利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）与机器学习相结合的方法对苜蓿进行质量控制：特征提取算法与元启发式算法的优化

《Future Foods》：Quality control of Alfalfa using FTIR Spectroscopy in combination Machine Learning: Optimisation of feature extraction algorithms and metaheuristic algorithm

　　藻蓝蛋白与叶绿素协同提取及副产物生物刺激作用研究。采用零废弃生物精炼策略，利用天然深熔溶剂（E型：脯氨酸:甘油:山梨醇:水，摩尔比1:1:1:13）结合超声辅助细胞破碎，实现藻蓝蛋白回收率8.26 g·100 g?1，较未破碎对照组提升400-450%。叶绿素提取后生物刺激剂使番茄、黄瓜等种子发芽指数提升80-150%。该工艺有效降低能耗（10-100 g·L?1浓度下超声能量需求降低32%），实现色素回收与农业副产物资源化利用。

　　本研究探讨了一种零废弃的生物精炼方法，用于从螺旋藻（*Arthrospira platensis*）中依次提取藻蓝蛋白和叶绿素，并将剩余生物质作为植物生物刺激剂进行利用。这一过程采用天然深共晶溶剂（NADES）进行提取，通过超声波辅助细胞壁破裂，显著提升了提取效率，并对提取后的产物在食品着色和农业应用中的潜力进行了评估。

### 背景与意义

自19世纪以来，食品添加剂的使用逐渐成为食品工业的重要组成部分，这些添加剂用于保持食品的某些特性或延长保质期。其中，约有40种为色素类添加剂，它们在欧盟被欧洲食品安全局（EFSA）批准使用。随着消费者对健康和可持续发展的关注增加，天然色素的应用越来越受到青睐。螺旋藻因其丰富的生物活性成分和天然来源的特性，在食品工业中被广泛研究，尤其是在食品着色和营养强化方面。

藻蓝蛋白和叶绿素是螺旋藻中重要的天然色素，具有显著的抗氧化能力。此外，螺旋藻富含蛋白质，是天然食品色素的理想来源。研究表明，从螺旋藻中提取的藻蓝蛋白能够有效提升食品的色泽，同时保持其生物活性。例如，某些提取物的DPPH自由基清除能力高达60%以上，这使其在功能性食品和饮料中具有广泛应用前景。然而，传统提取方法往往面临提取效率低、稳定性差以及对极端条件敏感等问题，限制了其在实际应用中的推广。

因此，本研究旨在通过优化提取工艺，提高螺旋藻中藻蓝蛋白和叶绿素的回收率，同时实现对剩余生物质的高附加值利用。通过采用天然深共晶溶剂和超声波辅助细胞壁破裂技术，研究者希望开发出一种高效、环保且可持续的提取方法，为食品工业和农业领域提供新的解决方案。

### 方法与过程

研究中首先对十六种不同的天然深共晶溶剂进行了筛选，以评估其对藻蓝蛋白提取的效果。结果显示，由脯氨酸、甘油、山梨醇和水按1:1:1:13摩尔比组成的溶剂E表现出最高的提取潜力，其回收率达到了1.15 g·100 g?1。随后，研究者引入了超声波辅助的细胞壁破裂步骤，这一步骤显著提高了藻蓝蛋白的回收率，较未处理对照组提升了400-450%。

为了进一步优化提取条件，研究团队采用响应面法（RSM）对温度和提取时间这两个关键参数进行了系统研究。通过实验设计和数据分析，确定了最佳提取条件为39.7°C和127.9分钟，此时藻蓝蛋白的回收率达到8.26 g·100 g?1。这一结果表明，通过合理的参数调整，可以实现较高的提取效率。

提取后的藻蓝蛋白溶液被用于模拟商业蓝味精的色泽，其与原产品的色差（ΔE）仅为4.53，说明其着色效果接近人工色素。而叶绿素的提取则通过乙醇溶液进行，提取后的溶液能够有效着色商业绿酒和无酒精的苹果利口酒，色差分别为3.93和1.65，均处于可接受范围内。

