《Processes》：Ultrasound-Assisted Extraction of Carotenoids from Pulps of Tucum? Fruits (Astrocaryum vulgare Mart.) Using Protic Ionic Liquids
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类胡萝卜素（Carotenoids）是亲脂性色素，在食品和化妆品领域具有广泛的工业应用价值，尤其作为天然着色剂。然而，传统提取方法通常依赖挥发性有机溶剂，引发环境和安全方面的担忧。本研究提出一种替代方案，利用质子型离子液体（Protic Ionic Liqui
类胡萝卜素（Carotenoids）是亲脂性色素，在食品和化妆品领域具有广泛的工业应用价值，尤其作为天然着色剂。然而，传统提取方法通常依赖挥发性有机溶剂，引发环境和安全方面的担忧。本研究提出一种替代方案，利用质子型离子液体（Protic Ionic Liquids, PILs）结合超声辅助提取（Ultrasound-Assisted Extraction, UAE）技术，从土库曼果（Astrocaryum vulgare Mart.）果肉中提取类胡萝卜素。研究人员合成并表征了三种PILs：2-羟乙基乙酸铵（2-HEAA）、2-羟乙基甲酸铵（2-HEAF）和2-羟丙基乙酸铵（2-HPAA）。其中，2-HEAA在常规条件下展现出最高的类胡萝卜素提取效率（117 μg/g，干重基），与乙醇（111.51 μg/g）相比无显著差异。因此，研究人员选用2-HEAA进行UAE优化，优化条件（0.17 g/L 2-HEAA，30 min，固液比1:10）下总类胡萝卜素产量达189 μg/g。UAE较常规方法更为高效，产量提升约38%，同时缩短了处理时间。（全反式）-β-胡萝卜素（(all-E)-β-Carotene）为主要化合物（约89%），同时检测到其Z-异构体以及（全反式）-α-胡萝卜素（(all-E)-α-Carotene）和（全反式）-α-隐黄质（(all-E)-α-Cryptoxanthin）（>5%），且不同溶剂（2-HEAA与丙酮）间的类胡萝卜素谱图保持一致。2-HEAA与乙醇结合UAE的组合方案，为从土库曼果果肉中提取类胡萝卜素提供了一种有前景的替代途径，其环境性能和工业适用性尚需进一步评估。
一、研究背景与意义
类胡萝卜素（Carotenoids）是自然界中广泛存在的亲脂性色素，赋予加工食品黄色、橙色和红色等诱人色泽，同时兼具维生素A原活性（尤其β-胡萝卜素）、免疫调节、抗氧化、抗炎和抗菌等多种生理功能，在食品和化妆品工业中具有重要应用价值。巴西亚马逊生物群落因其丰富的类胡萝卜素水果多样性而备受关注，其中土库曼果（Astrocaryum vulgare Mart.）尽管营养价值突出，却仍未得到充分开发利用。其果肉呈深黄色至橙色，富含类胡萝卜素，以β-胡萝卜素为主，文献报道含量范围为7.8 μg/g至10.7 μg/g。
传统类胡萝卜素提取方法普遍采用丙酮、正己烷等挥发性有机溶剂，这些溶剂高度挥发，存在显著的环境、健康和安全风险。为克服上述局限，离子液体（Ionic Liquids, ILs）因其可调控的理化性质而被研究作为替代提取介质，特别是与超声辅助提取（Ultrasound-Assisted Extraction, UAE）结合时，已成功应用于类胡萝卜素提取，可获得更高产量并实现溶剂回收与再利用。然而，已有研究多集中于基于咪唑鎓的非质子型离子液体，对质子型离子液体（Protic Ionic Liquids, PILs）的探索仍显不足。
质子型离子液体可通过简单的酸碱反应合成，具有可调控的氢键相互作用，是更具绿色潜力的替代溶剂，但其毒性和生物降解性取决于化学组成。已有研究表明，铵基PILs可改善红酵母中类胡萝卜素的提取效果，基于己酸根的PIL在提取效率上优于二甲基亚砜（DMSO）等传统溶剂。然而，截至目前，尚未有研究将PILs应用于巴西生物多样性水果（如土库曼果）的类胡萝卜素提取。这一研究空白凸显了可持续利用亚马逊生物群落所面临的挑战，该区域的保护对减缓气候变化、生物多样性丧失和保障粮食安全至关重要。本研究旨在探索将超声辅助提取与质子型离子液体相结合，从土库曼果果肉中获得富含类胡萝卜素提取物的可行性，优化UAE条件并评估PILs对类胡萝卜素组成的影响，为亚马逊特色水果的高值化利用提供绿色可持续的替代提取方案。
二、主要技术方法
研究人员合成了三种质子型离子液体：2-羟乙基乙酸铵（2-HEAA）、2-羟乙基甲酸铵（2-HEAF）和2-羟丙基乙酸铵（2-HPAA），采用酸碱中和法在冰浴控温条件下完成合成，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、pH测定和酸值滴定进行结构确认与理化表征。土库曼果样本采集自巴西帕拉州Inhangapi（南纬1°20′54″，西经47°54′38″），果实经次氯酸钠消毒后手工分离果肉，冷冻干燥75小时并研磨储存。提取实验包括常规固液萃取（研磨法）和超声辅助提取（40 kHz浴式超声设备），采用全因子23实验设计结合响应面法（RSM）优化PIL浓度、固液比和提取时间三个变量。类胡萝卜素总量通过分光光度法在450 nm波长测定（石油醚中β-胡萝卜素特定消光系数2592），组成分析采用高效液相色谱-二极管阵列检测器（HPLC-DAD），使用YMC C30色谱柱，甲醇/甲基叔丁基醚（MTBE）梯度洗脱，通过外标法以β-胡萝卜素标准曲线定量。
