利用超临界二氧化碳对高水分食品副产物中的脂质和生物活性成分进行顺序干燥与提取：一种新型的副产物增值方法

《ACS Sustainable Resource Management》：Sequential Drying and Extraction of Lipids and Bioactives from High-Moisture Food Side Streams Using Supercritical Carbon Dioxide: A Novel Approach to Side-Stream Valorization

超临界CO?干燥技术优化处理啤酒糟、大豆渣、咖啡渣和越橘渣四种高水分食品副产物，通过Taguchi方法确定最佳参数（压力100-200 bar，温度40-70°C，CO?流量50-180 g/min），实现83-90%水分去除率，同时分步提取脂类及水溶性生物活性物质（多酚、寡糖等），验证该技术高效、环保且可规模化回用。

　　本研究探讨了利用超临界二氧化碳（SCCO?）技术对四种食品副产物进行干燥和提取的可行性，以期实现资源的高效利用和环境影响的降低。食品副产物是全球范围内广泛存在的问题，每年有超过20亿吨的副产物被丢弃。这一现象不仅带来经济损失，还因食品废弃物的积累和发酵而产生难闻的气味，对城市美观造成负面影响，同时显著增加温室气体（GHG）排放。因此，减少和再利用食品废弃物与副产物的需求日益增加。通过再利用食品废弃物和副产物，可以减轻对生态系统的负担，提高食品安全性，同时为经济带来显著优势。

食品工业产生的副产物，如酿造废谷物、咖啡渣、大豆渣和蔓越莓渣，通常含有大量高价值成分，如纤维、蛋白质、脂类、木质素和生物活性化合物。其中，脂类是这些副产物中主要的成分之一，包括脂肪、油、甾醇、蜡和生物活性物质。然而，食品副产物中较高的水分含量往往导致微生物生长和变质，使其难以进一步利用或增值。过去，食品废弃物通常通过堆积和焚烧处理，这不仅增加了GHG排放，还导致了对环境的额外负担。为了改善环境状况，研究人员开发了多种转换技术，包括生物、热和热化学技术。然而，传统干燥技术通常需要较高的温度，这可能会改变副产物的风味、质地和营养价值。对于高水分含量的副产物，寻找更高效的干燥或稳定技术显得尤为重要，因为干燥过程会影响原料的功能性、营养、质量和食品安全。因此，探索替代方法，以确保生产出高价值和安全的产品，成为研究的重点。

超临界二氧化碳干燥技术是一种新兴的干燥方法，其原理是使用高于临界点的二氧化碳（临界点为304.25 K，73.9 bar）进行食品干燥。与传统方法依赖于升华或蒸发不同，SCCO?干燥通过溶解的方式去除食品中的水分，避免了表面张力可能引起的结构坍塌问题。这一过程能够将水分从食品废弃物中移除，有时甚至不需要使用共溶剂。超临界流体（SCFs）结合了液体的溶剂能力与气体的扩散性和粘度，使其成为高效的溶剂。SCCO?干燥技术已被成功用于水果和蔬菜的干燥，显著减少了干燥时间，同时保持了化学稳定性、营养可利用性、风味和高价值产品活性。其温和的特性也使得在单一系统中能够高效提取高价值成分，从而减少样品转移时间，提高整体效率。

酿造废谷物（BSG）是啤酒酿造过程中产生的主要固体副产物，占整体副产物产量的约85%。BSG含有丰富的营养成分，如蛋白质、脂类、纤维和木质素。每年约有3900万吨的BSG被生产，其水分含量通常在65-75%之间。BSG在干燥后，其蛋白质含量可达14.2-26.7%，脂类含量为3.9-13.3%，纤维含量为12.0-25.4%，半纤维素含量为21.8-40.2%，木质素含量为4.0-27.8%。大豆渣（SBP）是大豆奶或豆腐生产过程中的副产物，其水分含量通常在76-80%之间。每生产1千克大豆，会产生约1.2千克的湿SBP。全球SBP产量在2020年达到约1400万吨，主要来自亚洲国家。SBP在干燥后，其蛋白质含量增加到25.4-28.4%，油含量为9.3-10.9%，不可溶纤维为40.2-43.6%，可溶纤维为12.6-14.6%，可溶碳水化合物为3.8-5.3%。因此，SBP以其高纤维含量而著称，同时含有大量蛋白质和油脂。

