《BioTech》：Utilization of Guarana Agroindustrial Waste as a Source of Antimicrobial Compounds for Human Pathogenic Bacterial Removal in Wastewater Sample
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瓜拉纳种子皮（GSP）作为一种农业工业废弃物，研究人员对其化学成分进行了表征，并通过UPLC-QTOF-MS分析评估了其作为废水中抗菌化合物潜在来源的抗菌活性。对GSP、其粗提物（GSPE）及其纯化提取物（GSPP）的UPLC-QTOF-MS分析共鉴定出36种
瓜拉纳种子皮（GSP）作为一种农业工业废弃物，研究人员对其化学成分进行了表征，并通过UPLC-QTOF-MS分析评估了其作为废水中抗菌化合物潜在来源的抗菌活性。对GSP、其粗提物（GSPE）及其纯化提取物（GSPP）的UPLC-QTOF-MS分析共鉴定出36种化合物，包括儿茶素及其低聚体：一种B型原花青素二聚体、pavetannin B6（三聚体）和cinnamtannin A2（四聚体）。主成分分析（PCA）沿PC2将GSPE与GSPP区分开来，纯化步骤将黄酮类化合物——主要为儿茶素及其低聚体——富集于GSPP中。研究人员针对人源病原菌大肠杆菌（Escherichia coli）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）（可引起胃肠炎和侵袭性疾病）以及金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）（可引起皮肤和侵袭性感染）评估了抗菌活性。在实际废水中，GSPE（500 mg L?1）在180分钟内使总大肠菌群减少高达81 ± 7%，使大肠杆菌减少高达74 ± 7%。共聚焦显微镜结合LIVE/DEAD? BacLight?试剂盒（Thermo Fisher，Eugene，OR，USA）证实了GSPE处理的大肠杆菌膜完整性丧失，而采用GSPP的纸片扩散法在每纸片5 mg剂量下对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌产生了9–11 mm的抑菌圈。这些结果表明，目前被废弃的瓜拉纳种子皮是富含儿茶素的抗菌提取物的可行来源，可用于废水消毒。
**瓜拉纳农业工业废弃物中抗菌化合物的鉴定及其废水病原菌去除潜力——论文解读**
**1. 研究背景与问题**
随着工业发展和人口增长，废弃物管理已成为紧迫的环境问题。农业工业废弃物虽然带来环境和经济的双重负担，但同时也富含生物活性化合物。近年来，研究者们不再将其视为单纯的问题，而是看作资源回收与再利用的机会，探索了其在药理应用、食品生产、生物材料制造和替代能源生成等多方面的潜力。在废水处理领域，源自植物和藻类的材料正越来越多地被应用，例如微藻可去除工业废水中的溶解固体和养分，海洋藻类的生物活性化合物可用于合成抗菌银纳米颗粒。这些研究确立了废弃植物生物质可以同时作为处理剂和抗菌化合物来源的理念，为废弃物的高值化利用开辟了新途径。
在巴西亚马逊州，瓜拉纳（*Paullinia cupana*，无患子科）是一种亚马逊盆地原生物种，其种子被广泛用于膳食补充剂和能量饮料。巴西是全球唯一的瓜拉纳生产国，据估计约50%的瓜拉纳果实在种子加工过程中被丢弃。瓜拉那种子富含多酚化合物，如鞣质（高达16%）、黄酮类（包括儿茶素和表儿茶素）以及咖啡因、甲基黄嘌呤、萜烯等多种物质，具有抗肿瘤、胃保护、抗抑郁、抗菌、抗氧化和免疫保护等广泛生物活性。研究人员此前已证明瓜拉纳种子皮有机提取物可作为混凝剂，在pH 4.0条件下对真实市政废水可去除90%以上的浊度和95%以上的悬浮固体，且15分钟内即可基本完成沉降，其浊度去除性能优于木薯（77%）、石榴（85%）、*Stenocereus griseus*（67%）和辣木（53.7%）等材料。
然而，瓜拉纳农业工业废弃物的抗菌活性尚未得到充分研究，其抗菌效应是否独立于混凝过程也不明确。基于此，本研究旨在阐明瓜拉纳农业工业废弃物的抗菌活性，证明该效应独立于混凝过程，为废弃物的资源化利用提供新的科学依据。
**2. 研究内容与主要技术方法**
该研究发表在《BioTech》期刊上，分为三个步骤：利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用技术（UPLC-QTOF-MS）鉴定种子皮（GSP）、粗提物（GSPE）和纯化提取物（GSPP）中的化合物；通过最可能数（MPN）法结合Colilert?-18测试评估GSPE对真实废水中总大肠菌群和大肠杆菌的去除效率；采用纸片扩散法测试GSPP对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的抗菌活性。研究还采用了主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）进行化学计量学分析，并利用共聚焦显微镜结合LIVE/DEAD? BacLight?试剂盒观察细菌膜完整性。瓜拉纳种子皮原材料由亚马孙州马乌埃斯市的一家农业工业公司捐赠，研究已注册于国家遗传资源管理及相关传统知识系统（SisGen AD13ACE）。
