红葡萄渣与苹果渣不同组合及干燥技术的整合管理新策略：消化特性和计算机模拟毒理学性质的证据

《Applied Food Research》：Novel approaches for integrative management of red grape and apple pomaces tailor-made by different combinations and drying techniques: evidences on digestion profile and in silico toxicological properties

　　

研究考察了苹果渣（AP）与未发酵红葡萄渣（RGP）通过热风对流干燥（CD）和红外干燥（IR）实现协同增值利用。研究人员将RGP与AP按不同比例（1:9、1:6和1:3 w/w）混合并干燥，以获得酶促褐变减轻且花青素稳定的粉末。干燥动力学表明，1:3（w/w）RGP:AP比例在70°C条件下进行CD干燥可获得最高的多酚含量和较低的褐变指数。模拟胃肠道消化揭示了多酚谱的显著变化，这种变化由胃阶段化合物的逐步释放以及酚类与复合基质内大分子之间可能的相互作用所驱动。高效液相色谱（HPLC）分析结合吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET）性质的计算机模拟评估，表明选定化合物具有与口服吸收相容的理化性质。研究结果突显了这些副产物作为具有抗氧化特性的可持续功能性成分来源的实际应用潜力。

**红葡萄渣与苹果渣协同干燥制备功能性粉末的研究进展与展望**

**一、研究背景与科学问题**

葡萄酒、果汁及苹果汁加工业每年产生大量副产物，约占加工水果质量的20%–30%。这些残渣富含多酚、矿物质、膳食纤维和多糖等生物活性成分，然而目前往往未得到妥善管理，既造成资源浪费，也带来环境负担。如何将这些副产物转化为高附加值功能性食品原料，已成为食品科技领域循环经济模式下的重要研究方向。红葡萄渣（red grape pomace，RGP）是黄酮类、酚酸和二苯乙烯类化合物的优质来源，具有预防癌症和慢性疾病的潜在功效；苹果渣（apple pomace，AP）则富含矿物质、纤维、多酚、必需脂肪酸、蛋白质及熊果酸等健康促进成分。然而，新鲜果渣的微生物稳定性较差，且苹果渣中多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和过氧化物酶（peroxidase，POX）的活性会引发酶促褐变，导致酚类化合物降解，影响其生物利用度。已有的研究表明，来源于植物副产物的天然酚类提取物可作为合成酶抑制剂的可持续替代品，例如白葡萄渣天然深共熔溶剂提取物和玫瑰茄醇提物均被证实可有效抑制苹果中PPO和POX活性。基于此，将不同植物基质进行定制组合，利用组分间的相互作用（如花青素-果胶相互作用）来提升热加工和模拟胃肠道消化（gastrointestinal digestion，GID）过程中生物活性分子的稳定性，是一条值得探索的新途径。然而，针对AP与RGP混合物的干燥与增值研究仍十分有限。

本研究旨在通过响应面法（response surface methodology，RSM）优化RGP:AP混合物的干燥条件，以获得高酚类含量、良好色泽稳定性且褐变程度低的功能性粉末；进而通过体外模拟GID评估目标化合物的生物可给性，并结合计算机模拟（in silico）预测其吸收、分布、代谢、排泄和毒性（absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity，ADMET）性质，为开发新型抗氧化食品配料提供科学依据。

**二、主要研究结论**

研究人员以未发酵RGP（来自罗马尼亚Bratu酒庄的Feteasc? Neagr?和Merlot品种）和新鲜Golden Delicious苹果为原料，按实验设计比例混合榨汁后，采用对流干燥（convective drying，CD）和红外干燥（infrared drying，IR）在50、60和70°C下处理，通过响应面法优化获得最佳干燥工艺，并对优化粉末进行体外模拟消化和计算机模拟毒性评价。研究表明，70°C下CD干燥1:3（w/w）RGP:AP为最优条件，所得粉末褐变指数低、酚类化合物和抗氧化活性高。模拟消化显示，多酚在胃阶段逐步释放，肠道阶段黄酮含量和抗氧化活性有所回升；HPLC分析揭示了不同酚类类别差异化的稳定性和生物可给性；ADMET预测提示该粉末总体呈低风险毒理学特征，具有作为功能性食品配料的开发潜力。

