超声辅助氯化胆碱基深共熔溶剂提取香蕉虾（Fenneropenaeus merguiensis）副产物中富含虾青素提取物及其抗氧化与ACE抑制活性

《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted deep eutectic solvent extraction of astaxanthin-rich extracts from banana shrimp by-products: antioxidant and ACE inhibitory activities

　　

虾加工副产物是虾青素（astaxanthin）的宝贵来源，虾青素是一种高价值类胡萝卜素，已知具有生物活性特性。该研究考察了氯化胆碱（choline chloride, ChCl）基深共熔溶剂（deep eutectic solvents, DESs）结合超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）从香蕉虾（Fenneropenaeus merguiensis）副产物中回收虾青素的效果。此外，研究评价了所得提取物的抗氧化和血管紧张素转化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE）抑制活性。三种氯化胆碱基DES，即ChCl:尿素、ChCl:葡萄糖和ChCl:乙二醇，在含10%水的1:2 M比例下进行筛选，其中ChCl:葡萄糖显示出最高提取效率，虾青素产量为29.50 ± 0.04 μg/g。超声辅助提取显著提高虾青素回收，200 W超声处理15 min后获得最高产量，达到50.10 ± 0.05 μg/g，比对照约高70%。然而，更高超声强度或更长暴露时间并未进一步提高提取，可能由于局部加热、氧化和类胡萝卜素异构化。与常规丙酮提取物相比，DES来源的富含虾青素提取物表现出有竞争力且随浓度稳定的生物活性，其DPPH和ABTS自由基清除活性及铁还原力分别范围为34.41%至45.89%、29.28%至61.06%和0.109至0.148。ACE抑制活性范围为32.79%至45.97%，在400 W超声处理10 min后观察到最高抑制。总体而言，在测试的实验室规模条件下，DES-UAE为从香蕉虾副产物中回收富含虾青素提取物提供了一种有效方法。

研究背景与目的：近几十年来，全球海产品需求增长推动水产食品加工业扩张，虾是最具经济和营养价值的海鲜资源之一，香蕉虾（Fenneropenaeus merguiensis）在印度—西太平洋地区分布广泛并在热带国家大量加工。工业虾加工产生大量副产物（头、壳及其他不可食部分），可占原料虾总重一半以上；处置不当可导致水污染和异味，并使有价值生物活性化合物降解。虾副产物富含蛋白质、矿物质、甲壳素和类胡萝卜素色素，是增值产品开发的潜在原料。虾青素（astaxanthin）是主要天然类胡萝卜素之一，为红橙色叶黄素类胡萝卜素，除着色外具有强抗氧化、抗炎和抗氧化应激保护活性，并可降低氧化应激、潜在抑制血管紧张素转化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE），提示心血管保护和抗高血压潜力。副产物是丰富易得天然虾青素来源，其增值化既提高经济价值又减少海产品加工副产物环境影响。现有提取包括有机溶剂提取、酶处理和机械过程；有机溶剂最常用但存在毒性、环境问题和能耗高等缺点。因此，研究转向超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）和深共熔溶剂（deep eutectic solvents, DESs）等替代技术。DES由氢键供体（hydrogen bond donor, HBD）与氢键受体（hydrogen bond acceptor, HBA）混合形成低熔点共晶，具有低毒、可生物降解、相对经济且理化性质可调等优点；超声通过声空化破坏细胞结构、增强传质，促进胞内化合物提取。尽管已有虾副产物虾青素回收研究，但关于超声辅助DES系统所得提取物功能生物活性和稳定性的信息有限。该研究不是仅优化产率，而是系统评价不同DES配方及其在超声强化下破坏复杂虾基质的作用，并明确将提取条件与抗氧化和ACE抑制双重功能结果关联，以理解生物活性保持。研究系统考察DES-UAE从香蕉虾副产物回收高质量生物活性虾青素的可行性。该论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

关键技术方法：以伊朗Hormozgan省虾分销公司提供的野生香蕉虾（Fenneropenaeus merguiensis）加工副产物（约5 kg，主要为头壳）为样本，冷链运至Tarbiat Modares大学海洋科学学院实验室，冻干72 h后粉碎。制备氯化胆碱基DES并以FTIR、DSC和粘度计表征；采用磁力搅拌及200/400 W、5/10/15 min超声辅助提取，UV-Vis于468 nm测定虾青素，色度计测CIE L*、a*、b*，DPPH、ABTS和铁还原抗氧化能力（ferric reducing antioxidant power, FRAP）评价抗氧化，荧光法评价ACE抑制，并进行统计分析。

