苹果渣低聚糖的连续超声波辅助与微波辅助自水解高效制备工艺研究

《Food and Bioprocess Technology》：Sequential Ultrasound and Microwave-Assisted Autohydrolysis for Efficient Production of Oligosaccharides from Apple Pomace

　　

本研究探讨了苹果渣（AP）的资源化利用途径，通过开发一种连续提取工艺，采用强化水热处理获得富含低聚糖的组分。研究重点在于优化水热超声波辅助提取（UAE）工艺，并考察其对后续微波辅助自水解（MAA）的影响。采用实验设计对UAE进行优化，选定温度、时间和振幅作为变量，以实现目标化合物的最大化提取。最优条件为66 °C、16 min和80%振幅。结果表明，葡萄糖低聚糖（GOS）是UAE和MAA过程中获得的主要组分，在UAE期间实现了37%的葡聚糖转化率。此外，UAE能有效溶解中分子量碳水化合物并去除游离可溶性糖，从而在后续MAA中生成富含低聚糖的组分。此外，在连续提取工艺的每一步均分离得到不同的低聚糖，从而对沉淀提取物的益生元活性进行了初步评价。宏基因组分析显示，24小时后微生物组成和相对丰度发生显著变化。底物促进了瘤胃乳杆菌、长双歧杆菌和青春双歧杆菌等的富集，表明这些沉淀提取物具有正向调节肠道菌群的初步潜力。

苹果渣是苹果加工产业产生的主要副产物，其富含膳食纤维和复杂多糖，可作为功能性低聚糖的潜在来源。传统自水解提取法虽仅以水为溶剂，但存在反应时间长、能耗高，且产物中混有单糖和非糖类杂质等问题。为解决上述问题，研究者探索了超声波辅助提取（UAE）和微波辅助自水解（MAA）等强化水热技术。已有研究分别应用UAE或MAA从苹果渣中提取果胶、多酚等生物活性物质，但将两种技术串联用于低聚糖的连续提取尚未见深入报道。本研究旨在开发一种先经优化UAE预处理、再进行MAA的连续提取工艺，从苹果渣中获取富含低聚糖的组分，并初步评价其益生元活性。

研究人员以西班牙巴斯克地区R. Zabala苹果酒厂提供的苹果渣为原料，经干燥、粉碎至粒径小于0.5 mm后，先进行常规水洗以去除游离可溶性糖，并测定原料的结构组成。随后采用Box–Behnken设计结合响应面法（RSM）优化UAE工艺，考察温度（40–66 °C）、时间（5–20 min）和振幅（20–80%）对低聚糖得率的影响。在最优条件下，研究人员还进行了常规加热水洗作为对照，以评估超声波的作用。之后，将未处理苹果渣（AP）、常规预处理苹果渣（CAP）和超声预处理苹果渣（UAP）分别进行MAA（180 °C，10 min，500 W），比较不同预处理对低聚糖组成和分子量分布的影响。采用高效液相色谱（HPLC）定量单糖、有机酸和降解产物，通过后水解法定量低聚糖，利用高效体积排阻色谱（HPSEC）测定分子量分布。最后，对UAE和常规预处理所得液体经乙醇沉淀获得的提取物进行体外粪便发酵实验，结合宏基因组测序分析其调节肠道菌群的潜力。

主要研究结果如下：

**原料组成**
未洗涤苹果渣含有29.3%游离可溶性糖（以干物质计），其中葡萄糖9.7%、木糖0.6%、果糖19.5%。水洗后测得苹果渣中葡聚糖和半纤维素含量较高，使其成为制备低聚糖的理想原料。

**UAE工艺优化**
通过Box–Behnken设计建立二次多项式模型，模型决定系数R2=0.957，失拟项不显著（p=0.252），表明模型拟合良好。温度、时间和振幅的线性效应均显著，温度与振幅的交互作用显著，振幅的二次效应显著。最优条件为66 °C、16 min、80%振幅，模型预测低聚糖浓度为17.94 g/L，实验验证值为17.46±1.54 g/L，证实模型有效。

**UAE与常规预处理对比**
在最优条件下，UAE比常规加热水洗溶解了更多的葡聚糖（41.3%对29.0%），且UAE液中葡聚糖转化为葡萄糖低聚糖（GOS）的转化率达37%，而常规预处理仅为13.7%。UAE所得低聚糖还含有半乳糖醛酸基团（果胶寡聚物），而常规预处理所得低聚糖主要为阿拉伯低聚糖（ArOS）。HPSEC分析显示，UAE液中含有部分中分子量碳水化合物（Mw约411 kDa和35 kDa），而常规预处理液中未检出此类高分子量组分。

**MAA工艺效果**
未预处理苹果渣直接进行MAA时，液体中单糖和降解产物浓度最高。UAP经MAA后，半纤维素脱除率为60.2%，低于AP（84.4%）和CAP（74.4%）。尽管直接MAA AP所得低聚糖总量更高，但UAE-MAA连续工艺因预先除去了游离单糖，所得液体具有更有利的低聚糖/单糖比率，低聚糖富集程度更高。各MAA处理所得低聚糖均以GOS为主，但UAP-MAA中GOS含量最低，这与UAE阶段已转化了部分葡聚糖有关。MAA液中未检出半乳糖醛酸基团，可能是因为180 °C高温使果胶降解为半乳糖醛酸或糠醛衍生物。此外，UAP经MAA后得到的碳水化合物分子量高于CAP和AP，表明超声预处理降低了原料的顽抗性。

**沉淀提取物的益生元活性初步评价**
体外粪便发酵实验显示，经24 h厌氧发酵后，与菊粉阳性对照相比，UAE沉淀提取物（PE-UAE24h）和常规预处理沉淀提取物（PE-CP24h）均引起肠道菌群组成的显著变化。两种提取物均促进了瘤胃乳杆菌、长双歧杆菌、青春双歧杆菌等有益菌的富集。其中长双歧杆菌在PE-UAE24h中增加更为明显，青春双歧杆菌在PE-CP24h中增加更显著。拟杆菌门成员如普通拟杆菌、肠道拟杆菌和狄氏副拟杆菌的相对丰度也升高，尤其在PE-UAE24h样品中。此外，还观察到粪杆菌属的普拉梭菌适度增加，该菌种与人体健康密切相关。这些结果为沉淀提取物具有潜在益生元活性提供了初步证据。

**讨论与结论**
本研究首次评估了连续UAE-MAA工艺从苹果渣中分步提取低聚糖的可行性。超声预处理不仅能有效去除游离可溶性糖，还能促进中分子量碳水化合物的溶出，并在后续MAA中获得不同组成的低聚糖富集组分。每一步提取所得低聚糖的化学组成和分子量分布存在显著差异，表明该连续工艺能够实现不同结构低聚糖的分级回收。沉淀提取物的体外发酵实验显示出正向调节肠道菌群的潜力，但具体由低聚糖组分中哪些成分起作用及其详细结构仍需进一步研究。本研究为苹果渣的高值化利用提供了一种基于强化水热技术的绿色连续提取新途径。