《Sustainable Food Technology》：Sustainable recovery of carotenoids from the edible seaweed sea spaghetti (Himanthalia elongata): 2-methyltetrahydrofuran and microwave-assisted extraction as alternatives to conventional solvents and extraction methods assessed by life cycle assessmentOpen Access
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类胡萝卜素的可持续提取在农业食品和健康产业中日益受到重视。褐藻海面条（Himanthalia elongata）是生物活性化合物，特别是β-胡萝卜素和岩藻黄质的可持续来源。本研究评估了常规浸渍法和微波辅助提取（MAE）在使用食品级溶剂（丙酮、乙醇、乙酸乙酯和正
类胡萝卜素的可持续提取在农业食品和健康产业中日益受到重视。褐藻海面条（Himanthalia elongata）是生物活性化合物，特别是β-胡萝卜素和岩藻黄质的可持续来源。本研究评估了常规浸渍法和微波辅助提取（MAE）在使用食品级溶剂（丙酮、乙醇、乙酸乙酯和正己烷）以及新兴生物基溶剂（乳酸乙酯和2-甲基四氢呋喃，2-MeTHF）时的效果。在相同的操作参数（时间、溶剂与固体比和温度）下进行的初步筛选阶段，研究人员对两种技术的提取产率和环境可持续性（通过生命周期评估，LCA）进行了评价。MAE显示出更高的类胡萝卜素回收率和更低的碳足迹（因其更高的能效），其中2-MeTHF在所有溶剂中表现出最低的环境影响。基于其优越的产率和可持续性特征（在相同预设条件下比较两种技术时），研究人员选择MAE进行响应面法（RSM）工艺优化。优化后的响应模型（R2 = 97.52%）确定了最佳条件为功率230 W、提取时间7分钟、溶剂与固体比21 mL g?1，实现了总类胡萝卜素含量27.20 μg g?1 dw。这些发现证实了与浸渍法相比，MAE在可食用海藻中显著提高类胡萝卜素回收率的潜力。总体而言，MAE-2-MeTHF组合成为最可持续的替代方案，将2-MeTHF定位为工业规模过程中传统溶剂如正己烷的有前景的绿色替代品。
论文解读文章
一、研究背景与目的
类胡萝卜素是一类脂溶性色素，在光合作用、生态学、农业、健康营养和化妆品等领域具有广泛的应用价值，尤其在食品工业中作为着色剂及功能性食品成分备受关注。然而，从天然生物质中提取类胡萝卜素通常依赖石油基有机溶剂（如正己烷）和能耗较高的传统方法，这阻碍了向循环生物经济的转型。因此，开发高效、低毒、可再生的绿色提取技术和溶剂体系成为当前的研究热点。
褐藻海面条（Himanthalia elongata）是一种北大西洋的可食用海藻，富含β-胡萝卜素和岩藻黄质等具有抗氧化、抗炎和抗癌活性的类胡萝卜素。尽管已有研究探索了微波辅助提取（MAE）在该海藻中的应用，但在短时提取条件下的系统性研究仍相对匮乏，且不同实验条件的差异较大。此外，对于新型生物基溶剂如2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）和乳酸乙酯在藻类类胡萝卜素提取中的应用尚缺乏深入评估。
为此，本研究旨在：1）在相同操作条件下，对比评价MAE与传统机械搅拌浸渍法从H. elongata中回收类胡萝卜素的效果；2）比较多种食品级和新兴绿色溶剂的提取效率；3）利用响应面法（RSM）优化MAE的关键工艺参数；4）通过生命周期评估（LCA）量化两种提取过程和三种代表性溶剂（2-MeTHF、正己烷、乳酸乙酯）的环境影响，以确定最具可持续性的提取方案。
二、主要关键技术方法
- 1.
样品处理：脱水H. elongata生物质由西班牙Algas Atlánticas Algamar公司提供（手工采集于加利西亚，比斯开湾，FAO渔区），经低于42°C干燥后，使用球磨机研磨成粉。
- 2.
提取工艺对比：在相同时间（5分钟）、溶剂与固体比（20 mL g?1）和相近温度条件下，分别进行常规水浴搅拌浸渍（93°C，25 rpm）和微波辅助提取（MAE，Ethos X微波炉，300 W）。共评估六种溶剂：丙酮、乙醇、乙酸乙酯、正己烷、乳酸乙酯和2-MeTHF。
- 3.
类胡萝卜素分析与定量：采用高效液相色谱-二极管阵列检测器（HPLC-DAD）对皂化后的提取物进行定性和定量分析，鉴定出六种类胡萝卜素。RSM优化实验中采用分光光度法（450 nm）测定总类胡萝卜素含量（TCC）。
- 4.
