综述：水果生物活性化合物的环保提取进展：技术、挑战与未来方向

《Analytical Science Advances》：Advances in Eco-Friendly Extraction of Fruit Bioactive Compounds: Technologies, Challenges and Future Directions

　　

水果生物活性化合物（如多酚（polyphenols）、类胡萝卜素（carotenoids）、维生素（vitamins）和纤维（fibres））具有重要的抗氧化、抗炎和疾病预防益处，但由于其溶解度差以及传统方法使用有毒溶剂、需要高能量且通常产量低，其提取仍然困难。本综述系统性地审视了传统和先进提取技术，包括膜过滤（membrane filtration）、超临界流体萃取（SFE）、加压液体萃取（PLE）、色谱技术（chromatographic techniques）、微纳分离（micro- and nano-separation）和酶辅助过程（enzyme-assisted processes），借鉴了来自Scopus、Web of Science、ScienceDirect、PubMed和Google Scholar等数据库的同行评审英文文献，使用了与环保提取、水果生物活性化合物和技术（如超声波辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）、SFE和天然深共熔溶剂（NADES））相关的术语，并辅以筛选参考文献列表。纳入了关于绿色提取方法、溶剂、优化策略和可持续性的同行评审研究，而排除了非水果基质、细节不足的研究和非同行评审来源。检索并考虑了2017年1月至2025年10月的出版物，并视需要补充了关键早期研究。检索共获得约1203条记录；经过去重和两位评审员独立筛选，保留了456项符合条件的研究进行分析。重点强调了保持化合物完整性并实现工业可扩展性的环保方法，同时讨论了绿色化学、水果副产物增值和循环经济策略。从效率、选择性、环境影响和成本效益方面评估了这些技术，其应用涵盖功能食品、药品、化妆品和包装。尽管存在化合物稳定性、监管障碍和需要专业知识等挑战，新兴的混合系统和人工智能驱动的过程建模在优化提取和降低成本方面显示出前景。未来研究应侧重于开发多功能绿色溶剂、实时监测工具和闭环系统，以最小化废物和能源消耗，最终推进可持续的生物活性化合物提取，并为更健康、更环保的产业做出贡献。

论文主体部分总结如下：

**1 引言**
随着健康意识的增强，消费者偏好从合成添加剂转向天然生物活性化合物。水果富含多酚（polyphenols）、类胡萝卜素（carotenoids）、维生素（vitamins）和纤维（fibres）等化合物，具有抗氧化、抗炎、神经保护等健康益处，可降低慢性病风险。全球水果提取物需求快速增长，预计到2033年市场价值将翻倍。然而，传统提取方法存在产量低、时间长、使用有害溶剂等局限。为应对挑战，先进技术如超声波辅助提取（UAE）、酶辅助提取（EAE）、微波辅助提取（MAE）、超临界流体萃取（SFE）和加压液体萃取（PLE）得到发展。本综述的创新之处在于采用系统级视角，强调混合系统（如超声-微波、酶辅助超临界CO₂、脉冲电场与欧姆加热）的协同潜力，以及人工智能（AI）驱动建模和下一代绿色溶剂（如生物基深共熔溶剂、CO₂膨胀天然油）在可持续提取中的作用。

**2 水果生物活性化合物**
水果生物活性化合物包括多酚（polyphenols）、类胡萝卜素（carotenoids）、维生素（vitamins）、膳食纤维、萜类（terpenes）和甜菜红素（betalains）。多酚进一步分为黄酮类（flavonoids）和酚酸类（phenolic acids），其中黄酮类包含黄酮醇（flavonols）、黄烷酮（flavanones）、黄烷醇（catechins）、花青素（anthocyanins）和异黄酮（isoflavones）等亚类，酚酸类包括羟基苯甲酸（hydroxybenzoic acids）和羟基肉桂酸（hydroxycinnamic acids）。这些化合物通过抗氧化（清除活性氧、螯合金属离子）、抗炎（抑制NF-κB活化）、抗微生物、抗癌（诱导凋亡、抑制增殖）和抗糖尿病（抑制碳水化合物消化酶）等机制发挥健康作用。来源涵盖浆果、葡萄、苹果、柑橘类、热带水果以及果皮、种子、果渣等副产物。

**3 传统提取与分离技术**
传统方法如浸渍（maceration）、索氏提取（Soxhlet extraction）、水蒸馏（hydro-distillation, HD）、液液萃取（liquid-liquid extraction）、固相萃取（solid-phase extraction, SPE）、固相微萃取（solid-phase microextraction, SPME）、蒸馏（distillation）、结晶（crystallization）和吸附（adsorption）被广泛使用，但存在时间长、选择性低、热敏化合物降解、溶剂消耗大等缺点。萃取效率受溶剂类型、温度、时间、粒度、溶剂-样品比等因素影响，但传统方法依赖有毒溶剂，对环境造成风险，促使向更可持续的替代方案转变。

**4 新一代分离技术**
新一代技术通过提高效率、产量和可持续性变革水果生物活性化合物的提取。

**4.1 膜基技术**
膜基技术利用半透膜基于尺寸、电荷或分子量进行分离，包括微滤（microfiltration）、超滤（ultrafiltration, UF）和纳滤（nanofiltration, NF）。UF可保留蛋白质、多糖等大分子，允许小分子和水通过，用于果汁澄清和浓缩多酚。NF在UF和反渗透（reverse osmosis, RO）之间操作，选择性去除糖和有机酸，浓缩生物活性化合物。RO用于脱盐和浓缩果汁。这些技术具有低能耗、无溶剂、连续操作等优点，但存在膜污染问题。

