利用一步双相NADES法从番茄皮中提取酚类化合物和类胡萝卜素，并进行生命周期评估

《Separation and Purification Technology》：One-step biphasic NADES extraction of phenolics and carotenoids from tomato peels with integrated life cycle assessment

番茄皮中酚类和类胡萝卜素通过双相NADES系统（ChUr:MenThy 1:1）实现同步提取与分相，提取率分别达198 μg/gDW和601 μg/gDW，其中26%黄酮类物质进入类胡萝卜素相。双相系统较单相节能28%，CO?排放更低。氢键作用和溶剂极性差异是分相机制核心，为农业废弃物高值化利用提供新策略。

　　本研究探讨了一种由天然深共沸溶剂（NADES）组成的双相提取系统，用于从番茄果皮中同时提取和分离酚类化合物与类胡萝卜素。这种双相系统由胆碱氯化物：尿素（ChUr）作为亲水相和薄荷醇：百里香酚（MenThy）作为疏水相组成，旨在提高提取效率并实现对不同生物活性成分的定向分离。研究还对比了传统单相提取与双相提取在提取效率、成分选择性以及能耗方面的表现，强调了双相NADES系统在从农业工业副产品中实现一步式、节能型提取与分离方面的潜力。

番茄是全球广泛种植的作物之一，2023年欧洲联盟（EU）的番茄产量约为1040万吨，其中意大利和西班牙是主要生产国。工业番茄加工过程中会产生大量副产品，即番茄渣，其中包括果皮、果肉和果核等残留物。据估计，大约15%的用于工业用途的番茄最终成为废弃物，每年在欧洲地区约有300万吨的番茄渣未被充分利用。过去，这些番茄渣多被直接填埋或部分用于堆肥和动物饲料，但如今被视作一种宝贵的原料，可用于提取生物活性成分，从而成为生物精炼技术的重要模型。特别是番茄果皮，被认为是酚类化合物和类胡萝卜素的丰富来源，这些化合物具有强大的抗氧化和抗氧能力，对人体健康有益。

酚类化合物在番茄果皮中的含量差异较大，范围从12.8到3644毫克/100克干物质（DM），具体含量取决于番茄品种、成熟阶段以及提取工艺。在商业番茄品种中，主要的酚类化合物包括黄酮类物质如柚皮素、槲皮素、山奈酚和 rutin，以及羟基肉桂酸类物质如绿原酸、咖啡酸、对-香豆酸和阿魏酸。值得注意的是，Stewart 等人研究发现，番茄中的黄酮醇类物质如槲皮素和山奈酚，98%集中于果皮中。至于类胡萝卜素，番茄果皮是其丰富的来源，包括番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素。根据番茄品种、成熟阶段、收获条件以及提取方法的不同，番茄红素的含量范围在2.62至629毫克/100克干物质之间，而其他类胡萝卜素的含量则一般在0.23至2.83毫克/100克干物质之间。