响应面法（RSM）优化：基于中心复合设计（CCD），以功率（100–500 W）、时间（1–10 min）和溶剂与固体比（10–50 mL g?1）为自变量，TCC为响应变量，建立二阶多项式模型进行优化。
- 5.
生命周期评估（LCA）：遵循ISO 14040标准，以1克海藻提取物和1微克总类胡萝卜素为功能单位，采用CML-IA基线方法和SimaPro软件计算全球变暖潜能值（GWP100，g CO? eq.）。
三、研究结果
3.1 类胡萝卜素谱
通过HPLC-DAD分析，研究人员在H. elongata提取物中鉴定出六种类胡萝卜素：（all-E）-β-胡萝卜素、（9Z）-β-胡萝卜素、（9Z）-岩藻黄质、（all-E）-玉米黄质、（13Z）-β-胡萝卜素和（all-E）-β-隐黄质。其中（all-E）-β-胡萝卜素是最主要的类胡萝卜素，平均占所有提取物总类胡萝卜素含量的47%。
3.2 MAE的影响
在相同预设条件下，MAE显著提高了每种溶剂的单个类胡萝卜素回收率（p < 0.05）。例如，正己烷提取的（all-E）-β-胡萝卜素增加了3.93倍，2-MeTHF增加了2.38倍。所有MAE处理的总类胡萝卜素含量均高于相应的常规浸渍法，表明微波辅助对提高提取效率具有积极作用，增幅因溶剂而异（正己烷约3倍，2-MeTHF约2倍）。
3.3 提取溶剂的影响
在MAE条件下，正己烷和2-MeTHF表现出最高的TCC（分别为24.46和24.22 μg g?1），两者无显著差异，且对（all-E）-β-胡萝卜素和（9Z）-岩藻黄质回收最优。丙酮在提取（9Z）-β-胡萝卜素、（9Z）-岩藻黄质、玉米黄质和（13Z）-β-胡萝卜素方面效率最高。乙醇对含羟基的叶黄素类（如β-隐黄质和玉米黄质）亲和力更强。乳酸乙酯的提取效率最低，TCC比正己烷和2-MeTHF低约13倍。
3.4 碳足迹评估
MAE过程的碳足迹（5.05 g CO? eq. g?1藻提取物）远低于常规浸渍法（25.25 g CO? eq. g?1），主要归因于设备能耗差异。在溶剂层面，2-MeTHF在两种提取过程中均产生最低的环境影响（MAE：0.31 g CO? eq. μg?1类胡萝卜素；浸渍：2.38 g CO? eq. μg?1），其次是正己烷（0.61和4.45 g CO? eq. μg?1），乳酸乙酯最高（15.12和117.86 g CO? eq. μg?1）。
3.5 响应面法（RSM）优化
建立的二阶多项式回归模型R2高达97.52%，ANOVA显示模型显著（p < 0.001），失拟项不显著（p = 0.263）。三维响应面图揭示了变量间的交互作用：TCC随时间和功率增加先升后降，在中等水平达到最大值；溶剂与固体比对TCC的影响呈非线性，过高或过低均不利。最终确定的最佳条件为：功率230 W、时间7分钟、溶剂与固体比21 mL g?1，预测TCC为27.22 μg g?1。验证实验得到TCC为27.20 μg g?1，落在95%置信区间内，证实了模型的准确性。
四、讨论与结论
研究表明，MAE在提高类胡萝卜素回收率方面显著优于传统浸渍法，其原理在于微波能引起快速体积加热、局部热梯度及细胞破坏，促进溶剂渗透和质量传递。溶剂的选择至关重要：2-MeTHF凭借其与正己烷相当的疏水性（log Kow ~1.1）和低粘度（0.60 cP），对非极性类胡萝卜素表现出优异溶解性，同时其可再生来源、生物降解性及欧盟食品应用许可使其成为理想的绿色替代品。相比之下，乳酸乙酯的高粘度（2.40 cP）严重限制了扩散和传质效率。
LCA结果进一步确认了MAE-2-MeTHF组合的环境优势：不仅提取过程本身能效更高，而且2-MeTHF的生产碳排放（0.15 kg CO? eq. kg?1）远低于正己烷（0.76 kg CO? eq. kg?1）和乳酸乙酯（1.12 kg CO? eq. kg?1）。这一组合符合联合国可持续发展目标SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 14（水下生命）。
研究结论：本工作证明了将MAE与生物基溶剂2-MeTHF相结合可从H. elongata中高效、可持续地回收类胡萝卜素。优化后的工艺（230 W，7 min，21 mL g?1）实现了27.20 μg g?1 dw的TCC。综合提取产率与环境影响评估，MAE-2-MeTHF被确定为最有前景的绿色替代方案，为工业规模下替代传统正己烷基工艺提供了可行路径。
