豌豆秸秆生物活性成分的高效提取：预处理强化超声辅助提取酚类化合物的新策略

本研究针对豌豆秸秆（pea haulm）这一大宗农业废弃物的高值化利用难题，创新性地将微波辅助热风干燥与高压、脉冲电场、均质化等预处理技术相结合，以强化超声辅助提取（UAE）酚类化合物（PCs）的效率。研究结果表明，温和的干燥条件（200 W，40 °C）能更好地保留生物活性成分，而高压预处理能最大化提升总酚含量（TPC，21.35 mg GAE/g DM）、总黄酮含量（TFC，13.73 mg CTE/g DM）及DPPH自由基清除活性（132.21 μmol TE/g DM），脉冲电场预处理则在提升铁离子还原能力（FRAP，77.49 μmol TE/g DM）和蛋白质共提取方面表现突出。该研究为农业废弃物的绿色、高效资源化提供了重要的技术路径和理论依据，对推动可持续农业和生物精炼发展具有重要意义。

　　

每年全球豌豆收获后会产生大量的豌豆秸秆（pea haulm），这些地上部分的茎、叶等残留物通常被用作饲料、堆肥或直接丢弃，不仅造成了资源浪费，还可能带来环境问题。然而，这些看似无用的废弃物实则蕴藏着宝贵的财富——酚类化合物（Phenolic Compounds, PCs）。酚类化合物是植物中重要的次级代谢产物，具有强大的抗氧化、抗菌等生物活性，在食品、保健品、化妆品和制药行业有着广阔的应用前景。遗憾的是，豌豆秸秆作为典型的木质纤维素生物质，其坚固的细胞壁结构，尤其是木质素-碳水化合物复合物，将酚类物质牢牢“锁”在内部，使得常规提取方法效率低下，限制了其高值化利用。

面对这一挑战，研究人员开始将目光投向新兴的绿色提取技术，其中超声辅助提取（Ultrasound-Assisted Extraction, UAE）因其利用声空化效应有效破坏细胞壁、提高传质效率而备受青睐。但单独使用UAE处理木质纤维素材料仍存在局限性，如细胞壁的刚性结构限制了溶剂的可及性，酚类物质与结构聚合物的强结合力降低了其溶解度。因此，在UAE之前引入预处理步骤，旨在改变物料的物理结构、削弱木质素或半纤维素屏障、破坏酚类物质与基质间的结合，从而为后续的超声提取“铺平道路”。

在此背景下，由Nushrat Yeasmen、Md. Hafizur Rahman Bhuiyan、Hosahalli Ramaswamy、Valérie Orsat和Marie-Josée Dumont组成的研究团队在《Food Bioscience》上发表了一项重要研究。他们系统探讨了预处理驱动强化的超声辅助提取技术，用于从微波干燥的豌豆秸秆生物质中高效提取酚类化合物。研究旨在回答几个核心问题：不同的微波干燥条件如何影响豌豆秸秆的理化性质和酚类物质保留？高压（High Pressure, HP）、脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）和均质化（Homogenization）这三种预处理技术如何改变豌豆秸秆的微观结构？这些预处理又如何协同UAE提升酚类化合物的提取效率及其抗氧化活性？

为了回答这些问题，研究人员开展了一项设计严谨的实验。他们首先将采集自加拿大麦吉尔大学农场的新鲜豌豆秸秆进行微波辅助热风干燥（功率200 W，温度分别为40 °C、60 °C、80 °C），并评估干燥后物料的颜色属性、蛋白质二级结构（通过傅里叶变换红外光谱FTIR分析）以及基础 phytochemical 含量（包括总酚含量TPC、总黄酮含量TFC、DPPH自由基清除活性和铁离子还原抗氧化能力FRAP）。在确定最佳干燥条件后，对干燥粉末进行高压（350 MPa, 10 min）、脉冲电场（2.5 kV/cm, 70 pulses）或均质化（10,000 rpm, 5 min）预处理，随后进行超声辅助乙醇提取（70%乙醇，固液比1:30 g/mL，超声功率350 W，时间15 min，温度25±2 °C）。提取后的残渣通过扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构变化（包括分形维数FD和表面开放度SO），而上清液则用于详细分析酚类化合物含量、抗氧化活性以及个别酚类物质（如绿原酸、芦丁等）和蛋白质含量。

微波干燥对豌豆秸秆特性及酚类物质的影响

研究发现，微波干燥的温度显著影响了豌豆秸秆粉末的性质。随着干燥温度从40 °C升高到80 °C（固定功率200 W），物料的颜色发生明显变化：亮度（L值）从76.86显著增加至93.42，绿度（a值负值减小）和黄度（b*值）则降低，表明物料发生了漂白，绿色和黄色色素（如叶绿素和类胡萝卜素）因热降解而损失。更重要的是，干燥严重程度直接导致了可提取酚类物质的减少：总酚含量（TPC）从17.21 mg GAE/g DM降至14.54 mg GAE/g DM，总黄酮含量（TFC）从8.09 mg CTE/g DM降至6.56 mg CTE/g DM，DPPH自由基清除活性和FRAP还原能力也相应下降。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步揭示，较高的干燥温度引起了蛋白质二级结构的转变，α-螺旋结构减少，而β-折叠（特别是聚集态的β-折叠）和随机卷曲结构增加，这种结构变化可能导致酚类物质被更紧密地包埋，从而降低了其可提取性。这些结果共同表明，温和的干燥条件（200 W, 40 °C）能最大程度地保留豌豆秸秆中的生物活性成分，因此被选为后续预处理研究的基础。