为了从植物材料中提取酚类化合物和类胡萝卜素，人们已经应用了多种提取技术，包括传统的溶剂提取和非传统的提取方法，如微波辅助、超声波辅助以及高压提取。对于酚类化合物的提取，通常使用甲醇和水作为溶剂，而对于类胡萝卜素的提取，则多采用乙醇、丙酮、乙酸乙酯或混合极性溶剂（如正己烷-乙醇-丙酮或乙酸乙酯-丙酮）。近年来，天然深共沸溶剂（NADES）因其可生物降解、低毒性和可调节的性能，成为一种可持续的替代方案。NADES通常由至少一种氢键受体（HBA）和一种氢键供体（HBD）组成，这些成分通常来自天然代谢物，如糖类、氨基酸、有机酸或胆碱衍生物，能够在常温或接近常温下形成液体。通过调整NADES的组成，可以优化提取选择性，以满足特定的提取需求。例如，疏水性NADES如脂肪酸衍生物已被证明在类胡萝卜素提取方面特别有效。在一些研究中，使用了不同比例的癸酸：薄荷醇、癸酸：百里香酚、月桂酸：薄荷醇以及癸酸：月桂酸，其中后者在1:2摩尔比下实现了最高的类胡萝卜素提取量，为16毫克/100克干物质，其中番茄红素含量为15毫克/100克干物质。此外，在使用超声波辅助提取的情况下，从番茄渣中使用薄荷醇：乳酸（8:1）提取番茄红素的含量为1446微克/克干物质，而在相同条件下，从番茄果皮中使用薄荷醇：百里香酚（1:1）提取番茄红素的含量为359毫克/克干物质。对于番茄果皮中的酚类化合物，基于胆碱氯化物的NADES表现出良好的提取效率。Vorobyova 等人比较了两种NADES：胆碱氯化物：丙三醇（1:2）和胆碱氯化物：乳酸（1:2），并加入10%水。结果显示，使用乳酸可以提高黄酮类物质（如槲皮素）的总含量，达到17毫克/克干物质，并且总酚类物质含量（如没食子酸）也达到51.75毫克/克干物质，与传统的70%乙醇提取相当。Vasyliev 等人也使用类似的NADES，从番茄果皮中提取了52.3微克/克的绿原酸、14微克/克的没食子酸以及1.47微克/克的槲皮素。

尽管在番茄渣中单独提取酚类化合物和类胡萝卜素方面取得了显著进展，但一步式共提取并实现原位分离的方法仍较少被研究，尤其是在NADES系统中。目前仅有三项研究评估了双相深共沸溶剂（DES）在极性驱动分离植物代谢物方面的潜力。Tang 等人使用了一种亲水性DES（六氟异丙醇：胆碱氯化物）与一种疏水性DES（薄荷醇：三辛基甲基铵）的组合，用于分离极性物质（如绿原酸、花青素）与非极性物质（如青蒿素）。Cao 等人开发了一种三相双相系统，包括两种亲水性DES（胆碱氯化物：乙酰乙酸，1:2；胆碱氯化物：丙二酸，1:2）以及一种疏水性DES（三辛基甲基铵氯化物：薄荷醇：辛酸，1:2:3；35:5:40，体积比），用于从银杏叶中分离黄酮类物质、萜烯三酯、原花青素和多聚烯丙酯。Vieira 等人使用乳酸：葡萄糖（5:1）和薄荷醇：月桂酸（2:1）的组合，从迷迭香叶中选择性地分离肉桂酸和肉桂醇。在这三项研究中，只有Vieira 等人使用了NADES系统。在所有研究中，选择性被归因于极性差异，而没有对具体的NADES-溶质相互作用进行分析。此外，没有研究探讨在顺序提取过程中的交叉效应，也没有涉及酚类化合物与类胡萝卜素之间的相互作用。

本研究首次探索了一种由胆碱氯化物：尿素（ChUr）作为亲水相和薄荷醇：百里香酚（MenThy）作为疏水相组成的双相NADES系统，用于从番茄果皮中同时提取和分离酚类化合物与类胡萝卜素。作为参考，分别使用每种溶剂进行的顺序提取也被执行。随后，比较了在两种相比例（1:1和3:1，ChUr:MenThy）下进行的双相提取过程，评估了提取效率、成分选择性和能耗表现。为了进行比较，采用了简化生命周期评估（LCA）方法，重点分析了将溶剂系统从20°C加热至60°C所需的热能，每单位提取目标化合物的热能进行归一化处理。随后，基于热能输入估算CO?当量影响（kgCO?eq/μg提取物）。这种评估代表了一种小型实验室层面的比较，排除了加热过程中其他能量来源的影响。