咖啡渣（SCG）是咖啡产业的主要残余物，由热浸泡或蒸汽提取后得到的细碎棕色粉末组成，其水分含量通常在50-65%之间。全球每年约生产600万吨的SCG，含有超过1000种有机化合物。这些化合物包括粗纤维、脂类、蛋白质和矿物质，其中一些具有抗氧化、抗菌和抗癌活性。此外，SCG还含有生物活性化合物，如生物碱。蔓越莓渣（CBP）主要由皮肤、种子和茎中的膳食纤维组成，是蔓越莓加工过程中的高水分副产物。CBP的水分含量通常在65-70%之间。干燥后的CBP含有4.5%的水分，2.2%的蛋白质，12%的脂类，65.5%的不可溶纤维，5.7%的可溶纤维，8.4%的其他碳水化合物，以及0.6%的酚类化合物。CBP中的种子脂类和皮肤中的多酚类化合物具有较高的附加价值，因此水分去除对于提取这些高价值成分至关重要。

本研究选择BSG、SCG、SBP和CBP作为对象，因其丰富营养成分和在人类食品系统中的低利用度。BSG是膳食纤维、蛋白质和必需氨基酸的重要来源，SCG含有酚类、益生元和其他生物活性化合物，CBP富含多酚和纤维，SBP则以蛋白质和油脂著称。然而，这些副产物通常具有高水分含量（>75%），使其极易腐败，并成为全球食品浪费的重要组成部分。对这些副产物进行增值利用，不仅有助于减少浪费，还能开发具有功能性的健康成分。处理高水分副产物常常面临微生物和物理化学稳定性方面的挑战，这限制了其市场价值和应用潜力。因此，本研究优化了BSG、SBP、SCG和CBP的干燥过程，使用SCCO?干燥技术，通过控制温度、压力和CO?流速等参数来实现高效干燥。此外，该方法还能够有效收集水分，这一能力在当前方法中尚未被广泛采用。据我们所知，这是首次尝试使用SCCO?干燥高水分含量的食品副产物，特别是BSG、SBP、SCG和CBP，并同时收集这些副产物中的83-90%的水分。

在干燥过程之后，采用了一种顺序提取策略来回收有价值的化合物。首先，使用纯SCCO?提取脂类，随后注入乙醇以回收剩余的脂类和乙醇可溶的生物活性化合物。接着，依次注入70%乙醇和纯水，以提取剩余的生物活性化合物。作为概念验证，CBP被选为全面分析的对象。每个收集的CBP部分通过核磁共振（NMR）光谱和液相色谱-质谱（LC-MS）分析。结果表明，SCCO?不仅实现了高效的干燥和水溶性生物活性化合物的同步提取，还促进了分步脂类提取和生物活性成分的系统性分级。

在材料与方法部分，BSG和SCG的水分含量分别为68 ± 3%和65 ± 2%，SBP的颗粒大小为0.08 mm，水分含量约为80 ± 2%，CBP则由Ocean Spray Cranberries Inc.提供，冷冻状态下水分含量为68 ± 2%。所有样品在使用前储存在-20°C的冰箱中。液态CO?气瓶（纯度为99.99%）由SOXAL Pte. Ltd提供，使用前未经处理。去离子水（18MΩ-cm电阻率）由Millipore Nano pure系统提供，乙醇（99%）由AIK MOH提供，使用前未经处理。

