纤维素与聚乙烯醇（PVA）结合，形成了一种复合材料。这种复合材料不仅保留了纤维素的结构特性，还结合了PVA的优点，如良好的成膜性和热稳定性，从而为开发新型生物材料提供了可能性。

从环境角度来看，利用盐生植物如*C. cretica*作为生物聚合物和酶的来源，具有显著的优势。这些植物通常生长在盐碱地和干旱地区，不会与农作物竞争土地资源，因此其种植和利用对粮食安全的影响较小。此外，这些植物的生长条件较为极端，能够在低肥力和高盐度的环境中存活，这使得它们成为一种理想的生物质来源。通过提取和改性这些植物中的成分，不仅可以减少对传统资源的依赖，还能降低生产过程中的环境负担，实现可持续发展的目标。

在经济层面，利用盐生植物提取生物聚合物和酶的生产成本相对较低。一方面，这些植物的种植成本较低，因为它们不需要大量的水和肥料，能够在贫瘠的土地上生长。另一方面，提取和改性过程中的化学品和设备成本也相对可控，特别是在规模化生产的情况下。此外，果胶酶的生产能够利用提取的果胶作为底物，进一步降低了生产成本。这些因素共同促使盐生植物成为一种具有经济可行性的生物资源。

在技术层面，本研究展示了一种可行的提取和改性方法，能够有效获得高质量的生物聚合物和酶。提取的纤维素和果胶不仅具有良好的纯度，还保留了其原有的结构特性，这为后续的加工和应用提供了基础。甲基纤维素的制备过程也显示了其良好的改性效果，能够满足不同工业需求。果胶酶的生产则通过优化发酵条件，提高了酶的产量和活性，为实际应用提供了技术支持。

研究的结论表明，*C. cretica*的生物质在工业和材料科学中具有重要的应用价值。纤维素的提取和改性为开发新型生物材料提供了可能性，而果胶酶的生产则为食品加工行业带来了新的解决方案。这些发现不仅拓展了*C. cretica*的应用范围，也为其他盐生植物的开发利用提供了参考。通过将这些植物的生物质转化为高附加值的产品，可以实现资源的高效利用，同时减少对环境的负面影响。

此外，本研究还强调了可持续资源管理的重要性。随着全球对环境保护和资源利用的关注不断加深，寻找可再生和可降解的材料成为工业发展的关键方向。盐生植物作为一种特殊的生物质资源，其利用不仅可以缓解传统资源的紧张状况，还能为环境治理和生态保护做出贡献。通过科学的方法和技术手段，将这些植物的生物质转化为有用的材料和产品，是实现绿色经济和可持续发展的重要途径。

最后，研究者们还讨论了未来的研究方向。尽管本研究已经取得了一定的成果，但在实际应用中仍有许多挑战需要克服。例如，如何进一步提高果胶酶的产量和活性，如何优化纤维素的改性工艺，以及如何将这些材料和酶应用于更广泛的领域。此外，还需要进一步研究这些材料在不同环境条件下的稳定性和适用性，以确保其在实际生产中的可行性。同时，研究者们也建议，未来可以探索更多的盐生植物种类，以寻找更多具有潜在应用价值的生物质资源。

总之，本研究通过系统地提取和改性*C. cretica*的生物质，展示了其在生物技术领域的双重潜力。不仅为开发新型生物材料提供了基础，也为食品工业中的果汁加工带来了新的解决方案。这些发现不仅有助于推动盐生植物的综合利用，还为实现可持续发展的目标提供了重要的科学依据和技术支持。