**4.2 超临界流体萃取**
超临界流体萃取（SFE）使用超临界CO₂（临界温度31.2°C，临界压力7.4 MPa）作为溶剂，兼具气体和液体性质，实现快速传质和深层渗透。SFE特别适用于非极性化合物（如类胡萝卜素、脂类），对极性化合物需添加乙醇等共溶剂。相比传统方法，SFE提供更高的回收率、选择性和速度，且溶剂可去除，产物无残留。但设备成本高、操作复杂，对极性化合物效率有限，放大过程存在挑战。

**4.3 超声波辅助提取**
超声波辅助提取（UAE）利用高频声波（>18–100 kHz）产生空化效应，微小气泡在固体表面坍塌产生局部高温（约4500°C）和高压（约50 MPa），导致细胞壁破裂和细胞内物质释放，增强传质。UAE具有提取时间短、溶剂用量低、效率高等优点，但存在穿透深度有限和放大困难。

**4.4 加压液体萃取**
加压液体萃取（PLE）在高温（50–200°C）和高压下进行，使溶剂保持液态，提高溶解度和渗透性，加速扩散。PLE可减少提取时间和溶剂用量，提高重复性，成功应用于花青素、类黄酮、精油等提取。与索氏提取相比，PLE产量可提高20%–60%，在10–20分钟内实现90%–100%回收率。

**4.5 色谱创新**
色谱技术用于分离、鉴定和定量生物活性化合物。高效液相色谱（HPLC）和超高效液相色谱（UPLC）使用更小粒径提高分辨率和速度。逆流色谱（CCC）和高速逆流色谱（HSCCC）提供无固体支持分离，减少吸附损失。现代色谱流程常与四极杆飞行时间质谱（Q-TOF-MS）、串联质谱（MS/MS）和核磁共振（NMR）联用，采用未靶向筛查、靶向确证和定量三步策略。亲水作用液相色谱（HILIC）适用于极性化合物分离。分子印迹聚合物（MIPs）提供选择性萃取。

**4.6 微纳分离方法**
微纳分离技术包括固相微萃取（SPME）和微波辅助提取（MAE）等。SPME使用涂层纤维提取挥发性、半挥发性化合物，灵敏度高，无需复杂样品制备。MAE利用微波能快速加热内部水分，产生蒸汽压破坏细胞壁，释放化合物，效率受微波功率、溶剂类型、时间等因素影响。封装技术通过聚合物或脂质载体提高化合物稳定性和生物利用度，实现可控释放。

**4.7 酶辅助提取**
酶辅助提取（EAE）使用纤维素酶、果胶酶、α-淀粉酶等酶水解细胞壁和细胞内大分子，提高提取效率和选择性，通常以水为溶剂，环保安全。EAE作为预处理可减少时间、溶剂和成本，提高产物纯度。酶的性能受pH、温度、浓度、底物比等因素影响，优化后能显著提升生物活性物质产量。

**5 绿色化学与可持续性考量**
可持续提取需依赖定量指标如环境因子（E-factor）、过程质量强度（PMI）、溶剂回收率和单位产品能耗。溶剂选择至关重要，水、乙醇等相对良性，但部分有机溶剂存在易燃性、持久性和生态毒性。天然深共熔溶剂（NADES）因低挥发性、可调极性和可生物降解性受到关注，但高粘度、纯化困难、回收数据有限等问题限制其工业应用。生命周期评估（LCA）全面评估环境影响，揭示能量消耗与溶剂毒性间的权衡。循环经济和生物精炼策略通过利用水果副产物（果皮、种子、果渣）生产功能成分、生物燃料或生物塑料，增强资源效率。

**6 技术比较评价**
对水果生物活性提取技术进行比较，考虑效率、选择性、可扩展性、环境影响和成本。SFE和EAE效率高，MIPs和SPME选择性突出。UF和NF可扩展性好，SFE放大需高投资。环保方法（水、乙醇）优于传统溶剂法。SFE和UPLC前期成本高，但通过提高产量和效率实现回报。EAE通过降低能耗和溶剂使用降低运营成本。

**7 工业应用与案例研究**
提取技术广泛应用于功能食品、制药、化妆品和包装领域。SFE成功分离姜黄中的姜黄素，获得强抗炎成分。PLE用于从紫杉属植物提取紫杉醇，提高效率并减少溶剂。MAE从浆果中提取花青素作为天然色素和抗氧化剂用于护肤品。UAE回收精油用于抗菌可降解膜，延长食品保质期。纳滤纯化抗氧化剂用于保护涂层。SPME将精油整合至活性包装，减少食品浪费。

**8 挑战与未来展望**
环保提取技术面临化合物不稳定、过程复杂性、缺乏标准化方法、市场成熟度低、监管障碍等挑战。AI和机器学习在优化中显示潜力，如随机森林（Random Forest）和XGBoost减少实验次数约30%，提高产量12%–15%；支持向量机（SVM）和人工神经网络（ANN）优化溶剂使用，降低溶剂强度20%，提高能效10%。目前AI辅助研究多处于技术就绪水平（TRL）3–4，中试级（TRL 5–6）在膜和酶过程有示范，超临界CO₂和膜过滤商业成熟（TRL 8–9）。标准化协议和性能指标的缺乏阻碍工业转化。未来路线图包括短期标准化方法、中期中试放大和LCA/TEA集成、长期融入循环生物经济。

**9 结论**
水果生物活性化合物提取已从传统溶剂法和蒸馏法向新一代技术（SFE、PLE、EAE、UAE、MAE、PEF）转变，实现更高产量、更好保护热敏化合物和更少溶剂消耗。但工业规模实施受限于设备成本、标准化缺乏、可扩展性挑战和专业知识不足。未来需整合混合系统、封装策略和AI优化，通过研究者、行业和监管机构协作，推动实验室概念向商业解决方案转化。