222纳米远紫外光（far-UVC）对水（H2O）的光降解作用作为一种多功能且有效的工具，可用于分解富含淀粉的材料，并作为一种可持续的方法来实现淀粉的液化

《Carbohydrate Polymers》：222-nm far-UVC/H 2O 2 photodegradation as a versatile and effective tool for depolymerizing starch-rich materials and its application as a sustainable approach to starch liquefaction

远紫外/过氧化氢光解技术替代传统高温酶解法实现淀粉液化，通过222nm远紫外激活H2O2产自由基 cleave α-1,4-糖苷键，小麦和稻米淀粉经80℃/20min处理，总可溶糖含量与α-淀粉酶水解相当，同时降低热能消耗，为绿色制糖提供新途径。

　　

金振辉|邢磊|董平|尚艳丽

山东省食品生物发酵重点实验室（筹备中），青岛啤酒股份有限公司，中国山东省青岛市266237

摘要

由于需要高温糊化后进行α-淀粉酶水解（90–100°C），淀粉液化是食品工业中一个高能耗的过程。本研究引入了222纳米远紫外线C（far-UVC）/H₂O₂光降解作为一种创新的非热处理替代方法。我们建立了一个UV/H₂O₂系统（辐照度4.42 mW·cm^?2），用于液化小麦淀粉（WS）和米粉（RP），并选择了222纳米远紫外线C作为辐射源，因为它能更有效地产生·OH自由基，并在光降解后的WS和RP中产生更高水平的总可溶性糖（TSS）。将远紫外线C/H₂O₂与α-淀粉酶进行了对比实验，结果表明0.68%和0.85%的H₂O₂浓度下，光降解后的WS和RP的TSS含量与酶法降解的产品相当。远紫外线C/H₂O₂通过糖苷键断裂有效实现了淀粉的降解，表现为分子量和粘度的降低，以及微观结构的变化。尽管光降解产物中出现了羰基和羧基，表明远紫外线C/H₂O₂引起了轻微的氧化，但在优化条件下（80°C，20分钟，0.68% H₂O₂），用其制备的麦汁与酶法降解的麦汁在糖分组成和发酵性能上相当，显示出远紫外线C/H₂O₂是一种高效且可持续的淀粉液化策略，显著减少了热能消耗。

引言

淀粉是食品、发酵和生物工艺行业中广泛使用的多糖，其可控的降解对于将其半结晶颗粒转化为可发酵或功能性碳水化合物片段至关重要（Colussi等人，2014；Lappalainen等人，2013；Li, Zhang等人，2023）。传统的淀粉液化方法主要依赖于高温酶水解，通常需要先进行淀粉糊化，然后进行α-淀粉酶水解，以断裂内部的α-1,4-糖苷键（Cooper等人，2016；Davey等人，2002）。虽然酶水解具有特异性和安全性，但它需要大量的热能来促进糊化并维持酶活性，从而导致较高的运营成本和环境负担（Wang, Yi等人，2025；Xu等人，2016）。因此，寻找高效、可扩展且非热处理的淀粉分解方法已成为碳水化合物加工和酿造领域的重要课题，这也是中国“双碳”目标的一部分（Jia等人，2022；Li, Kong等人，2023；Liu等人，2025）。

化学方法虽然有效，但存在安全和环境方面的问题，限制了其在工业上的应用（Cajiao-Pedraza等人，2025；Mo等人，2014）。其中，酸水解被广泛用于淀粉降解，矿物酸优先在无定形区域断裂糖苷键，将大分子转化为小分子（Cabeza等人，2025；Chung & Lai，2007）。然而，这一过程通常在苛刻条件下进行，并且需要使用强酸如盐酸或硫酸（Olawoye等人，2023），因此需要耐腐蚀的设备以及中和和脱盐等额外步骤来确保产品质量和安全，从而大幅增加了资本和运营成本（Borges等人，2025；Khawla等人，2014）。此外，酸水解会产生不希望的副产物，如5-羟甲基呋喃（5-HMF），必须通过严格控制反应条件来避免（Tasi?等人，2009）。由于这些限制，自20世纪60年代以来，酶水解已取代酸水解成为主要的工业淀粉液化方法（Khlestkin等人，2018）。

