超临界CO2 提取湿酵母生物质中β-胡萝卜素和脂质的绿色工艺研究及其应用潜力

为解决传统有机溶剂提取工艺的环境污染和能耗问题，研究人员采用超临界CO2 （SCE）技术从含高水分（80.3 wt%）的产油酵母Rhodosporidium toruloides湿生物质中同步提取β-胡萝卜素和脂质。研究发现，无需预干燥步骤即可获得与干燥生物质相当的提取率（0.13 gextract /gDCW ），乙醇（1% wEtOH /wCO2 ）和葵花籽油（10 wt%）作为共溶剂分别提升β-胡萝卜素产量70%和63%。该研究为功能性食品和制药行业提供了高效环保的提取方案。

　　

在追求可持续发展的今天，传统化工生产中使用的有毒有机溶剂（如正己烷）不仅危害环境，其残留还可能威胁人类健康。与此同时，产油微生物因其能高效合成脂类和高价值疏水性生物活性物质（如β-胡萝卜素）而备受关注。然而，现有提取技术面临两大难题：一是依赖高能耗的预干燥步骤，二是难以兼顾环保与效率。针对这一矛盾，来自德国慕尼黑工业大学的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表了一项突破性研究，证明超临界CO₂
（SCE）可直接从含水量高达80.3 wt%的Rhodosporidium toruloides湿生物质中高效提取目标成分，为绿色生物制造提供了新思路。

研究团队采用高压均质破碎细胞后，系统考察了水分含量（3-80.3 wt%）、温度（40-70°C）、压力（200-400 bar）和共溶剂（乙醇、葵花籽油）对提取动力学的影响。通过HPLC分析β-胡萝卜素含量，GC-MS测定脂肪酸甲酯（FAME）组成，并结合ABTS自由基清除实验评估抗氧化活性。

水分含量对SCE动力学的影响
研究发现，尽管高水分生物质在初始阶段存在提取延迟，但195分钟后总提取率（0.13 g_extract
/g_DCW
）与干燥样品无显著差异。这表明水既未阻碍最终提取效率，也未发挥共溶剂作用，颠覆了传统认为需将水分控制在3-12 wt%的观点。

温度与压力的优化
50°C和250 bar被确定为最佳条件，此时β-胡萝卜素产量达28.4 μg/g_DCW
。温度超过50°C会导致β-胡萝卜素热降解，而压力超过250 bar则未显著提升提取率。

共溶剂的协同效应
添加1%乙醇使总提取率和β-胡萝卜素产量分别提升49%和70%，但过量乙醇（2%）会因相分离降低效率。更值得注意的是，酵母细胞内脂质被发现具有天然共溶剂功能——添加10 wt%葵花籽油可使β-胡萝卜素回收率提升63%，但会稀释终产物浓度（从0.24 mg_β-carotene
/g_extract
降至0.11 mg/g）。

脂质组成与抗氧化活性
FAME分析显示主要脂肪酸为棕榈酸/油酸（24.9%）和硬脂酸/油酸（55.5%），提取条件不影响其组成。ABTS实验证实提取物具有显著抗氧化能力（IC₅₀
≈2 mg/mL），且湿/干生物质提取物的活性无差异，纯β-胡萝卜素的IC₅₀
更低（0.29 mg/mL）。

这项研究首次证实SCE可直接处理高水分微生物生物质，省去能耗占整个工艺30-50%的干燥步骤。通过揭示细胞内脂质的共溶剂作用，为设计"自增溶"提取体系提供了理论依据。所得富含β-胡萝卜素和单不饱和脂肪酸的提取物，在功能性食品、化妆品和药物递送系统等领域展现出应用潜力。该工艺的规模化实施仍需解决CO₂
循环中水分冻结等技术瓶颈，但已为生物基化合物的绿色制造树立了新范式。