综述：关于从农业食品废弃物中提取、分离和鉴定生物活性化合物的综述，以及这些化合物在工业应用中的潜力

《Frontiers in Chemistry》：A review on extraction, isolation, characterization of bioactive compounds obtained from agri-food waste and their potential for industrial application

农业食品废弃物（AFW）中生物活性化合物的提取、纯化、表征技术及其工业应用研究。AFW富含多酚、黄酮等活性成分，传统溶剂提取法存在环境污染问题，新兴技术如超声波辅助提取（UAE）、超临界流体萃取（SFE）和固相微萃取（SPME）效率更高且更环保。纯化多采用固液/液液相萃取、色谱法（HPLC、CCC）及结晶技术，结合FTIR、NMR、UV-Vis和质谱（GC-MS）实现结构表征。应用领域涵盖制药（抗氧化、抗癌）、化妆品（天然色素、抗炎）和食品添加剂（提高营养价值）。当前挑战包括溶剂毒性、工艺成本及标准化不足，未来需优化预处理、开发绿色溶剂及智能调控技术，推动AFW资源化与闭环系统构建。

　　随着全球人口的迅速增长，对食品的需求也在不断上升。据预测，到2050年，全球人口将达到97亿，预计食品需求将增加50%。为了满足这种增长，世界各地广泛开展了农业生产活动，而这直接导致了大量农业食品废弃物（AFW）的产生。每年，全球产生的AFW量估计在13亿至16亿吨之间，这些废弃物通常由农业生产和食品加工过程中产生的残渣和副产品构成。如果这些废弃物得不到妥善处理，不仅会造成严重的处置难题，还可能引发环境污染，如空气、土壤和水体污染以及温室气体排放。研究指出，AFW不当处置占全球温室气体排放的19%至29%。

然而，农业废弃物不仅仅是环境问题的来源，它们也被认为是生物活性化合物的重要来源，这些化合物在多个工业领域具有广泛的应用潜力。例如，在制药、化妆品和营养补充剂行业中，从AFW中提取的植物化学物质，如酚类化合物、抗氧化剂和营养成分，因其对人体健康有益的特性而受到重视。这些化合物具有抗菌、抗炎等作用，能够帮助缓解慢性疾病，如心血管疾病、癌症和糖尿病的发生。此外，从AFW中提取有益化合物不仅有助于解决环境问题，还能为制造行业提供重要的资源。

为了从AFW中高效提取和纯化这些生物活性化合物，研究人员开发了多种技术，包括传统的提取方法和新兴的提取技术。传统方法如浸泡、索氏提取和水蒸气蒸馏，虽然在实际应用中较为常见，但它们通常需要大量有机溶剂和高温处理，这可能会破坏对热敏感的化合物，并且对环境造成污染。相比之下，新兴的提取技术，如微波辅助提取（MAE）、超声波辅助提取（UAE）、酶辅助提取（EAE）、超临界流体提取（SFE）和固态发酵（SSF），在提高提取效率和减少环境影响方面展现出显著优势。例如，SFE利用超临界二氧化碳作为溶剂，具有低粘度和高扩散率的特性，能够有效提取复杂的植物成分，同时避免使用有毒溶剂。

在提取之后，生物活性化合物的分离和纯化同样面临挑战。常用的纯化技术包括固液相提取、液液相提取、凝胶过滤色谱、结晶和蒸馏。这些方法的选择取决于目标化合物的纯度、产量和生物活性保留。例如，固液相提取通过使用极性和非极性溶剂来破坏植物基质，从而释放出生物活性化合物。而液液相提取则利用吸附方法在固态固定相中进行分离，可以有效去除不需要的植物色素和叶绿素，从而获得高纯度的生物活性化合物。凝胶过滤色谱基于分子大小的差异，适用于蛋白质和多肽等复杂成分的纯化。结晶和蒸馏方法则通过物理性质的差异来实现分离，例如蒸馏适用于挥发性化合物的提取。

在生物活性化合物的结构表征方面，研究者通常采用多种分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、核磁共振光谱（NMR）和质谱（MS）。这些技术能够提供关于化合物分子结构、功能基团和化学相互作用的详细信息。例如，FTIR通过检测分子振动来确定功能基团的存在，而UV-Vis光谱则利用电子跃迁来分析分子结构和浓度。NMR则通过核磁共振现象提供关于分子结构和动态特性的精确信息，而质谱通过测量离子的质量-电荷比来确定分子的分子量和结构特征。这些分析技术的结合，使得生物活性化合物的结构表征更加全面和准确。

尽管这些技术在提取、分离和表征生物活性化合物方面取得了显著进展，但仍然存在一些挑战。例如，传统的提取方法依赖于有毒的有机溶剂和高能耗，这不仅对环境造成负担，还可能影响生物活性化合物的稳定性。而新兴方法虽然在效率和环保方面表现优异，但其成本较高，且需要进一步的工业验证。此外，生物活性化合物的稳定性也是一个重要问题，因为它们容易受到光、pH和温度的影响而发生降解。因此，未来的研究应重点关注优化提取和纯化技术，以降低能耗，减少有害溶剂的使用，并提高目标化合物的回收率。

为了提高生物活性化合物的提取效率和应用潜力，研究人员建议采用预处理方法，如物理、化学和生物方法，来促进目标化合物的释放。例如，物理方法如研磨和加热可以增加基质的可接触性，而化学方法如碱处理则有助于分解复杂的聚合物链。生物方法如固态发酵利用微生物（如细菌、酵母和真菌）来分解难以降解的材料，从而产生有价值的生物活性化合物。此外，新兴的生物技术，如利用植物衍生的细胞外囊泡（PDEVs），也被认为是未来研究的重要方向。PDEVs具有潜在的治疗和营养补充作用，其在AFW中的规模化提取和纯化仍需进一步探索。

未来的研究还应关注构建闭环系统，以实现农业废弃物的再利用和循环利用。这种系统不仅可以减少废弃物的排放，还能促进可持续发展。通过将AFW转化为新产品，如化妆品、食品添加剂和药物，可以为工业领域提供新的资源和机会。此外，随着技术的进步，机器学习和化学计量学等工具的应用可以进一步提高生物活性化合物的提取和纯化效率，并增强数据处理和分析的能力。这些技术的发展将有助于克服当前研究中的局限性，推动生物活性化合物在多个工业领域的广泛应用。