**三、关键技术方法**

研究人员运用到的主要技术方法包括：（1）薄层干燥数学模型拟合（采用Page等五种模型评价干燥动力学）；（2）Fick第二定律计算有效水分扩散系数（D_eff）及Arrhenius方程计算活化能（E_a）与热力学参数（ΔH、ΔS、ΔG）；（3）响应面法（RSM）三水平因子设计优化干燥条件（自变量为温度、RGP:AP比例和干燥方式）；（4）pH示差法测定总花青素含量（TAC）、Folin-Ciocalteu法测定总多酚含量（TPC）、AlCl₃比色法测定总黄酮含量（TFC）以及DPPH和ABTS自由基清除法评价抗氧化活性；（5）静态体外模拟胃肠道消化模型（包括口腔、胃、肠三个阶段）；（6）高效液相色谱（HPLC）定量分析单体酚类化合物；（7） SwissADME和ProTox 3.0平台进行计算机模拟ADMET预测。

**四、研究结果分述**

**4.1 干燥动力学与数学模型**

RGP的初始干物质含量为72.69%，AP为33.06%，混合物的干物质含量随AP比例增加而降低。IR干燥较CD干燥缩短约11.11%的干燥时间，归因于红外辐射更高效的热传递和水分迁移。较高的RGP比例（1:3）导致干燥时间延长（50°C和60°C下分别增加约20%和12.5%），与RGP较高的碳水化合物含量有关。所有处理组中，Page模型拟合效果最佳（R2=0.9988–0.9999，RMSE最低），适用于描述该复合植物基质的薄层干燥过程。D_eff值随温度升高而增大（0.88×10^-9–2.53×10^-9 m2/s），符合植物物料10^-12–10^-8 m2/s的典型范围。E_a随RGP:AP从1:3增至1:6而降低（CD降低42.93%，IR降低35.07%），继续增至1:9则略有回升。热力学分析显示ΔH为正值（吸热过程）、ΔS为负值（水分子迁移趋于有序化）、ΔG为正值（非自发过程，需外部能量输入），IR干燥的ΔG值高于CD。

**4.2 响应面优化与色泽-功能特性**

三水平因子设计共24组实验，所有响应变量的二次多项式模型均显著，R2介于0.82–0.97。RGP:AP比例对所有色泽坐标均有显著影响：RGP含量越高，L*值越低（花青素贡献）；AP含量增加则a*值和褐变指数（browning index，BI）显著升高（酶促褐变加剧）。a*与BI呈强正相关（CD r=0.90，IR r=0.86，p<0.001）。高温有利于部分灭活PPO和POX，从而减少醌类物质形成、抑制褐变。多酚方面，温度对TAC和TPC有显著正向效应，RGP:AP比例则对所有植物化学指标呈显著负向影响；1:3比例在70°C时获得最高TPC（CD为28.61 mg GAE/g DW，IR为27.68 mg GAE/g DW）。TFC最大值出现在IR干燥50°C（39.08 mg QE/g DW）。IR干燥在较高温度下导致抗氧化活性下降，而CD干燥则在70°C时活性最高。模型验证表明预测值均落在95%置信区间内，确认了优化条件的可靠性。综合最优条件为70°C下CD干燥、1:3 RGP:AP比例。

**4.3 体外模拟胃肠道消化**

优化粉末经口腔、胃、肠道三个阶段消化后，多酚在胃液和肠液中的含量均高于液相，表明植物基质中的纤维、蛋白质和多糖对生物活性成分具有保护作用。花青素在肠道阶段显著减少（pH升高和酶作用导致降解），回收指数从胃阶段的70.25%降至肠道阶段的36.77%；但可检测到的残余花青素提示果胶相互作用提供了部分保护。TPC和TFC在胃阶段回收率分别为84.23%和74.99%，肠道阶段有所下降；最终残余肠道消化指数（RID）顺序为TFC（52.66%）> TPC（34.00%）> TAC（11.90%）。肠道阶段固相ABTS-RSA抗氧化活性从胃阶段的97.39增至145.98 mMol Trolox/g DW，与黄酮类化合物的额外释放有关。

**4.4 单体酚类化合物的消化稳定性**

HPLC分析鉴定出30种主要酚类化合物。胃阶段后，羟基苯甲酸类总量由5318.22降至2799.8 μg/g DW，肠道阶段回升至3566.93 μg/g DW；没食子酸和丁香酸在肠道阶段分别下降约88%和40%，而原儿茶酸和香草酸浓度上升——后者源于花青素降解代谢。羟基肉桂酸类在消化后总量高于对照组（胃阶段增加60%），归因于酯化形式或与木质素、多糖结合的酚类水解释放。黄烷-3-醇类生物可给性在肠道阶段降至约23%，表没食子儿茶素降幅最大（从33479.81降至422.99 μg/g DW）。黄酮醇类在胃阶段生物可给性为46.75%，肠道阶段降至17.75%；槲皮素-3,4′-二葡萄糖苷、山奈酚和异鼠李素在胃阶段浓度分别增加68.4%、32.6%和36.96%。黄酮和黄烷酮在肠道阶段生物可给性分别增至64.53%和79.87%，芹菜素因B环不含邻苯二酚结构而较木犀草素更稳定。花青素在胃阶段生物可给性为51.10%，肠道阶段为45.29%，整体降解约84%，但优于文献报道的单独RGP消化结果，证实AP果胶对花青素具有稳定化作用。

