《Molecules》：Efficiency of Innovative Extraction Technologies in Recovering Natural Pigments, Polyphenols, and Antioxidants from Sugar Beet Leaves
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农业食品副产品增值化（agri-food by-product valorisation）需求的不断增长推动了创新提取技术的应用。本研究评估并比较了脉冲电场（pulsed electric field, PEF）、超声辅助提取（ultrasound-assis
农业食品副产品增值化（agri-food by-product valorisation）需求的不断增长推动了创新提取技术的应用。本研究评估并比较了脉冲电场（pulsed electric field, PEF）、超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）和微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）对甜菜叶片（sugar beet leaves, SBL）中总多酚（total polyphenolic content, TPC）、叶绿素及抗氧化活性（antioxidant activity, AA）回收效果的影响。研究结果强烈依赖于所采用的技术及目标化合物的性质。PEF处理在7.5 kV、3 min条件下获得TPC为11.41 mg GAE/g干物质（dry matter, d.m.），而在2 kV、3 min条件下获得最高叶绿素含量（0.393 mg/g d.m.）。采用80%甲醇的UAE在5 min后获得8.23 mg GAE/g d.m.的TPC，而最高叶绿素含量（0.601 mg/g d.m.）在3 min后获得。MAE在60 °C、5 min、固液比1:40条件下获得最高TPC（23.75 mg GAE/g d.m.），而在80 °C、10 min、相同固液比1:40条件下获得最高AA（44.57 mg AAE/g d.m.）。总体而言，这些发现表明，针对特定目标的提取策略对于SBL增值化至关重要。这些结果代表了所研究实验范围内的最佳性能条件，并为进一步研究这些技术在SBL增值化中的潜力提供了初步基础。
论文解读：甜菜叶片生物活性成分提取技术的创新比较研究
一、研究背景与问题提出
食品工业在加工过程中产生大量废弃物，在可持续生物经济背景下，如何将这些副产品转化为有价值的食品成分、添加剂或生物活性化合物来源，已成为研究热点。甜菜叶片（sugar beet leaves, SBL）作为甜菜加工的主要副产品，产量丰富但利用不足，富含蛋白质、多酚、黄酮类及其他抗氧化化合物，具有显著的增值化潜力。然而，传统提取方法存在溶剂消耗量大、提取时间长、热敏性化合物易降解等缺陷。尽管已有研究采用溶剂提取、浸渍和固液提取等方法回收SBL中的生物活性成分，但针对脉冲电场（pulsed electric field, PEF）技术应用于SBL的研究在现有文献中尚属空白。此外，SBL基质组成复杂，不同生物活性化合物和色素具有不同的理化性质和稳定性，许多化合物对加工条件敏感，易发生降解或氧化。因此，优化加工条件以增强目标生物活性化合物的回收并保持其稳定性和功能特性至关重要。本研究旨在直接比较PEF、超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）和微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）三种新兴绿色提取技术对SBL中总多酚（total polyphenolic content, TPC）、叶绿素及抗氧化活性（antioxidant activity, AA）回收效率的影响，并评估电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）波谱法作为表征提取物抗氧化特性的分析工具的适用性。
二、研究内容与主要结论