**3. 研究结果与分析**
**3.1 瓜拉纳种子皮及其提取物的化学鉴定**
通过UPLC-QTOF-MS分析GSP、GSPE和GSPP样品，在检测到的3151个特征中，1559个被赋予推定身份，其中36个满足所有鉴定标准。GSPE和GSPP中的主要信号为m/z 289.07的两个异构体（C??H??O?，[M?H]?），其次是m/z 575、577、863和1151的离子。经鉴定，m/z 289.0718（[M?H]?）为儿茶素；m/z 577.1348和575.1189对应B型原花青素二聚体；m/z 863对应pavetannin B6（三聚体）；m/z 1153.2598对应cinnamtannin A2（四聚体）。这些化合物此前在瓜拉那种子中已有报道，但在种子皮中尚属首次发现。
PCA分析将GSPE与GSPP沿PC2分开，PC1和PC2共解释了78.15%的总方差。PC1（63.53%）主要由m/z 289.07的儿茶素异构体驱动，PC2（14.62%）由m/z 387.1137和341.1082（蔗糖）驱动。OPLS-DA模型表现出优异的稳健性和预测能力（R2Y(Cum)=99%，Q2(Cum)=99%），S-plot分析显示m/z 290.0791和290.0787是GSPP的主要生物标志物，而m/z 387则表征GSPE的化学特征。这些发现表明纯化步骤将黄酮类化合物——主要是儿茶素及其低聚体——富集于GSPP中。
**3.2 GSPE对真实废水样品的抗菌测试**
采用Colilert?-18方法对总大肠菌群和大肠杆菌进行计数。结果表明，经GSPE处理的样品中微生物浓度低于未处理的出水。总大肠菌群在15分钟内即出现明显抑制，减少65 ± 8%（范围57–72%），180分钟后达到最大去除率81 ± 7%（范围73–88%），与辣木（*Moringa oleifera*）报道的77–91%总大肠菌群去除率相当。大肠杆菌计数在15分钟内下降56 ± 15%（范围45–73%），在150分钟时达到最大去除率74 ± 7%（范围56–86%），但低于Kwabena Ntibrey等人报道的辣木对大肠杆菌>99%的去除率。共聚焦显微镜分析证实GSPE处理的大肠杆菌失去膜完整性。
**3.3 GSPP的体外抗菌测试**
纸片扩散法评估了GSPP在80至5000 μg/纸片的14个浓度下的抗菌活性。结果显示：对金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）的最大抑制效果出现在800 μg/纸片，抑菌圈直径为10.0 mm；对鼠伤寒沙门氏菌（*S. typhimurium*）和大肠杆菌（*E. coli*）的最大抑制效果出现在2000 μg/纸片，抑菌圈直径分别为16 ± 0.7 mm和12 ± 0.7 mm。这表明GSPP对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有抗菌活性。与文献中其他植物来源儿茶素的抑菌圈数据相比（大肠杆菌7–30 mm，沙门氏菌8.33 ± 0.58 mm），本研究的抑菌圈落在该范围的低端，这符合多组分未分级提取物的预期特征。值得注意的是，文献中汇总的所有来源均为原始原材料，而本研究中的儿茶素是从废物流中回收的，这是本研究的主要创新点。
**4. 讨论与结论总结**
在讨论部分，研究人员将GSPE的抗菌效应归因于瓜拉那种子的抗氧化活性，其对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有抑制作用。先前研究使用的是瓜拉那种子，而本研究使用的是瓜拉纳农业工业废弃物，后者研究甚少，凸显了本研究结果的重要性。关于儿茶素的抗菌机制，研究人员指出其通过抗氧化特性及干扰微生物细胞膜发挥抑菌作用，能够调节细菌和真菌生存所必需的代谢过程、干扰代谢反应相关酶、使细胞膜失稳并影响细菌生长所必需的蛋白质合成，且儿茶素的抗氧化能力可中和活性氧，减少细菌细胞的氧化应激。
研究结论表明：瓜拉纳农业工业废弃物——特别是种子皮——是开发抗菌产品的重要原材料。通过UPLC-QTOF-MS分析确认了种子皮、粗提物和纯化提取物中的关键化学标记物，首次在瓜拉纳种子皮中发现儿茶素及其二聚体、三聚体和四聚体衍生物。PCA和OPLS-DA化学计量学分析揭示了GSPE和GSPP之间的差异特征，强调了纯化提取物中黄酮类化合物的富集。GSPE在真实废水中有效减少大肠杆菌，GSPP对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌表现出抗菌活性。这些发现强调了儿茶素及其衍生物通过破坏细胞膜完整性、抑制关键代谢酶和干扰细菌通讯系统等多靶点机制对抗细菌感染。该研究还强调了利用瓜拉纳农业工业废弃物的环境和经济效益——将这些目前被不当处置的废弃物转化为高价值抗菌产品，有助于促进可持续发展和循环经济。
