基于天然低共熔溶剂（NADES）的金盏花叶黄素绿色提取工艺优化及其食品添加剂开发研究

本研究针对合成色素的安全隐患及传统提取方法的环境问题，开发了一种绿色高效的天然低共熔溶剂（NADES）辅助提取技术，从废弃金盏花中提取叶黄素类胡萝卜素。通过Taguchi和响应面法（RSM）优化工艺，使类胡萝卜素产量显著提升至971.31 μg/mg DW，并证实提取物具有良好的稳定性、抗氧化活性及食品安全性，为功能性食品添加剂开发提供了可持续解决方案。

　　

全球食品安全报告指出，每年全球十分之一的人口因食用受污染食品而患病。合成染料或人工着色剂作为常见食品添加剂，可能导致儿童自闭症谱系障碍（ASD）、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、神经毒性、成人肥胖等多种健康问题。随着对可持续发展目标认识的加深，开发环境友好、成本效益高且涉及废物增值的技术需求日益增长。天然色素如花青素（红至蓝色）、类胡萝卜素（黄至橙色）和甜菜碱（红和黄）成为合成染料的安全替代品，但这些色素在恶劣环境中易降解。类胡萝卜素还具有抗氧化活性、预防癌症、心血管疾病和眼部健康疾病等多种健康益处。

金盏花（Tagetes erecta L.）通常呈黄色或橙色，富含β-胡萝卜素和叶黄素等类胡萝卜素。在印度，金盏花除健康益处外，还广泛用于装饰、传统和文化活动。印度花卉产业每年种植约255,020公顷金盏花，产量约1,754,500吨。宗教和商业活动产生的采后花卉废弃物以及未售出和未利用的花卉残留物引发了环境问题。因此，通过高效提取技术增值金盏花废弃物生物质，回收生物活性化合物，成为一种可持续方法。

传统提取方法依赖有机溶剂如己烷、乙醇和丙酮，虽然有效，但这些溶剂带来环境和健康风险，需要高能量输入，且通常提取效率低并导致热降解。作为可持续替代方案，天然低共熔溶剂（NADES）等绿色提取技术因降低溶剂毒性和废物产生而受到关注。NADES是可生物降解、无毒的溶剂，由两种或更多种生物基化合物（氢键供体和氢键受体）混合而成，适用于极性和非极性生物分子的提取。与传统有机溶剂相比，NADES提供更高的溶解度、增强的稳定性和更好的目标分子生物利用度，同时显著减少环境影响。

类胡萝卜素的非极性性质导致不同疏水性NADES用于从南瓜、微藻和柿子皮等来源提取的开发。含有薄荷醇、百里香酚和脂肪酸酯（包括癸酸、辛酸、月桂酸）的溶剂系统已被开发用于提取类胡萝卜素家族中长链烃的胡萝卜素。相对较少的研究关注叶黄素（胡萝卜素的氧化形式）从各种天然来源包括金盏花中的提取。一项研究表明，切换NADES系统的极性可以回收南瓜组织中的胡萝卜素。NADES基提取的优化涉及调整溶剂组成、温度、提取时间和固液比等关键参数，以最大化生物活性化合物的产量。采用响应面方法论（RSM）和人工神经网络（ANN）等先进建模技术预测最佳条件并提高提取效率。

本研究主要目标是优化从使用的金盏花中基于天然低共熔溶剂的提取技术。经过对HBD-HBA的全面筛选，使用Taguchi和响应面方法论（Box-Behnken设计）技术进一步优化提取条件。最后，在最佳提取条件下，评估NADES基类胡萝卜素提取物的初步食品安全研究（微生物和重金属负荷）、抗氧化和抗菌特性，用于未来食品强化研究。论文发表在《LWT》期刊。

为开展研究，作者主要应用了几项关键技术：首先采用超声波辅助提取（UAE）结合NADES溶剂从干燥金盏花花瓣中提取类胡萝卜素，优化参数包括超声时间、温度和孵化时间；利用Taguchi设计和响应面法（RSM）进行工艺优化，通过Box-Behnken设计实验并建立数学模型预测最佳条件；通过高效液相色谱（HPLC）分析提取物中的叶黄素等成分；开展稳定性研究包括热稳定性、储存条件和光稳定性测试；进行食品安全评估如微生物计数和重金属残留分析；以及抗氧化活性测定（DPPH和FRAP assay）。样本来源于印度浦那当地采集的金盏花。

通过筛选10种NADES组合，发现胆碱氯化物与葡萄糖摩尔比3:1的N5溶剂效果最佳，类胡萝卜素含量达549.68 μg/mg DW。物化性质分析显示葡萄糖基NADES极性低、粘度小，利于疏水性类胡萝卜素溶解。FTIR证实溶剂与提取物间氢键相互作用。优化后提取条件为超声22分钟、温度22°C、孵化2小时，产量显著提升至971.31 μg/mg DW，较对照组提高34%，效应值Hedges' g为7.92，表明优化条件影响巨大。量子化学计算显示叶黄素与NADES通过氢键和静电作用稳定结合，总能量-2809.39 Eh表明系统热力学稳定。

稳定性研究表明，类胡萝卜素在40°C、60°C和80°C下的半衰期分别为770.16、462.09和433.21分钟，降解随温度升高加速；储存于-20°C时半衰期最长（577.62天），黑暗条件下半衰期（63.59天）远高于光照（11.95天），证实低温和避光保存的重要性。柱色谱实现了NADES溶剂回收（20%）与类胡萝卜素分离，FTIR显示回收溶剂结构保留。HPLC分析鉴定出叶黄素为主要成分，浓度达491.84 μg/mL，优于传统绿色溶剂提取方法。

食品安全评估显示提取物无微生物污染，重金属残留远低于FSSAI标准（铅、镉、汞、砷均<1 ppm），符合食用安全。抗氧化活性方面，DPPH assay的IC₅₀为0.109 μg/mL，FRAP值为7.04 mM FeSO₄当量/mL，显示 moderate 自由基清除能力。但提取物无抗菌活性，可能因NADES成分如胆碱氯化物和葡萄糖可作为微生物代谢底物。

研究结论表明，胆碱氯化物基NADES（3:1摩尔比）可高效提取金盏花类胡萝卜素，工艺优化使产量提升34%，并证实叶黄素为主要成分。相比传统有机溶剂，NADES法更绿色、无毒、可生物降解，且产量更高，操作条件温和（25°C），能保持化合物稳定性和生物活性。提取物具有良好的食品安全性，适用于营养保健品和食品应用。NADES技术被FDA视为GRAS（一般公认安全），具备工业化潜力。但NADES高沸点增加了代谢物回收难度，下游处理比传统系统复杂。未来研究应探索提取物体内外生物利用度，并在实际食品系统中评估应用以验证商业可行性。