超临界二氧化碳干燥实验使用了定制的超临界流体提取器，配备CO?回收系统（A134SG型号，来自SFE-Process，法国），如图1所示。一个0.6升的提取容器（E?）装有装有100克高水分生物质的篮子。预热的液态CO?（H?）通过高压液体泵（P?）引入提取容器（E?）。干燥条件根据压力范围（100-200 bar）和温度范围（50-70°C）进行调整。温度通过PID控制器结合带加热器和热电偶进行调节，以确保提取容器、分离器和预热器中的均匀加热。可编程逻辑控制器（PLC）作为中央自动化单元，管理并监控所有关键参数。提取容器（E?）的压力由自动背压调节器（ABPR?）调节，而安全功能如破裂盘和压力释放阀防止过压。CO?流速通过基于科里奥利的流量计精确控制，并与系统软件集成，用于实时监控和可编程流速设置。系统配备了实时监控和连续显示注入提取器的CO?累计质量。分离器1（S?）和分离器2（S?）分别维持80 bar和35°C，以及60 bar和45°C的压力和温度。冷阱（S?）的压力恒定为55 bar（接近CO?气瓶压力），温度范围在20-25°C之间，以确保回收的CO?中不含水分。干燥时间根据食品副产物类型从2.5到3小时不等。CO?流速范围为50-180克/分钟，导致CO?与原料（溶剂（S）与原料（F））的比率在230到320之间。每30分钟从出口阀（V?和V?）收集一次水样。在水样收集一段时间后，系统通过PID控制器降压至大气压。然后，从提取容器（E?）中取出干燥的食品副产物，并转移到另一个容器中。干燥的食品副产物被彻底混合并放置在空气中5-10分钟，以允许残留的CO?逸出。最后，样品被称重，并取约3克干燥材料进行三次水分含量测定，每次测量样品约1克。三次水分含量值的平均值被计算并记录。

顺序提取策略在CBP的处理中得到了验证。首先，使用纯SCCO?提取脂类，随后注入乙醇以回收剩余的脂类和乙醇可溶的生物活性化合物。接着，依次注入70%乙醇和纯水，以提取剩余的生物活性化合物。为了验证这一方法，CBP被选为全面分析的对象。每个收集的CBP部分通过NMR光谱和LC-MS分析。结果表明，SCCO?不仅实现了高效的干燥和水溶性生物活性化合物的同步提取，还促进了分步脂类提取和生物活性成分的系统性分级。

在实验设计部分，使用了Taguchi方法来系统地调整处理参数（压力、温度、流速和提取时间），以评估它们对水分去除的影响。SCCO?干燥提取了食品副产物中约83-90%的水分，而不会影响副产物中高价值成分的性质。优化的干燥条件分别为：BSG和SCG在100 bar和70°C下，SBP在200 bar和70°C下，CBP在100 bar和60°C下，干燥时间在2.5到3小时之间，CO?流速在90到150克/分钟之间。干燥后，采用顺序提取策略：首先使用纯SCCO?提取脂类，然后通过乙醇注射回收剩余的脂类和乙醇可溶的生物活性化合物，随后依次注入70%乙醇和水以提取剩余的生物活性化合物。CBP的每个部分都通过NMR光谱和LC-MS进行分析，结果表明SCCO?不仅实现了高效的干燥和水溶性生物活性化合物的同步提取，还促进了分步脂类提取和生物活性成分的系统性分级。

在材料与方法部分，BSG和SCG的水分含量分别为68 ± 3%和65 ± 2%，SBP的颗粒大小为0.08 mm，水分含量约为80 ± 2%，CBP则由Ocean Spray Cranberries Inc.提供，冷冻状态下水分含量为68 ± 2%。所有样品在使用前储存在-20°C的冰箱中。液态CO?气瓶（纯度为99.99%）由SOXAL Pte. Ltd提供，使用前未经处理。去离子水（18MΩ-cm电阻率）由Millipore Nano pure系统提供，乙醇（99%）由AIK MOH提供，使用前未经处理。