研究结果表明，没有任何单一提取技术能同时最大化所有目标变量，提取效率强烈受技术机制与生物活性化合物理化性质之间特定相互作用的影响。MAE在多酚和抗氧化活性回收方面效率最高，在60 °C、5 min、固液比1:40条件下获得最高TPC（23.75 mg GAE/g d.m.），在80 °C、10 min、固液比1:40条件下获得最高AA（44.57 mg AAE/g d.m.），这归因于快速体积加热和强烈细胞破裂，但在较高温度（80 °C）配合较低溶剂比（1:20）时会引发热敏色素显著降解。UAE在温和加工条件下获得最高叶绿素回收量（0.601 mg/g d.m.），溶剂化学性质是主导因素，80%甲醇显著优于96%乙醇，而延长超声时间（超过3 min）会诱导局部降解趋势。PEF提取相比其他方法呈现中等程度的数值改善，但数值趋势随目标化合物和加工条件而变化，表明PEF处理响应在各测量变量间并不一致。层级聚类分析（hierarchical cluster analysis, HCA）将30个实验条件自然划分为三个技术特异性聚类：MAE主导的高多酚效率聚类、UAE-甲醇主导的高叶绿素选择性聚类，以及PEF和乙醇-UAE构成的低产率非热筛选聚类。该研究强调针对特定目标的提取策略对于SBL增值化的重要性，提取效率取决于细胞破裂、溶剂渗透、传质与单个生物活性结构保存之间的化合物依赖性平衡，而非简单增加处理强度。
三、关键技术方法
研究人员采用三种创新提取技术：PEF处理使用平行不锈钢电极反应器（HVG60/1），在2 μs脉冲持续时间和150 Hz脉冲频率下，以处理时间（0–5 min）和施加电压（0–7.5 kV）为自变量，对应电场强度0–7.5 kV/cm；UAE使用27.8 kHz超声发生器（UWave 2000）配14 mm直径探头，在40%振幅下分别以96%乙醇和80%甲醇为溶剂，处理0、1、3、5 min；MAE使用Ethos Easy反应器，以温度、提取时间和固液比（solid-to-solvent ratio, SSR）为自变量，微波功率400 W恒定。样品为克罗地亚Kapinci地区（45.8126° N, 17.7008° E）获得的甜菜叶片（Beta vulgaris var. saccharifera L.），经50 °C干燥至恒重后研磨成细粉。TPC采用Folin–Ciocalteu法在765 nm测定，叶绿素采用80%丙酮提取后在665和645 nm测定，AA采用EPR波谱结合DPPH法测定。统计分析采用单因素和析因方差分析（analysis of variance, ANOVA），并采用Ward最小方差法和欧氏距离进行HCA聚类分析。
四、研究结果
4.1 脉冲电场（PEF）辅助提取
PEF数据集采用统一单因素方差分析框架，涵盖10种不同操作配置，以单一共享未处理对照（0 min, 0 kV）进行Fisher最小显著差异（least significant difference, LSD）检验。TPC在各配置间无统计学显著差异（p = 0.2090），数值范围为8.44 mg GAE/g d.m.（2 kV, 1 min）至11.41 mg GAE/g d.m.（7.5 kV, 3 min）。叶绿素含量在各配置间差异显著（p = 0.0017），最低值0.254 mg/g d.m.出现在5 kV、3 min处理，2 kV处理1和3 min及7.5 kV处理3 min的叶绿素含量与未处理对照相当。AA无统计学显著差异（p = 0.1119），数值范围为4.08 mg AAE/g d.m.（5 kV, 1 min）至4.89 mg AAE/g d.m.（7.5 kV, 5 min），且最高AA配置与最高TPC配置不一致。
4.2 超声辅助提取（UAE）
处理时间和溶剂类型对叶绿素提取均产生极显著影响（p < 0.001），且存在显著交互效应（p < 0.001）。对TPC和AA而言，溶剂类型是唯一产生极显著影响的独立因素（p < 0.001）。甲醇提取物在TPC、叶绿素含量和AA方面均显著高于乙醇提取物。在甲醇提取系列中，TPC随超声时间增加呈数值上升趋势，5 min时达最高值（8.23 mg GAE/g d.m.），但处理时间对TPC无统计学显著影响（p = 0.153）。叶绿素含量在3 min超声后达最高（0.601 mg/g d.m.），5 min后降至0.476 mg/g d.m.。甲醇提取物中AA在3 min时达最高值（3.58 mg AAE/g d.m.），5 min后数值下降至3.31 mg AAE/g d.m.，但处理时间对AA无统计学显著影响（p = 0.820）。