预处理对提取残渣微观结构的影响

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，不同的预处理技术对经过UAE后的豌豆秸秆残渣的微观结构产生了 distinct 影响。图像分析表明，虽然各预处理组的分形维数（FD，表征表面粗糙度）与未预处理对照组相比无显著差异，但表面开放度（SO，表征孔隙暴露程度）却显著提高。具体而言，高压预处理导致了最广泛的裂隙和层状分离，表面开放度最高（59.31%）；脉冲电场预处理产生了明显的穿孔结构，表面开放度次之（54.69%）；均质化预处理则使物料碎片化，呈现薄片状结构，表面开放度也有一定提升（51.62%），均显著高于未预处理对照组（49.44%）。这表明所有预处理都有效地增加了物料的可及表面积，为溶剂渗透和超声空化作用创造了更有利的条件，且高压预处理在破坏细胞壁结构、增加孔隙度方面效果最为突出。

预处理对酚类化合物提取效率及抗氧化活性的影响

微观结构的改善直接反映在提取效率的提升上。与未预处理的对照组相比，所有预处理均显著提高了超声辅助提取的得率，但效果因预处理方式而异。

• •
  高压预处理（HP） 表现最为全面，它使得总酚含量（TPC）达到21.35 mg GAE/g DM，总黄酮含量（TFC）达到13.73 mg CTE/g DM，均为各组最高。同时，其DPPH自由基清除活性也最高（132.21 μmol TE/g DM）。在个别酚类物质方面，高压预处理显著提高了绿原酸、芦丁的含量，并成功提取出了在未处理组中未检测到或含量极低的芥子酸和阿魏酸等细胞壁结合酚酸，证实了其强大的细胞壁破坏能力。
• •
  脉冲电场预处理（PEF） 在提升总酚和总黄酮含量方面仅次于高压预处理，但其最显著的特点是大幅提高了铁离子还原抗氧化能力（FRAP，77.49 μmol TE/g DM），且共提取的蛋白质含量最高（7.88 mg BSA/g DM）。然而，其DPPH自由基清除活性在预处理组中最低。这种抗氧化活性指标的差异可能源于PEF引起的细胞膜透化作用选择性释放了更多具有还原能力的成分（可能与蛋白质或特定酚类复合物有关），而非主要作用于自由基清除的酚类。
• •
  均质化预处理 对酚类物质提取的增强作用适中，但其DPPH自由基清除活性仅次于高压预处理。这表明均质化产生的剪切力和空化效应也能有效释放具有强自由基清除能力的活性成分。

研究结论与意义

本研究成功验证了其核心假设：对微波干燥的豌豆秸秆进行预处理，能够通过破坏其木质纤维素结构、增加孔隙度和溶剂可及性，从而显著强化后续超声辅助提取酚类化合物的效率。研究得出以下关键结论：

1. 1.
   干燥条件是基础：温和的微波辅助热风干燥（200 W, 40 °C）是保留豌豆秸秆中热敏性酚类化合物和抗氧化活性的最优选择，为后续预处理强化提取提供了高质量的原料基础。
2. 2.
   预处理是关键：高压、脉冲电场和均质化预处理均能有效改变豌豆秸秆的微观结构，提高其表面开放度，进而提升UAE的效率。其中，高压预处理在最大化酚类物质提取量和自由基清除活性方面效果最佳。
3. 3.
   技术路径各有侧重：不同的预处理技术有其独特的优势。高压预处理适合于以获取高抗氧化活性的酚类提取物为主要目标的场景；脉冲电场预处理在提升还原能力和共提取蛋白质方面有优势，可能适用于开发多功能配料；均质化预处理则提供了一种操作相对简单且能带来中等增益的方案。

这项研究的意义重大。它不仅为豌豆秸秆这一特定农业废弃物的高值化利用提供了一套具体、可行的技术方案（温和干燥 + 预处理 + UAE），更重要的是，其揭示的“结构破坏-提取增效”机制具有普适性，可推广至其他木质纤维素类农业废弃物的资源化处理。研究结果有力地支持了将豌豆秸秆整合到生物精炼框架中的可行性，通过分级、多路径的转化，实现从废弃物到高价值生物活性成分、蛋白质和纤维材料的转变，完美契合循环经济和可持续农业的发展理念。尽管未来仍需在扩大规模、能耗经济性、酚类物质精细鉴定以及功能验证等方面进行深入探索，但本研究无疑为农业废弃物迈向“变废为宝”的绿色未来迈出了坚实的一步。