三、研究结果
3.1 质子型离子液体的合成与表征
合成的三种PILs呈均一液体，颜色从橙色到黄色略有差异，其中2-HEAA颜色最深（棕橙色），2-HPAA最浅（绿黄色）。以乙酸合成的2-HEAA和2-HPAA pH值高于7，呈弱碱性，符合弱酸与相对强碱中和形成质子转移离子液体的预期；而以甲酸合成的2-HEAF pH为4.32，呈酸性，归因于中等强度酸与弱碱的中和反应。FTIR光谱证实了铵盐结构的形成，3500-2400 cm?1区域宽吸收带对应O-H和N-H伸缩振动，约1600 cm?1处为羰基伸缩与N-H面内弯曲振动的叠加，1500 cm?1和1400 cm?1附近分别对应乙酸根的反对称和对称伸缩振动，确认了中和反应及纯化步骤的有效性。
3.2 常规提取中PILs的筛选
研究人员通过常规固液萃取比较了三种PILs的提取效率，结果显示2-HEAA获得最高总类胡萝卜素产量（117.85 ± 10.15 μg/g），约为2-HEAF（85.53 ± 7.93 μg/g）的1.4倍，是2-HPAA（7.74 ± 1.11 μg/g）的约15倍。2-HEAF产量较低可能归因于甲酸根阴离子极性高于乙酸根且阳离子烷基链较短，导致其整体极性增强，降低了对β-胡萝卜素等非极性化合物的亲和力；2-HPAA产量极低则因较短的羧酸侧链增加了整体极性。2-HEAA具有中等极性，既能有效提取叶黄素类也能提取胡萝卜素类，其平衡的极性和氢键形成能力解释了其优于更酸性或更疏水性PILs的表现。2-HEAA的产量高于文献中同一物种此前报道的107.0、94.5和83.9 μg/g，也超过其他地区土库曼果（72 μg/g）和不同物种Astrocaryum aculeatum（43和62.65 μg/g）的报道值。丙酮产量约为纯乙醇和2-HEAA的2.5和2.3倍，但乙醇与2-HEAA之间无统计学显著差异。由于丙酮不被视为GRAS（一般认为安全）物质，2-HEAA-乙醇体系作为食品和营养保健品应用的替代提取介质值得进一步研究。
3.3 超声辅助提取的效率与优化
基于初步筛选，2-HEAA被选为UAE优化研究的提取溶剂。全因子23实验设计中，总类胡萝卜素含量范围为27.31至185.15 μg/g，表明提取效率受所选参数强烈影响。帕累托图显示固液比具有最显著的影响（标准化效应=-12.4），负号表明较低的固液比有利于类胡萝卜素回收；提取时间也呈负效应（-3.36），较短时间更优；PIL浓度呈正效应（+5.55），增加2-HEAA浓度可提高产量。响应面等高线图进一步证实了上述趋势。通过期望函数优化，预测最佳条件为PIL浓度0.17 g/L、固液比1:10（m/v）、提取时间30 min，预测产量174.90 μg/g，期望值0.93。实验验证获得189.21 ± 22.55 μg/g，相对偏差8.18%，预测值在实验均值一个标准差范围内。值得注意的是，在相同PIL浓度和固液比条件下将时间缩短至10 min，产量为167.51 μg/g，约为预测值的96%，进一步证实提取时间在测试范围内影响有限。与常规提取相比，UAE使产量提升约60.5%，同时缩短了处理时间。
3.4 类胡萝卜素组成分析
HPLC-DAD分析显示，无论使用丙酮常规提取还是2-HEAA超声辅助提取，类胡萝卜素谱图均相似，共鉴定出五种主要类胡萝卜素。β-胡萝卜素为主要化合物，约占定量总类胡萝卜素的89%，其次为α-胡萝卜素和α-隐黄质，同时检测到13Z-β-胡萝卜素和9Z-β-胡萝卜素异构体。该结果与文献中β-胡萝卜素为土库曼果主要类胡萝卜素的报道一致。根据Britton和Khachik的分类标准（低含量0-1 μg/g，中等1-5 μg/g，高5-20 μg/g，极高>20 μg/g），冻干土库曼果果肉可被视为高至极高含量的类胡萝卜素来源，尤其是β-胡萝卜素和α-胡萝卜素。
四、结论与展望
本研究表明，质子型离子液体2-羟乙基乙酸铵（2-HEAA）在从冻干土库曼果果肉中提取类胡萝卜素方面展现出高效性能。将2-HEAA溶于乙醇作为共溶剂并结合超声辅助提取，使类胡萝卜素回收量从常规提取的117.85 μg/g提升至优化UAE条件下的189.21 μg/g，产量显著增加约38%且未改变类胡萝卜素谱图，β-胡萝卜素仍为主要化合物（约89%），表明离子液体的使用未导致化合物降解或选择性损失。该提取工艺效率高、速度快、溶剂用量少。优化条件为2-HEAA浓度0.17 g/L、固液比1:10（w/v）、提取时间30 min。然而，本研究仅证明了提取性能而非完整生产过程的环境优越性，溶剂回收、能耗、PIL残留以及毒理学和环境特性仍需进一步评估，以确定整体可持续性和工业适用性。
