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为解决农业废弃物处理及生物刺激素生产效率问题，研究人员开展了以向日葵副产物为原料，优化双螺杆挤出（TSE）制备生物刺激素的研究。结果得到优化提取条件，提高了提取效率。该研究有助于提升向日葵生产效益，优化生物刺激素提取流程。
在当今农业领域，随着人类对食物、动物饲料以及工业作物需求的不断攀升，农业生产规模日益扩大，这带来了一个棘手的问题 —— 农业废弃物大量增加。这些废弃物不仅对自然环境造成了严重的负面影响，还未得到充分有效的利用。与此同时，生物刺激素作为一种能提升植物生长性能和抗逆性的天然生物活性物质，在农业生产中的需求逐渐增长。从非食用植物组织中提取生物刺激素，既符合循环生物经济的理念，又能降低生产成本。然而，以往利用双螺杆挤出（TSE）技术从向日葵副产物中提取生物刺激素的过程存在一些不足，部分参数有待优化，以提高提取效率、降低成本并最大化生物刺激素的活性。为了解决这些问题，来自根特大学（Ghent University）、图卢兹大学（Université de Toulouse）等机构的研究人员开展了相关研究。他们通过一系列实验，对 TSE 的操作条件进行优化，成功确定了从向日葵树皮和花头中提取生物刺激素的关键步骤。该研究成果发表在《Heliyon》杂志上，为向日葵副产物的高值化利用以及生物刺激素的高效生产提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动农业可持续发展。
研究人员在实验过程中用到了多个关键技术方法。首先是原料收集技术，利用改装的联合收割机收集向日葵的花头和茎秆，并将其分离为种子和剩余生物质，之后进一步筛选得到单独的茎秆和花头作为原料。其次是 TSE 技术，使用工业级双螺杆挤出机，通过改变进料速度、螺杆转速、温度、物料粒径等参数进行生物刺激素的提取。另外，采用化学分析技术对提取物的化学组成和抗氧化活性进行测定，运用植物生物测定技术评估生物刺激素的活性。
研究结果主要包含以下几个方面：
- 快速植物生物测定的稳健性：通过对 SBE18 进行多次独立测试，发现该植物生物测定方法能够有效筛选出具有类似生物活性的样本，这为后续筛选不同组织来源和 TSE 处理条件下的向日葵提取物的生物刺激素活性奠定了基础。
- 原料选择和向日葵生物质的一致性：研究人员测试了七种不同的原料，发现油酸向日葵的花头加茎秆作为原料时，提取产率最高。同时，虽然树皮提取物生物活性较高，但考虑到分离树皮的成本，最终选择 HSO+20（花头加茎秆）作为成本效益最佳的原料。
- 双螺杆挤出优化和一致性：对 HSO+20 原料进行 TSE 操作条件优化，研究发现螺杆配置、螺杆转速、液固比、注射溶液 pH 等因素对 TSE 性能和生物刺激素活性有显著影响。例如，增加反向螺杆元件的长度、采用两个注水点、提高液固比、使用碱性溶剂（pH 10 - 12）、降低螺杆转速等条件，有利于提高生物刺激素活性和提取产率。综合考虑，确定了 O14 提取物的生产条件为优化操作条件，该条件下提取产率高（13.6%），且生物刺激素活性良好。此外，通过重复实验验证了该优化条件的稳健性和可重复性。
- 向日葵生物炼制的技术评估：进行了物料流分析，结果显示从向日葵副产物生产生物刺激素的过程中，浓缩和冷冻干燥步骤能耗较高。同时，探讨了提取物的不同配方形式，发现直接使用离心后的澄清滤液作为生物刺激素液体提取物在工业生物炼制中更具成本效益，而冷冻干燥产品则能延长活性成分的保质期。
- 向日葵提取物、已知抗氧化剂和商业产品的生物刺激素活性比较：研究发现向日葵提取物 O14、O14b 和 HSO+21 (O15) 与 SBE18 的生物活性相似。在已知抗氧化剂中，100 μM 槲皮素对植物的盐胁迫保护效果优于 200 μM 谷胱甘肽（GSH），100 mM 抗坏血酸（AsA）则无明显保护作用。商业生物刺激素 4-Terra 在 0.1% 浓度下与 SBE18 生物活性相当。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功优化了 TSE 技术从向日葵副产物中提取生物刺激素的工艺，生产成本合理（0.26 kWh/kg 含 2.9% 干物质的澄清滤液）。优化后的操作条件为：原料粒径 6 mm，在两个点注入 pH 10 的碱性溶液，液固比为 5.5 ，反向螺杆长度为 3D，螺杆转速 200 rpm。该研究首次评估了从向日葵副产物中提取生物活性分子的 TSE 技术的效率和能源成本，为新型生物刺激素的开发清除了障碍，对推动农业可持续发展具有重要意义。同时，研究也指出未来需要进一步优化 TSE 条件，如考虑加工温度和进料速率等因素，开展全因子实验设计，以充分挖掘工艺优化的潜力，提高工业生产能力和利润成本比。此外，还需对生物刺激素的作用机制进行更深入的剂量 - 反应 - 时间研究，并将研究成果拓展到其他作物物种和不同生长阶段，以更好地发挥生物刺激素在农业生产中的作用。
