《Foods》：Towards Sustainable Recovery of Phenolics, Proteins, and Arabinoxylans from Brewer’s Spent Grain Through Deep Eutectic Solvents: Extraction Strategies, Structure–Function Relationships, and Food Biorefinery Perspective
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啤酒糟（Brewer's spent grain, BSG）是啤酒工业的主要副产物，也是一种低成本的木质纤维素资源，富含酚类物质、蛋白质和阿拉伯木聚糖（arabinoxylans, AXs）。传统的酸、碱及有机溶剂回收方法通常涉及高能耗工艺、产生有害废弃物，并
啤酒糟（Brewer's spent grain, BSG）是啤酒工业的主要副产物，也是一种低成本的木质纤维素资源，富含酚类物质、蛋白质和阿拉伯木聚糖（arabinoxylans, AXs）。传统的酸、碱及有机溶剂回收方法通常涉及高能耗工艺、产生有害废弃物，并限制了食品级应用。本综述批判性地审视了BSG生物活性物质提取方法学的演进，重点强调了深共晶溶剂（deep eutectic solvents, DES）作为可持续替代方案的潜力。溶剂化学（极性、pH值及含水量）等关键因素影响生物活性物质的回收率与选择性。超声、微波及加压液体萃取等过程强化技术通过缩短萃取时间并降低温度来提高效率。本综述评估了不同工艺如何改变BSG生物活性物质的构效特性，包括抗氧化活性、蛋白质功能特性及流变行为。一项重要发现是，DES研究主要集中于单一化合物，而用于全面增值的集成式DES生物精炼仍未被充分探索。因此，未来研究应优先考虑集成工艺设计，在回收率、结构保留、功能性与可持续性之间取得平衡，以支持BSG在食品和营养保健品应用中实现可规模化、近零废弃物的增值转化。
1. 引言
啤酒糟（BSG）是啤酒工业的主要副产物，占麦芽使用量的约30%，全球年产量估计达3700–4000万吨。BSG富含蛋白质（25–30%）、酚类化合物、脂质和碳水化合物（占60%，其中一半为膳食纤维）。主要半纤维素为阿拉伯木聚糖（AXs），具有β-(1→4)连接的木吡喃糖主链。BSG常被作为废弃物处理或用于沼气生产和动物饲料，但其低成本、丰富、可生物降解等特性使其成为循环生物经济框架下有前景的增值候选原料。BSG中的生物活性化合物与细胞壁基质紧密结合，传统上需使用酸、碱和有机溶剂等化学苛刻方法进行提取。然而，对其环境负担和人类健康风险的日益关注，促使研究转向采用绿色、可持续溶剂和技术。深共晶溶剂（DES）作为传统有机溶剂的环保替代品，因其制备简便、成本低、可生物降解、低毒性等优势，在从BSG中回收酚类化合物、蛋白质及AXs方面展现出更高的提取效率和选择性。尽管DES应用日益广泛，传统提取技术仍主导工业实践，且耗时、耗能。超声辅助提取等先进技术已被证明对回收BSG生物活性物质非常有效。目前文献中大多数研究集中于单一组分的分离，而集成式多组分回收策略虽已引起兴趣，但尚无综述全面评估基于传统和DES的提取策略，也未充分关注提取工艺对回收生物活性物质构效关系的影响。本综述因此批判性地评估了近十年来的BSG提取策略，并提出未来方向和可持续解决方案，以推进集成式BSG生物精炼，实现近零废弃物增值。
2. BSG作为可持续和功能性食品配料的前景
BSG占啤酒厂总副产物的约85%，主要由大麦种皮、外壳、果皮和胚乳组成。其化学成分是富含膳食纤维和蛋白质的木质纤维素基质，干基包含约60–70%纤维状碳水化合物、15–30%蛋白质、5–10%脂质及矿物质和生物活性植物化学物质。纤维部分主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中AXs是主要的半纤维素组分。
2.1 酚类化合物