在实验设计中，通过Taguchi方法系统地调整了处理参数，如压力、温度、流速和提取时间，以评估它们对水分去除的影响。SCCO?干燥提取了食品副产物中约83-90%的水分，而不会影响副产物中高价值成分的性质。优化的干燥条件分别为：BSG和SCG在100 bar和70°C下，SBP在200 bar和70°C下，CBP在100 bar和60°C下，干燥时间在2.5到3小时之间，CO?流速在90到150克/分钟之间。干燥后，采用顺序提取策略：首先使用纯SCCO?提取脂类，然后通过乙醇注射回收剩余的脂类和乙醇可溶的生物活性化合物，随后依次注入70%乙醇和水以提取剩余的生物活性化合物。CBP的每个部分都通过NMR光谱和LC-MS进行分析，结果表明SCCO?不仅实现了高效的干燥和水溶性生物活性化合物的同步提取，还促进了分步脂类提取和生物活性成分的系统性分级。

在统计分析部分，使用了方差分析（ANOVA）对实验数据进行分析，以研究压力、温度和CO?流速对四种食品副产物最终水分含量的影响。P值小于0.05被认为具有统计学意义（见支持信息表S1）。Minitab?统计软件和Microsoft Excel用于分析。同时，信号噪声比（S/N）基于最终水分含量数据计算，以评估输出性能的稳定性以及噪声参数对性能的影响。通过比较三个影响因素的S/N变化范围，确定了影响最大的因素。在所有生物活性提取实验中，CO?流速保持在15克/分钟。相对较低的CO?流速增加了超临界流体与基质的接触时间。研究还发现，温度是影响最终水分含量的最关键因素，因为它与水在SCCO?中的溶解度直接相关。压力在较低温度和较长干燥时间下对干燥效率有重要作用。尽管水在SCCO?中的溶解度相对较低（约0.019摩尔分数），但由于溶解、机械位移和扩散驱动机制的综合作用，仍能有效去除高水分食品残渣中的水分。初始阶段，SCCO?通过机械作用从基质表面和大孔隙中位移并溶解自由水，超过溶解度极限。随着干燥的进行，位于更细小毛细管中的间质水被缓慢去除，其去除速率由材料的内部结构和孔隙连通性决定。尽管Okara和SCG具有密集的结构，导致干燥速率较慢，但SCCO?的低粘度和液体密度使其在连续操作中显著降低了床层的压力降，从而减少了驱动流体通过床层所需的能量。提高SCCO?流速可以增强干燥过程的效果。在干燥实验中，重力在这一过程中起着重要作用，它有助于水在提取器中自然向下移动，防止水在床层上部积累。这种垂直排列提高了SCCO?与生物质的相互作用，从而增强了干燥过程的整体效率。SCCO?能够高效穿透垂直排列的床层，是其干燥和提取过程的一个优势，这使得该操作的占地面积较小。因此，SCCO?是一种常用的溶剂，它从样品中提取水分，并在解压过程中将其分离。

在总脂肪酸分析部分，CBP的主要脂类成分已被报道为三酰甘油（TAG），特别是LLLn（18:2/18:2/18:3）、LLnLn（18:2/18:3/18:3）和OL（18:1/18:2/18:2），表明多不饱和脂肪酸的丰富性。TAG的特征在于其三个脂肪酸连接到甘油骨架上。在提取前进行的水解步骤打破了TAG的酯键，释放了所有结合的脂肪酸。因此，本实验通过测量CBP a-c残留生物质中的总脂肪酸含量，评估了CO?干燥和CO?辅助脂类提取的效率（见表3）。CO?干燥使CBP a的总脂肪酸含量达到8.19 ± 0.79%，这与之前报道的8.71 ± 0.01%相近。第一步使用纯CO?（步骤b）去除了56.5%的脂肪酸；随后，使用CO?和乙醇（步骤c）从剩余脂肪酸中提取了46.9%。乙醇作为共溶剂已被报道能提高极性脂类如磷脂（如L-α-磷脂酰乙醇胺（PE）和L-α-磷脂酰胆碱（PC））的提取效率。结合这两步，总脂肪酸回收率达到76.9%，这比之前报道的更高。