**4.5 计算机模拟ADMET毒理学性质**

药物相似性分析显示，17种化合物完全符合Lipinski规则，4种存在单一偏差，9种不符合。60%的多酚满足Veber和Egan规则的口服生物利用度标准（可旋转键数<10，拓扑极性表面积TPSA<140 ?2）。花青素、黄烷酮、糖基化槲皮素及绿原酸等预测肠道吸收较低，但可能通过局部效应或代谢产物发挥生物活性。细胞色素P450酶抑制预测显示槲皮素、山奈酚、木犀草素、芹菜素等可能作用于CYP2D6或CYP3A4。LD₅₀预测依据《全球化学品统一分类和标签制度》（GHS）标准，6.67%的化合物属毒性类别，23.33%为潜在有害，56.67%低毒，13.33%实际无毒。器官特异性毒性方面，仅肉桂酸预测具有中等肝毒性（0.54），12种化合物预测有免疫毒性，槲皮素和木犀草素预测具有致突变潜力，个别化合物与心脏毒性和致癌风险相关，但整体风险偏低。

**五、讨论与结论**

本研究通过将两种果蔬加工副产物进行定制化组合与干燥工艺优化，实现了酶促褐变的协同抑制和功能性粉末的绿色制备。体外消化与计算机模拟预测相结合的方法，为评价复杂食品基质中多酚类化合物的释放规律、生物可给性和安全性提供了系统性思路。研究结果证明，RGP与AP之间的互补效应（酚类抑制褐变酶、果胶稳定花青素）能够显著提升终产品的功能品质。论文指出，其局限性在于采用了自建的静态消化方案而非国际通用的INFOGEST标准方法，且未提供胰酶的比活力数据，可能影响结果的重复性和可比性。研究结论认为，优化所得RGP:AP粉末具有作为天然抗氧化功能性食品配料的潜力，符合循环经济理念；但实际生物利用度和代谢效应仍需通过体内实验进一步验证。

**结论**：本研究结果突显了根据不同农食副产物定制干燥动力学的可行性，能够开发出旨在改善植物化学特性、减少酶促褐变效应并增强功能潜力的稳定粉末产品。酚类化合物稳定性和抗氧化活性同时受红葡萄渣与苹果渣配比及干燥工艺的影响，据此确定了抑制苹果渣酶促褐变和保护生物活性化合物的最佳条件。体外模拟胃肠道消化揭示了优化粉末多酚谱的变化，为其从植物基质结构中的释放规律、稳定性及生物可给性提供了重要见解。胃期馏分的HPLC结果表明，不同类别酚类化合物之间的稳定性存在差异，并体现在浓度变化和潜在生物可给性上。此外，在肠道阶段，抗氧化活性的增加与总黄酮含量的增加相关。这些分子与植物基质中的大分子（如纤维和果胶）之间的相互作用，可能有助于部分保护某些酚类化合物（如花青素）并在消化过程中使其逐步释放。单体酚类化合物的HPLC分析提供了关于结构特征的关键信息，如糖基化程度或邻苯二酚基团的存在，这些结构特征可能影响其在胃肠道条件下的稳定性。对所定量化合物进行的ADMET性质计算机模拟预测评估（如肠道吸收和毒理学特征）表明，该粉末值得作为潜在功能性食品配料进一步评估。利用果汁和葡萄酒工业副产物是循环经济背景下的一个相关方向，这些副产物可作为具有抗氧化特性的食品成分加以整合。用于预测选定理化、药代动力学和毒理学性质的计算方法，为相关机制提供了有价值的见解。本研究的一个局限性是使用了自建的静态消化方案而非统一的INFOGEST方案。尽管已报告所用的酶规格和浓度，但未提供胰酶的比活力，这可能限制结果的可重复性和可比性。此外，这些结果的确认需要进一步的体内研究，以明确这些天然化合物的实际生物利用度和代谢效应。