此外，研究还评估了提取后剩余生物质的生物刺激潜力。通过将这些剩余物用于不同种子的发芽实验，结果显示其能够显著提升种子的发芽指数（GI），达到80-150%的提升效果。这一发现表明，螺旋藻提取后的剩余物不仅能够用于食品着色，还具备作为植物生物刺激剂的潜力，为农业提供了新的资源。

### 结果与讨论

研究结果表明，采用天然深共晶溶剂进行藻蓝蛋白提取不仅提高了回收率，还减少了对环境的负担。相比传统有机溶剂，NADES具有天然来源、低毒性和良好的生物降解性，使其成为一种更可持续的提取方案。此外，超声波辅助细胞壁破裂技术的应用显著提高了提取效率，表明物理处理手段在生物精炼过程中的重要性。

在提取过程中，温度和时间对藻蓝蛋白的回收率具有显著影响。研究发现，随着温度的升高，提取效率首先提升，但超过一定温度后，由于蛋白质的变性，回收率开始下降。因此，选择合适的温度范围对于维持提取物的稳定性和活性至关重要。通过RSM优化后的提取条件，不仅实现了较高的回收率，还保证了提取物的生物活性。

叶绿素的提取结果显示，尽管其浓度较低，但其在食品着色方面的表现同样令人满意。通过优化提取步骤，研究团队成功将叶绿素用于模拟商业绿酒和无酒精饮料的色泽，且色差控制在可接受范围内。这表明，天然叶绿素在食品工业中具有广阔的应用前景。

在生物刺激方面，研究团队发现，提取后的剩余生物质对多种种子的发芽指数有显著提升作用。这不仅表明其具有作为植物生长促进剂的潜力，还为农业废弃物的高值化利用提供了新的思路。相比传统人工激素，这些天然提取物在促进种子发芽方面表现出良好的效果，且对环境友好。

### 实际应用与市场前景

本研究的结果对食品工业和农业领域均具有重要意义。首先，在食品工业中，天然色素的使用正日益受到关注。消费者对健康和可持续发展的需求促使食品生产商寻找更环保的替代方案。螺旋藻提取物不仅能够有效着色食品和饮料，还具有抗氧化等生物活性，使其成为多功能食品添加剂的理想选择。

其次，在农业领域，研究发现提取后的剩余生物质对种子发芽具有显著促进作用。这表明，螺旋藻的加工过程中，不仅能够提取出高价值的色素，还能产生可用于植物生长的生物刺激剂。这种零废弃的生物精炼方法有助于减少资源浪费，提高整个生产过程的可持续性。

此外，研究还发现，螺旋藻提取物的着色效果受pH值的影响较大。在pH值5.0至7.5范围内，藻蓝蛋白和叶绿素均表现出较好的稳定性。这一发现对于食品加工过程中色素的应用具有指导意义，可以帮助企业优化产品配方，确保色素在储存和使用过程中的稳定性。

### 结论

综上所述，本研究提出了一种零废弃的生物精炼策略，通过优化提取条件，实现了螺旋藻中藻蓝蛋白和叶绿素的高效回收，并进一步利用剩余生物质作为植物生物刺激剂。这一方法不仅提高了螺旋藻的资源利用率，还为食品工业和农业领域提供了可持续的解决方案。研究结果表明，螺旋藻提取物在食品着色和农业应用中均表现出良好的性能，为天然色素和生物刺激剂的开发提供了重要的理论和技术支持。

通过采用天然深共晶溶剂和超声波辅助细胞壁破裂技术，研究团队成功克服了传统提取方法中的一些限制，如低回收率和高能耗。同时，研究还发现，提取后的剩余生物质具有显著的生物刺激作用，能够有效促进种子发芽，这为农业领域的可持续发展提供了新的思路。

这一研究不仅为螺旋藻的高附加值利用提供了可行的路径，也为其他微藻的资源化利用提供了借鉴。随着环保意识的增强和可持续发展目标的推进，天然色素和生物刺激剂的市场需求将持续增长。因此，开发高效、环保的提取技术，对于推动绿色食品工业和农业发展具有重要意义。