非热物理技术，如脉冲电场、超声波、冷等离子体等，在该过程中的应用也受到限制，主要是由于高资本成本或可扩展性困难（Han等人，2023；Li等人，2022；Singh等人，2022）。紫外线（UV）技术，特别是短波紫外线C（UVC），提供了一种清洁、非热且节能的解决方案，并已在食品工业的多种应用中获得了监管批准（FDA，2025；He等人，2021；Marques等人，2024；Vaiano等人，2019）。此外，最近的发展，如222纳米远紫外线C，由于其更高的能量效率和潜在的安全性，增强了其应用性（Buonanno等人，2017；Yang, Zeng等人，2024）。然而，尽管人们对远紫外线C的兴趣日益增加，尤其是在其抗菌效果方面（Chen & Moraru，2023；Jin & Wang，2024），但对其与碳水化合物聚合物（尤其是淀粉）的相互作用知之甚少，也不清楚它是否能够调节这些聚合物的分子量、粘度或氧化模式，以及与传统酶降解相比的效果。

紫外线诱导的光降解，特别是在H₂O₂存在下，可以通过生成高活性的自由基（如·OH）在温和条件下断裂糖苷键来降解多糖（Chen等人，2020；Chen, You, Ma, Zhao和Kulikouskaya，2021；Yao等人，2022；Zhu等人，2024）。这种方法比酶水解具有优势，包括反应更快、温度要求更低、应用范围更广（Yang, Tao等人，2024；Yao等人，2022；Yao等人，2023）。先前的研究表明，UV/H₂O₂系统可以降解多种水溶性碳水化合物聚合物，包括果胶、海藻多糖等，通过诱导链断裂、降低分子量和改变功能基团来实现。尽管大多数研究集中在传统的紫外线源上（Cao等人，2020；Gong等人，2021）。

基于这些考虑，我们假设222纳米远紫外线C在H₂O₂存在下可以通过自由基介导的糖苷键断裂来诱导糊化淀粉的可控降解，从而在较温和的条件下实现分子量和粘度的降低，优于传统的酶法。

为了验证这一假设，我们研究了222纳米远紫外线C/H₂O₂光降解作为一种创新的淀粉液化策略。使用两种富含淀粉的原料——小麦淀粉（WS）和米粉（RP）作为模型，首先比较了222纳米远紫外线C与传统254纳米UVC的降解效率，通过评估它们产生·OH自由基的能力以及光降解后WS或RP中的总可溶性糖含量。然后，我们通过全面的分子量分布、粘度、形态变化和功能基团表征来评估222纳米远紫外线C/H₂O₂对淀粉结构的影响，并将其与α-淀粉酶的影响进行比较，以阐明断裂模式和结构结果的相似性和差异。最后，使用麦汁生产作为代表性工业过程，评估了光降解后的WS和RP在下游酶法糖化（即糖化）中的性能。

据我们所知，这项研究首次系统地评估了222纳米远紫外线C作为淀粉降解辐射源的潜力，突显了远紫外线C/H₂O₂作为一种可控、节能且工业适用的方法，符合人们对安全远紫外线技术的日益关注。

化学物质和材料

小麦淀粉（WS）来自中国河南省新乡的良润全谷物食品公司，以粉末形式提供。大米颗粒从中国江苏省南京的江苏农业集团购买，并使用Foss公司的旋风磨（型号1093）磨成米粉（RP）。大麦麦芽由青岛啤酒公司提供。干酵母（Saccharomyces cerevisiae）来自法国的Lessaffre公司（SafAle US-05，Marquette-Lez-Lille）。

紫外线/H₂O₂对富含淀粉材料的淀粉光降解机制

紫外线/H₂O₂主要通过H₂O₂在紫外线辐射下的光解产生的·OH自由基来降解淀粉，这些自由基随后会随机断裂多糖链中的糖苷键（Cao等人，2020）。如图1a-b所示，当WS与H₂O₂（0.68%和0.85%）混合且在无紫外线条件下时，随着处理时间的延长，H₂O₂的含量略有减少，这主要是由于其在高温（80°C）下分解成水和氧气（Hong等人，2013）。

结论

本研究确立了222纳米远紫外线C/H₂O₂光降解作为一种创新且可持续的淀粉液化策略。222纳米远紫外线C在UV/H₂O₂诱导的淀粉降解中表现优于传统254纳米UVC，表现为产生更多的·OH自由基和更好的糖释放效果。我们进一步证明，远紫外线C/H₂O₂对淀粉的降解效果与传统酶水解相当，将WS和RP中的淀粉转化为较小的α-葡聚糖片段。

CRediT作者贡献声明

金振辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理，概念化。邢磊：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。董平：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，方法学。尚艳丽：撰写 – 审稿与编辑，方法学。

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所述的工作。

致谢

金振辉感谢山东省博士后创新计划（资助编号：SDCX-ZG-202502095）和青岛啤酒股份有限公司的资助。作者还感谢泰山产业专家计划的财政支持（资助编号：tscx202408034）。我们感谢Jiyun Cao在AFM成像方面的帮助，并感谢Mei Li和Yuxin Zhang在麦汁表征方面的技术协助。