《Food Chemistry: X》：Sequential autoclave–hydrothermal, enzymatic conversion of cauliflower waste Xylan into high-purity bioactive Xylooligosaccharides: Purification, prebiotic activity and toxicity analysis
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将食物废料可持续地增值为益生元低聚木糖（XOS）无疑是循环生物经济的一项举措。本研究报道了高压灭菌–水热预处理（AC-PT）可从花椰菜废料中实现71.7%的优异木聚糖回收率。经优化的木聚糖酶水解可产生64.27%的XOS，主要组分为X2（38.4
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将食物废料可持续地增值为益生元低聚木糖（XOS）无疑是循环生物经济的一项举措。本研究报道了高压灭菌–水热预处理（AC-PT）可从花椰菜废料中实现71.7%的优异木聚糖回收率。经优化的木聚糖酶水解可产生64.27%的XOS，主要组分为X2（38.4%）、X3（24.9%）、X4（34.3%）和X6（2.4%）。依次进行的超滤和纳滤纯化主要纯化了XOS组分，即X2（55.8%）、X3（35.7%）、X4（8.3%）和X6（0.2%）。纯化后的XOS表现出良好的益生元效应，可促进乳杆菌（Lactobacillus）菌株的生长，其益生元指数（prebiotic index）和益生元评分（prebiotic score）均>1，并具有良好的抗菌活性。体外XOS发酵生成了乳酸和短链脂肪酸（SCFAs）。XOS的细胞毒性试验表明，其对植物无毒，且对人NCM 460细胞系无细胞毒性。本研究证实了从花椰菜废料出发，经高压灭菌–水热预处理–酶解–膜纯化这一顺序工艺制备高质量益生元的实际可行性。
论文解读
一、研究背景与问题
全球人口持续增长，导致废弃生物质大量增加，食物及其他必需品的消耗也随之上升。联合国粮农组织（FAO）报告指出，全球每年约有13亿吨食物被损失或浪费，超过全球粮食产量的三分之一。全球每年产生超过50亿吨农业残余物，其中亚洲占47%，美洲占29%，欧洲占16%，非洲占7%。在食物供应链中，生产及采后阶段的损失占24%，运输环节产生17%的废弃物，零售商因外观标准和库存过剩浪费20%的食物，而消费阶段造成的损失最大，高达35%。这些废弃物若处置不当，会引发温室气体排放、水体与土壤污染、健康危害及资源流失等一系列环境与经济问题。在气候变化、资源有限、生物多样性丧失以及可持续经济体系需求的多重背景下，农业食品废料正逐渐成为循环生物经济中的宝贵资源。
十字花科蔬菜在全球范围内消费广泛，但其供应链中的损耗相当可观，主要包括卷心菜、花椰菜和西兰花。花椰菜和卷心菜产生的废弃物占总废弃物的30%至50%。这些废弃物因加工技术不足而未被充分利用，尤其是在回收膳食纤维和植物化学物等促进健康的生物活性成分方面。膳食纤维广泛应用于食品和医药领域，作为食品添加剂或功能性食品成分具有巨大潜力。循环经济通过实现零污染和零废弃的目标，为将花椰菜废料转化为低聚木糖（XOS）等有用产品提供了可持续的替代方案。
低聚木糖是指由2至6个木糖单体通过β（1→4）木糖苷键连接而成的不可消化性糖寡聚体。木聚糖经水解可产生短链XOS，主要为木二糖、木三糖和木四糖。研究表明，XOS具有抗高血压、抗糖尿病和益生元特性，并能抑制人结肠癌细胞。木聚糖是经预处理和酶法水解制备XOS的主要原料。人体和动物研究显示，XOS可增加乳杆菌和双歧杆菌的数量，改善粪便湿度，降低肠道pH值，凸显了其对肠道健康的益处，并增加了其在功能性食品和营养保健品中的应用。XOS的甜度约为蔗糖的40%，适用于低热量产品。目前XOS在多个国家被归类为新兴益生元，美国食品药品监督管理局（FDA）已将其认定为公认安全（GRAS）物质。
然而，现有文献显示，从花椰菜废料中提取半纤维素并进一步生产低聚木糖的研究严重缺乏。此外，尽管目前多数研究集中于花椰菜废料的化学预处理，但关于蒸汽辅助对木糖回收率影响的报道甚少。因此，研究人员提出假设：高压灭菌水热处理能够更高效地提取木糖，随后依次进行酶处理和超滤/纳滤纯化，可获得具有高益生元活性的超纯XOS。该研究旨在利用高压灭菌–水热预处理提取半纤维素，随后通过木聚糖酶酶解回收XOS，并采用响应面法（RSM）优化绿色工艺以提升XOS产率，进而评估其纯化效果、抗菌/抗氧化潜力、益生元潜力、体外消化性及植物/人细胞系毒性。这一研究将支持循环生物经济，为花椰菜废料的生物增值提供可持续的绿色生物提取技术。