4.3 微波辅助提取（MAE）
三因素方差分析表明，温度、处理时间和固液比（solid-to-solvent ratio, SSR）及其交互作用对监测参数均产生极显著影响。TPC方面，温度（F = 27.869, p < 0.001）、处理时间（F = 13.739, p = 0.003）和SSR（F = 19.717, p < 0.001）均显著影响提取率，温度×SSR（F = 36.521, p < 0.001）和处理时间×SSR（F = 28.387, p < 0.001）的交互作用F值最高。TPC值变化范围大，最低为（2.90 ± 1.58）mg GAE/g d.m.（80 °C, 5 min, 1:20 SSR），最高为（23.75 ± 2.32）mg GAE/g d.m.（60 °C, 5 min, 1:40 SSR）。叶绿素含量对加工条件变化极为敏感，温度（F = 251.51, p < 0.001）和SSR（F = 177.81, p < 0.001）是最主要的影响因素，随提取温度升高和溶剂体积增大呈明显下降趋势，最高色素保留量在60 °C、10 min、1:20 SSR条件下获得（0.029 mg/g d.m.）。AA方面，温度、处理时间和SSR的主效应均不显著，但三因素交互作用显著（F = 6.393, p = 0.013），AA值波动剧烈，在80 °C、5 min、1:40 SSR条件下降至接近检测限（<0.01 mg AAE/g d.m.），而在80 °C、10 min、1:40 SSR条件下达到显著峰值（44.57 mg AAE/g d.m.）。
4.4 层级聚类分析（HCA）
基于TPC、叶绿素含量和AA三个参数，采用Z-score标准化和Ward凝聚最小方差法及欧氏距离度量，对30个实验条件进行层级聚类分析，识别出三个技术特异性聚类：聚类1为高多酚效率聚类（MAE主导），以MAE 80 °C/10 min/SSR 1:40条件为代表，具有极高且高于平均水平的TPC和AA值；聚类2为高叶绿素选择性聚类（UAE-甲醇主导），80%甲醇UAE在3 min处理时叶绿素含量Z-score达2.34，为全研究绝对最大值；聚类3为低产率非热筛选聚类（PEF和乙醇-UAE），PEF各操作模式数据高度均匀，形成紧凑亚聚类，具有稳定、接近平均的均衡特征，而96%乙醇UAE各运行因连续深蓝色块被归入树状图最低性能分支，MAE 80 °C/5 min/1:20因TPC严重下降（Z-score为?1.43）也被聚类至该组底部。
五、讨论与结论
讨论部分指出，PEF处理中最高TPC和AA在最高电场强度（7.5 kV/cm）下获得，而最高叶绿素回收在较低电场强度（2 kV/cm）下实现，表明电场强度对不同类别化合物的提取影响程度不同。UAE中溶剂化学性质是主导因素，80%甲醇显著优于96%乙醇，但AA在3 min超声后达最大值，过量能量输入可能诱导特定高活性抗氧化结构发生局部热或氧化降解。MAE中较高溶剂体积（1:40 SSR）结合温和热条件（60 °C）为多酚有效溶解和传质提供充分浓度梯度，而80 °C配合1:20 SSR时局部过热导致敏感酚类结构热降解。非热技术（PEF和UAE）因减少热暴露而更有利于热敏性叶绿素分子的结构完整性保持。
研究结论为：MAE在多酚和抗氧化活性回收方面效率最高，获得最高TPC（23.75 mg GAE/g d.m.）和AA（44.57 mg AAE/g d.m.）；UAE提供最高叶绿素回收量（0.601 mg/g d.m.），适合温和条件下色素保存；PEF提取呈现中等程度的数值改善，但响应不均匀。本研究结果应主要视为筛选水平评估，所确定的最佳条件代表所研究范围内的最优表现，未必反映真实最优值。研究强调技术特异性提取策略对最大化SBL中有价值化合物回收的重要性，为根据食品、饲料或营养保健品等预期应用选择合适的提取技术提供了宝贵基础。未来研究应扩展加工参数范围，并采用高效液相色谱（high-performance liquid chromatography, HPLC）对各提取技术最优条件下获得的提取物进行单酚类化合物表征，以更详细评估PEF、UAE和MAE对甜菜叶片酚类特征的影响。