BSG富含细胞壁结合的多酚，主要是羟基肉桂酸，其中阿魏酸和对香豆酸含量最高。BSG中超过80%的阿魏酸和对香豆酸是不溶性的，通过酯键与AXs和木质素结合，需要碱或酶水解才能释放。这些酚酸是有效的抗氧化剂和生物活性物质，具有抗炎、抗动脉粥样硬化和抗增殖作用。
2.2 蛋白质
BSG含有显著的蛋白质组分，主要由水不溶性的醇溶蛋白（特别是大麦醇溶蛋白）和谷蛋白组成。常规提取技术包括酸、碱和酶法提取，新兴方法则利用DES，可结合超声或微波处理。这些提取物具有广泛的分子量（Mw）分布，并表现出良好的技术功能特性，如乳化性、起泡性和凝胶性。
2.3 阿拉伯木聚糖（AXs）
半纤维素多糖约占BSG干重的20–40%，其中超过84%为AXs。在原料BSG中，AXs因嵌入木质纤维素基质并与木质素和酚酸交联而基本不溶。阿魏酸介导的交联是限制AXs可提取性的关键结构特征。水解后，AXs产生具有益生元活性的阿拉伯木聚糖寡糖（AXOS）和单糖，可选择性刺激有益菌、改善血糖反应、降低胆固醇水平。
3. BSG生物活性物质的常规和新兴提取方法
提取BSG生物活性物质的关键方法包括溶剂提取、酸/碱水解、酶解和亚临界水提取。
3.1 溶剂（固-液）提取
固-液萃取是最简单的方法，但传统乙醇或丙酮体系从BSG中回收的酚类物质有限，因为大多数化合物与纤维基质结合。溶剂提取对蛋白质和AXs效果更差。主要问题是提取时间长（有时长达16小时）以及需要大量易燃溶剂。
3.2 化学水解法（碱和酸提取）
碱提取是最广泛使用的化学方法，通过裂解酯键（如阿魏酸-AXs键）来解构细胞壁，释放结合的酚类物质并使多糖可溶。碱处理也是蛋白质回收的标准方法。然而，强碱暴露会降解敏感分子，且该方法面临环境、经济和技术缺陷，包括化学足迹大、成本高、耗时长且选择性差。
3.3 酶法提取
酶法利用细胞壁降解碳水化合物酶和蛋白酶，温和地提取BSG生物活性物质。酶法通常在温和的pH（5–9）和温度（40–60 °C）下进行，有助于保护化合物生物活性。主要挑战包括运营成本高、耗时长和提取不完全。
3.4 亚临界水提取
亚临界水提取利用加热（120–200 °C）高压水作为溶剂和催化剂。该方法被认为环境友好，可实现半纤维素衍生寡糖的近定量回收。但需要专用加压反应器，且可能产生复杂混合物，需要进一步分离。
4. 深共晶溶剂：性质及从BSG生物质中提取生物活性物质的最新进展
DES是由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）按一定摩尔比混合形成的新型设计溶剂。最常用的分类将DES分为五种类型（I–V），其中III类和V类被广泛研究用于食品和生物质生物活性物质提取。
4.1 深共晶溶剂的性质
DES的关键理化性质包括相行为、粘度、密度、pH值、含水量、极性和表面张力。DES通常具有高粘度（100–10,000 mPa·s），显著影响传质和工艺效率。添加水可降低粘度，但超过30–40%会将DES转化为水溶液。酸性DES可有效脱木质素和水解半纤维素。HBA/HBD组成、含水量和温度共同决定溶质-溶剂亲和力和提取选择性。
4.2 从BSG生物质中提取生物活性物质的DES最新进展
4.2.1 酚类化合物
研究表明，富含HBA的DES，特别是氯化胆碱（ChCl）与有机酸（乳酸、柠檬酸或苹果酸）或醇类（甘油）的组合，能显著增强游离和结合酚类物质的增溶。DES在酚类回收方面优于传统溶剂，如苹果酸-ChCl DES的酚类产量（78 μg/g）远高于丙酮-水体系（~5 μg/g）。高粘度和下游回收仍是主要挑战。
4.2.2 蛋白质
DES提供了一种更温和的替代方案，可选择性地破坏蛋白质-多糖相互作用。研究表明，某些DES（如氯化胆碱/海藻糖NADES）在温和条件下提取的蛋白质产量可匹配或超过碱提取，且具有更好的热稳定性和乳化、起泡功能。但高Mw大麦醇溶蛋白和谷蛋白的溶解度有限。
4.2.3 阿拉伯木聚糖（AXs）