在CBP的代谢物表征部分，为了全面了解每种提取物的代谢物概况，进行了1H NMR和LC-MS分析。1H NMR光谱显示，从湿CBP中收集的水（CBP a）含有单取代芳香环和双取代（对位）芳香环的信号，表明存在两种主要的酚类化合物（见支持信息图S5）。此外，还观察到了与寡糖相关的信号（3.5和5.5 ppm）以及其他未识别的次要化合物。LC-MS分析确认了CBP a中存在葡萄糖寡糖，其聚合度（DP）高达9，同时两种主要的酚类化合物被鉴定为苯甲酸（m/z 121.0290 [M–H]?）和儿茶酚（m/z 109.0290 [M–H]?）。另一方面，CBP b的1H NMR光谱（见支持信息图S6）显示了脂类的特征信号，如脂肪酸链在1.0-3.0 ppm处的信号和甘油质子在4.1-4.3 ppm处的信号。此外，1H NMR光谱还表明存在不同饱和度的脂肪酸，包括饱和脂肪酸和单不饱和、多不饱和脂肪酸（烯丙质子在5.30 ppm处）。1H NMR光谱还显示出三萜类化合物的特征多重信号，如0.7-1.0 ppm处的信号。值得注意的是，三萜类化合物如ursolic acid和oleanic acid已从蔓越莓渣中报道过。CBP c的1H NMR光谱（见支持信息图S7）显示出与CBP b相似的模式，表明脂类和三萜类化合物为主要成分，同时含有微量的酚类化合物信号（6.5-7.5 ppm）。CBP d和CBP e（见支持信息图S8和S9）含有复杂的化合物混合物，其1H NMR光谱显示出复杂的重叠和广泛信号。

由于天然化合物的复杂化学结构，使用1H NMR光谱进行识别具有挑战性，尤其是由于信号重叠。因此，CBP a、CBP c、CBP d和CBP e进一步通过LC-MS分析（见图3和S10）。此外，蔓越莓渣以含有多种天然多酚化合物而闻名，如黄酮醇、花青素和原花青素。因此，对这些提取物的酚类成分进行了比较，基于LC-MS/MS数据分析。从湿CBP中收集的水含有大量简单酚类化合物，如儿茶酚、苯甲酸、3-苯基乳酸和香草酸。顺序使用SCCO?在高压和高温下，配合不同的共溶剂，实现了酚酸、黄酮类和多酚类的有选择性提取。例如，CBP d使用SCCO?修饰的70%乙醇/水混合物提取，获得了更高的p-香豆酸、异黄酮（如大豆苷和染料木素）、黄酮醇（如异鼠李素和松果黄酮）和三萜类化合物（如甘草酸及其羟基肉桂酸衍生物）含量。最后，通过SCCO?与水的组合提取，CBP e中还提取了多酚类化合物，如表儿茶素和槲皮素。此外，还检测到了一系列花青素（如氰苷、peonidin和petunidin）及其糖苷形式（如葡萄糖苷、半乳糖苷和阿拉伯糖苷），以及一系列原花青素及其三聚体。

在CBP a、CBP c、CBP d和CBP e中总共鉴定了48种酚类化合物，其相对丰度（峰面积）在热图中展示（见图3和S10）。丰度最高的部分用绿色表示，中等丰度的用黄色表示，最低的用红色表示。这一研究展示了SCCO?技术在食品副产物处理中的潜力，通过优化干燥条件，实现了高效水分去除和高价值成分的同步提取。SCCO?干燥不仅能够有效干燥CBP，还能实现水溶性生物活性化合物的同步提取、分步脂类回收和生物活性成分的系统性分级。这种集成的、一步式SCCO?方法代表了一种可持续和高效的战略，用于全面增值利用高水分食品副产物。鉴于其多功能性，该方法在各种农食残渣中的应用潜力巨大，突显了SCCO?一步式提取平台的普遍适用性。