研究结果：
3.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：通过比较纯组分与ChCl-尿素、ChCl-乙二醇（ethylene glycol, EG）、ChCl-葡萄糖DES的FTIR光谱，观察到N-H、O-H、C=O和C-O伸缩带位移，证明超分子氢键网络形成；ChCl-尿素N-H红移50 cm^?1、C=O红移35 cm^?1，ChCl-EG O-H红移55 cm^?1，ChCl-葡萄糖O-H蓝移15 cm^?1、C-O蓝移8 cm^?1；按绝对Δν，氢键扰动程度为ChCl-EG > ChCl-尿素 > ChCl-葡萄糖，表明HBD结构调节分子间相互作用和DES理化特性。
3.2 粘度：通过20～60°C测粘度，所有DES粘度随温度升高明显下降；20°C时ChCl-葡萄糖最高27.0 mPa·s，ChCl-EG 9.0 mPa·s，ChCl-尿素8.1 mPa·s；50°C分别10.8、7.2、5.4 mPa·s；ChCl-葡萄糖较高粘度与其更广泛氢键网络一致；但ChCl-葡萄糖仍获最高虾青素回收，提示提取效率并非主要受粘度相关传质阻力控制，而受DES特定超分子结构增强的溶质—溶剂亲和力及对疏水性虾青素的稳定增溶作用影响。
3.3 热稳定性分析（DSC）：DSC显示纯组分热转变，共晶形成后热转变消失、变宽或位移，说明新共晶结构由分子间氢键作用形成；分解起始温度（T_onset）排序ChCl:尿素（201.8°C）>ChCl:EG（197.4°C）>ChCl:葡萄糖（190°C），均高于UAE提取操作温度（<100°C），适合本应用。
3.4 DES筛选与超声辅助提取优化：通过不同HBD筛选和UAE条件优化，HBD类型显著影响虾青素产率；ChCl:葡萄糖最高（29.50±0.04 μg/g），ChCl:尿素19.39±0.07 μg/g，ChCl:EG最低9.50±0.06 μg/g；故选ChCl:葡萄糖。200 W、15 min超声后最高50.10±0.05 μg/g，较30 min磁力搅拌对照约增70%；400 W 10/15 min为46.76/45.25 μg/g，低于200 W 15 min；400 W 5 min最低26.08 μg/g，甚至低于对照；提示适度超声空化破坏虾基质、增强DES渗透和传质，而过强或过长超声可致局部加热、氧化及虾青素反式—顺式异构化或降解。
3.5 提取虾青素颜色特征：通过CIE L*、a*、b*色度测定，处理间颜色参数显著不同；L* 9.64～33.85，对照最低（最暗），处理7最高（最亮）；a*处理3最高8.72，红色最强，对照和处理7最低；b*处理3最高15.97；处理7亮度增加、红色降低提示更强超声下部分色素降解或氧化；a*是色素稳定性和视觉质量最敏感指标。
3.6 抗氧化活性：采用DPPH、ABTS和FRAP在0.25～2 mg/mL评价，并与常规丙酮提取物和抗坏血酸比较；DES提取物DPPH清除率34.41%～45.89%，随浓度较稳定，处理1最高、处理7最低；丙酮对照2 mg/mL为68.12%，但稀释后降至36.32%，DES提取物低浓度仍保持活性。ABTS清除率29.28%～61.56%，2 mg/mL丙酮对照69.17%，处理6最高61.52%；0.5～1 mg/mL时处理2、4、6、7保持53.4%～57.5%，优于丙酮对照稀释后明显下降。FRAP值0.109～0.148，丙酮对照最高0.182～0.278，DES中处理1最高0.148、处理4最低0.109；DES提取物抗稀释稳定。结论：提取条件强烈影响提取物生物活性，最高虾青素回收不总对应最强抗氧化，需同时优化回收和功能保持；DES提取物具有生物相容和无有害溶剂残留优势。
3.7 ACE抑制活性：采用荧光法测定，2 mg/mL时所有提取物ACE抑制率31.41%～46.30%，DES本身无ACE抑制活性，说明效应来自提取的生物活性化合物；处理6（20 min磁力搅拌+10 min 400 W超声）最高46.30±0.33%，显著高于其他处理；处理2最低31.41±0.37%；处理3和5无显著差异。优化超声强度与暴露时间平衡可增强生物活性物释放并保持功能结构；处理7较低可能因长时间高功率超声促进局部加热、氧化和类胡萝卜素反式—顺式异构化而降低活性。富含虾青素提取物具体外ACE抑制潜力，但功能潜力依赖UAE条件优化。

讨论部分总结：综合分析表明，FTIR识别的超分子氢键网络直接调控体系流变行为，并促进色素的靶向溶解；颜色参数（如a*和L*）与自由基清除功效之间的关联提示过度超声空化导致发色团降解及功能性能下降；产率、抗氧化测定和ACE抑制之间的差异表明，生物活性受虾青素保留与共提取活性组分在共晶基质中稳定的协同相互作用调节，而非仅由提取产率决定。

研究结论翻译：本研究强调了将深共熔溶剂与超声辅助提取相结合作为香蕉虾（Fenneropenaeus merguiensis）加工副产物增值化的有前景且环境友好方法的潜力。结果表明，虾青素回收受溶剂特性和超声条件共同强烈调控，强调提取效率与生物活性保持必须同时优化。尽管超声促进虾青素从虾废弃物基质中释放，但过高的声强或过长处理可能对色素稳定性和功能性能产生负面影响。与常规丙酮提取的比较评价证实，虽然有机溶剂提取物在高浓度下表现出更高的自由基清除和还原能力，但DES基提取物由于保护性分子间相互作用而在稀释梯度中保持显著的抗氧化活性。因此，提取过程不应仅视为提高产率的技术，而应视为影响回收生物活性化合物质量的关键步骤。本研究所获富含虾青素提取物表现出多功能特性，包括抗氧化能力和ACE抑制活性，提示其作为功能食品和营养制品配方中天然成分的潜力。总体而言，这项工作为将海产品加工废弃物转化为生物活性提取物提供了技术路线，有助于未来循环生物经济发展。虽然该研究在实验室规模证明了DES基提取的初步潜力，但在实际应用前仍需进一步研究胃肠道稳定性、生物可及性、毒性和贮藏稳定性。此外，在潜在工业实施前，必须全面评估工艺可扩展性、经济可行性以及共熔溶剂的回收性——特别是评价DES可重复使用多少循环。最后，未来研究应采用响应面方法（response surface methodology, RSM）更系统地优化提取因素，并结合色谱分析（如HPLC）分析虾青素形式，以及评估回收提取物在复杂食品体系中的性能。