针对BSG中AXs的DES定向回收仍然罕见。DES化学原理上可破坏木质纤维素和木质素，增强多糖可及性，但AXs产量尚未系统量化。需要研究区分总碳水化合物增溶、AXs提取率、纯度、分子量分布、阿魏酸保留和功能特性。
5. 提取BSG生物活性物质的新兴物理强化技术
5.1 超声辅助提取（UAE）
UAE利用声空化破坏植物细胞壁，增强溶剂渗透和传质。研究表明，超声辅助酶解可将蛋白质分离效率提高至约70%，大幅减少酶用量并缩短孵育时间。UAE还使AXs产量增加52.4%，提取时间从4小时缩短至15分钟，但导致AXs分子量降低。
5.2 微波辅助提取（MAE）
MAE利用介电加热快速加热溶剂和生物质基质。MAE结合DES已显示出优于传统甲醇提取的效果。主要限制是粘性DES中可能产生不均匀加热和热点，导致目标化合物局部降解。
5.3 脉冲电场（PEF）辅助提取
PEF通过电穿孔在细胞膜上形成临时孔隙，促进胞内化合物释放。作为非热技术，PEF可保持热敏生物分子的完整性。研究表明PEF可显著增加游离和结合酚类物质，并提高蛋白质纯度和回收率。但PEF需与溶剂提取耦合使用。
6. 提取方法对BSG生物活性物质结构和功能的影响
提取条件不仅决定释放量，还决定回收组分是否保留抗氧化活性、界面功能性、起泡性、凝胶性、可发酵性或益生元作用所需的结构特征。
6.1 酚类结构、稳定性和生物活性
碱提取可释放大量结合的阿魏酸和对香豆酸，但可能促进氧化和副反应。DES基提取因其氢键网络和可调极性，可在比强碱更温和的条件下调节酚类释放。研究表明，常规和DES体系释放的细胞壁结合酚类组分不同，DES应被视为“塑造谱图”的溶剂。然而，目前证据尚不能证明DES总能产生生物学上更优的酚类组分。
6.2 蛋白质结构和功能
提取方法决定回收的蛋白质是相对完整的蛋白质成分、聚集的变性浓缩物还是富含肽的水解产物。强碱提取虽产量高，但常导致理化改变，可能损害界面行为和营养质量。DES基系统的优势在于能在比常规碱处理更温和的pH和温度条件下削弱蛋白质-多糖相互作用。研究表明，某些NADES提取的蛋白质具有更高的热稳定性和更好的乳化、起泡性能。
6.3 阿拉伯木聚糖（AXs）结构和功能
AXs的功能与分子量、阿拉伯糖与木糖取代比、阿魏酸含量及阿魏酸介导交联的保留密切相关。常规碱处理可有效增溶AXs，但可能导致解聚。超声辅助碱提取产生的AXs分子量较低、粒径较小，但溶解性和乳化性改善。DES用于BSG AXs提取仍严重不足，缺乏直接实验验证。
7. BSG增值的可持续性标准
有效的可持续框架须满足三个关键标准：环境影响、工艺集成和食品系统兼容性。
7.1 环境矩阵
溶剂选择必须考虑人类和生态毒理危害、暴露潜力、持久性和生命周期终结。能耗是环境足迹的主要决定因素，BSG干燥是能源密集型步骤。废物最小化和管理至关重要，应实施多目标提取策略。
7.2 工艺集成矩阵
可持续提取方法要求所有工艺步骤兼容，而非仅关注单阶段高产。提取平台应促进多种高价值组分的高效、选择性、顺序回收。纯度在决定市场价值中起关键作用。平台须耐受BSG组成变异。
7.3 食品系统兼容性
提取溶剂和工艺残留物必须符合严格的监管标准。目前DES尚未被列为提取溶剂，其在食品系统中的使用可能需要证明最终组分中残留溶剂的控制和安全性。必须对提取后各组分中的溶剂残留进行定量评估。
8. DES的可回收性、回收和下游加工
从BSG提取后回收和再利用DES对可持续性至关重要。常见策略包括真空蒸发、膜法、添加抗溶剂沉淀等。研究表明许多DES可循环使用4–10次而效率无明显损失，但尚无BSG特定研究系统测试DES再利用。下游加工必须将目标生物分子与DES分离，残留DES的去除是满足食品级标准的关键。
9. 多目标生物活性物质提取：现状与局限性
BSG增值传统上集中于单一组分提取，这往往经济效率低下并限制整体资源利用。集成式多组分回收策略虽已引起兴趣，但DES研究主要集中于单一化合物，集成式DES生物精炼仍未被充分探索。未来研究应优先考虑集成工艺设计，平衡回收率、结构保留、功能性和可持续性，以支持BSG在食品和营养保健品应用中实现可规模化、近零废弃物的增值转化。
