脉冲电场预处理结合低共熔溶剂-超声辅助提取番茄皮生物活性成分的优化策略研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：The use of deep eutectic solvents and pulsed electric field as a pre-treatment for ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from tomato peel

本研究针对传统有机溶剂提取番茄皮生物活性成分效率低、环境不友好等问题，开发了脉冲电场(PEF)预处理结合低共熔溶剂(DES)的超声辅助提取新工艺。研究发现6分钟处理时间配合2μs脉冲宽度可获得最高番茄红素浓度(282.55 mg/mL)和抗氧化活性(50.24%)，证实了PEF-DES-UAE联用技术在提高提取效率和保持化合物稳定性方面的协同增效作用，为农产品加工废弃物的高值化利用提供了绿色解决方案。

　　

在全球农产品加工领域，番茄加工过程中产生的果皮废弃物一直是被忽视的宝贵资源。这些废弃物富含番茄红素、β-胡萝卜素和多酚类等生物活性化合物，但由于传统提取方法存在效率低、有机溶剂用量大、易导致热敏性成分降解等问题，使得这些高价值成分的回收利用面临严峻挑战。随着绿色化学理念的深入和可持续发展要求的提高，开发新型高效、环保的提取技术迫在眉睫。

在此背景下，来自克罗地亚鲁德尔·博什科维奇研究所的研究团队在《Innovative Food Science》上发表了一项创新性研究，他们首次将脉冲电场(PEF)预处理技术与低共熔溶剂(DES)结合，应用于番茄皮生物活性成分的超声辅助提取(UAE)过程中。这项研究不仅为解决农产品加工废弃物的高值化利用提供了新思路，也为绿色提取技术的发展开辟了新途径。

研究人员采用了一套综合性的实验方案，主要关键技术包括：脉冲电场预处理系统（采用HVG60/1 PEF反应器）、深共熔溶剂制备（薄荷醇:樟脑1:1摩尔比）、超声辅助提取（35kHz频率）以及多种分析检测方法。实验材料采用来自克罗地亚有机农场的李形番茄品种的果皮，经过热破和冷破法分离后制成粉末样品。

在样品分析方面，研究团队运用高效液相色谱(HPLC)测定番茄红素和β-胡萝卜素含量，采用Folin-Ciocalteu法测定总多酚含量，通过电子顺磁共振(EPR)-DPPH·法评估抗氧化活性，并使用CIELab系统进行色泽参数分析。所有实验均设置三重平行，并采用单因素方差分析(ANOVA)进行统计学处理。

3.1. 总类胡萝卜素含量

通过系统研究不同PEF处理参数对类胡萝卜素提取效率的影响，发现处理时间和脉冲宽度的协同作用至关重要。在6分钟处理时间配合2μs脉冲宽度的条件下（样品3），获得了最高的番茄红素浓度（282.55±11.67 mg/mL），而β-胡萝卜素的最大含量（50.65±0.92 mg/mL）则在6分钟处理时间和2μs脉冲宽度条件下获得。值得注意的是，过长的处理时间（12分钟）反而导致类胡萝卜素含量下降，这表明过度的PEF处理可能引起化合物的异构化和降解。

3.2. 总多酚含量

研究结果显示，PEF预处理显著提高了多酚类物质的提取效率。最佳提取条件出现在6分钟处理时间配合2μs脉冲宽度以及9分钟处理时间配合0.5μs脉冲宽度两种方案下，多酚含量分别达到0.995 mg/mL和1.025 mg/mL。这一发现证实了PEF技术通过电穿孔效应增强细胞膜通透性，从而促进多酚类物质溶出的有效性。

3.3. 抗氧化活性

抗氧化活性评估显示，生物活性化合物浓度与抗氧化能力之间存在显著正相关关系。样品3（50.24%）和样品4（50.27%）表现出最强的抗氧化活性，这与它们较高的番茄红素和多酚含量相一致。研究还发现，EPR-DPPH·法能够有效避免色素干扰，为有色提取物的抗氧化能力评估提供了可靠方法。

3.4. 色泽测定

CIELab色彩分析表明，PEF处理参数显著影响提取物的色泽特征。番茄红素浓度与a值（红/绿坐标）呈正相关，而β-胡萝卜素含量则与L值（明度）密切相关。样品3显示出最鲜艳的红色调，这与其高番茄红素含量相符，证实了色泽参数可作为提取物质量的直观指标。

3.5. 皮尔逊相关性分析与讨论

深入的统计学分析揭示了各参数间的复杂关系。处理时间与多酚含量(r=0.7650)和抗氧化活性(r=0.7555)呈显著正相关，而与L值呈负相关(r=-0.8470)。特别值得注意的是，β-胡萝卜素与L值之间存在极强的正相关性(r=0.9608)，这为快速评估提取物质量提供了重要依据。

研究还发现，薄荷醇:樟脑DES体系由于其疏水特性，特别适合类胡萝卜素的提取，但较高的粘度可能限制提取效率。PEF预处理通过电穿孔作用克服了这一限制，但过高的比能量输入可能导致化合物降解，因此需要精确优化处理参数。

综合研究结果可以得出以下重要结论：PEF预处理与DES-UAE的联合使用显著提高了番茄皮生物活性化合物的提取效率，最佳工艺参数为6分钟处理时间配合2μs脉冲宽度。该技术不仅提高了目标化合物的得率，还保持了其生物活性，为农产品加工废弃物的增值利用提供了绿色、高效的技术方案。

这项研究的创新之处在于首次将PEF、DES和UAE三种技术有机结合，形成了协同增效的提取体系。相比传统方法，该技术具有能耗低、溶剂绿色、操作温度温和等优势，特别适合热敏性生物活性成分的提取。然而，研究人员也指出，作为首次报道的这种多级提取方法，仍需进一步研究以优化工艺参数，评估其工业化应用的可行性。

该研究成果不仅为番茄加工副产物的高值化利用提供了新技术，也为其他农产品废弃物的资源化处理提供了重要参考。随着绿色可持续理念的深入，这种环境友好型提取技术有望在食品、医药和化妆品等领域发挥重要作用，推动农产品加工行业向更加可持续的方向发展。