本研究采用的双相NADES系统在提取效率和选择性方面表现出优异的性能。在顺序提取过程中，ChUr能够回收198微克/克干物质（gDW）的酚类化合物，主要包括4-羟基苯甲酸和4-羟基苯甲醛。而MenThy则能够提取601微克/克干物质的类胡萝卜素（番茄红素和β-胡萝卜素），并部分提取黄酮类化合物，如槲皮素（94微克/克干物质）和柚皮素（50微克/克干物质）。当采用双相系统（1:1体积比）时，酚类化合物的提取量提高了40%，并且部分黄酮类化合物实现了相分离，其中26%的槲皮素和9%的柚皮素保留在MenThy相中。当将ChUr的体积增加到3:1的比例时，提取选择性进一步提高，89%的酚类化合物保留在亲水相（ChUr）中。此外，研究还发现，双相系统（1:1）在能耗方面比顺序提取过程更高效，其能源效率提高了28%，并且表现出更低的CO?当量影响。这些结果表明，双相NADES系统在从农业工业副产品中实现一步式、节能型提取与分离生物活性成分方面具有巨大潜力。进一步优化溶剂的极性和组成，可能有助于提高该提取过程的选择性。

在实验过程中，研究者使用了来自意大利的TomaPaint公司提供的干燥番茄果皮。通过对番茄果皮进行元素分析，研究人员发现果皮中含有178.183 ± 75.462微克/克干物质的铁（Fe）。随后，使用了两种不同的研磨设备对果皮进行处理：首先使用了刀式研磨机SM300（筛网孔径为2毫米，旋转速度为3000转/分钟），再使用了平板式研磨机UPZ100（筛网孔径为0.3毫米，流量为1.5公斤/小时，旋转速度为18000转/分钟），最终获得了98.96%的研磨率。粒度分析结果显示了果皮的粒径分布情况。

在提取和鉴定酚类化合物与类胡萝卜素的过程中，研究者采用了两种不同的方法。在顺序提取过程中，使用了ChUr和MenThy分别进行提取。而在双相提取过程中，使用了两种相比例（1:1和3:1）的ChUr:MenThy系统。通过比较两种方法的提取效率，研究者发现双相系统在提取酚类化合物和类胡萝卜素方面具有更好的效果。此外，研究者还对提取过程中各成分的选择性进行了分析，发现ChUr能够优先提取酚类化合物，而MenThy则能够优先提取类胡萝卜素。这种选择性被认为与具体的氢键相互作用有关，而不仅仅是极性差异。此外，研究者还对双相系统在提取过程中的能耗进行了评估，发现其比传统单相提取更高效，能够减少能源消耗，降低环境影响。

本研究的成果为从农业工业副产品中提取生物活性成分提供了一种新的思路。通过优化NADES的组成和比例，可以实现对不同极性成分的定向提取，提高提取效率和选择性。此外，研究还发现，双相系统在提取过程中能够减少对单一成分的干扰，从而提高提取物的纯度。这种双相提取系统不仅可以用于番茄果皮，还可能适用于其他植物材料的提取，为生物精炼技术的发展提供了新的可能性。

在实验过程中，研究者还对提取物的结构进行了分析，发现不同提取方法对生物活性分子的结构有一定影响。例如，顺序提取和双相提取可能会导致某些成分的降解或转化，从而影响其生物活性。因此，研究者强调了在提取过程中对成分结构的保护的重要性。此外，研究者还对不同提取方法的环境影响进行了评估，发现双相NADES系统在减少能源消耗和降低碳排放方面具有显著优势，这为该技术的可持续性提供了有力支持。

综上所述，本研究通过开发一种双相NADES系统，实现了从番茄果皮中同时提取和分离酚类化合物与类胡萝卜素的目标。这种系统在提取效率、选择性和能耗方面均优于传统的单相提取方法，为农业工业副产品的高值化利用提供了一种新的解决方案。研究结果表明，通过优化溶剂的极性和组成，可以进一步提高该系统的提取选择性，使其在实际应用中更具优势。未来的研究可以进一步探索该系统在其他植物材料中的应用潜力，以及如何通过调整溶剂比例和组成来实现更高效的提取与分离。此外，还可以对提取过程中成分的结构变化进行更深入的研究，以确保提取物的生物活性不受影响。通过这些研究，可以推动NADES技术在生物精炼领域的应用，为可持续资源利用和环境保护做出贡献。