二、主要技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：高压灭菌–水热预处理（AC-PT）提取花椰菜废料中的木聚糖，采用Box-Behnken设计（BBD）结合响应面法（RSM）优化提取条件；利用重组木聚糖酶进行酶法水解制备XOS，并通过BBD-RSM优化酶解参数；采用超滤（UF）和纳滤（NF）依次进行膜纯化；运用高效液相色谱（HPLC）和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）对XOS进行定性与定量分析；通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）对预处理前后生物质进行结构表征；通过体外发酵实验评估益生元指数和益生元评分；采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析短链脂肪酸（SCFAs）；通过植物毒性和人结肠上皮细胞（NCM460）细胞毒性试验评估安全性。花椰菜废料样本采自印度德拉敦当地市场。
三、研究结果
3.1 高压灭菌–水热预处理从花椰菜废料中提取木糖
3.1.1 BBD优化AC-PT条件对木糖产率的影响
花椰菜废料的生物质组成分析显示，其含有26.2±0.21%纤维素、17.0±0.14%半纤维素和2.56±0.16%木质素。营养成分分析表明，花椰菜废料含16±0.18%蛋白质、38.02±0.16%碳水化合物和31.55±0.31%纤维。通过BBD方法进行了17次实验运行，AC-PT提取辅助的木糖产率范围为27.07至99.13 mg/g，总糖提取范围为32.21至126.13 mg/g。在200°C、20分钟和固液比1:60的条件下，获得最高木糖产率99.13 mg/g和最高总糖产率126.13 mg/g。
3.1.2 HPLC木糖提取分析
在优化条件下（固液比1:60、温度200°C、时间20分钟）进行AC-PT后，HPLC分析显示木糖浓度为9.24 mg/mL。结果表明，AC-PT可从生物质中提取71.7%的木糖。1克含17.0%木聚糖的花椰菜废料相当于193.18 mg理论木糖，而从15 mL水解液中实验提取了138.60 mg木糖，木糖提取效率达71.7%。AC-PT采用水作为溶剂，避免使用刺激性化学品，在受控条件下运行，兼具高提取效率和环境可持续性。
3.1.3 结构分析
SEM图像显示，未处理的花椰菜废料表面光滑致密，纤维素链定向良好并由半纤维素紧密结合；AC-PT处理后，由于半纤维素被提取，表面出现侵蚀，变得粗糙疏松。FTIR光谱中，未处理样品在1739和1248 cm?1处出现半纤维素典型的-COOH和酯官能团峰，而AC-PT样品中这两个峰消失，证实半纤维素已成功从生物质中提取。TGA分析显示，AC-PT样品的半纤维素降解区域变平，纤维素燃烧区域向高温侧移动至360°C，进一步证实半纤维素的成功去除。XRD分析表明，未处理花椰菜废料的结晶指数（CI）为29.3%，AC-PT后增至30.5%，预处理去除了无定形半纤维素，暴露了结晶纤维素。
3.2 酶法水解制备XOS
经AC-PT提取的木聚糖富集半纤维素组分在优化条件下进行酶法水解，产生64.27%的XOS，主要组分为X2（38.4%）、X3（24.9%）、X4（34.3%）和X6（2.4%）。随后依次进行超滤和纳滤纯化，主要纯化了XOS组分，使X2含量提升至55.8%，X3提升至35.7%，X4为8.3%，X6为0.2%。
3.3 益生元潜力评估
体外发酵实验表明，纯化后的XOS表现出良好的益生元效应，可促进乳杆菌菌株的生长，其益生元指数和益生元评分均大于1，并具有良好的抗菌活性。体外XOS发酵生成了乳酸和短链脂肪酸（SCFAs）。
3.4 毒性分析
细胞毒性试验表明，XOS对植物无毒，且对人NCM 460结肠上皮细胞系无细胞毒性，证实了其安全性。
四、结论与意义
本研究成功建立了从花椰菜废料中提取木聚糖并制备高纯度生物活性低聚木糖的完整工艺链。通过高压灭菌–水热预处理实现了71.7%的木糖提取效率，经优化酶解和膜纯化获得了高纯度XOS组分。纯化后的XOS展现出优异的益生元活性，能够促进有益菌生长并产生有益的代谢产物，且无植物毒性和人细胞毒性。该研究证实了从花椰菜废料经高压灭菌–水热预处理–酶解–膜纯化这一顺序工艺制备高质量益生元的实际可行性，为食品废料的可持续增值提供了绿色技术路径，有力支持了循环生物经济的发展。该论文发表在《Food Chemistry: X》。
