加压芸薹籽处理条件下的研究：一种循环生物经济方法

《The Journal of Supercritical Fluids》：Processing of crambe grains under pressurized conditions: A circular bioeconomy approach

　　

本研究评估了芸薹籽（Crambe abyssinica）的加工过程，首先通过加压乙醇（PLE）进行油脂提取，随后对脱脂饼粕（DM）进行亚临界水萃取（SWE）以获取相关化合物。油脂提取实验考察了温度、粒径和时间对壳+籽混合物（MHS）的影响。研究人员同时采用索氏提取法从芸薹籽（CS）和MHS中提取油脂，以便与PLE方法在出油率和组成方面进行比较。对DM进行SWE处理后得到干提取物（DE）、处理饼粕（TM）以及提取物+处理饼粕混合物（ETM）。提高提取温度（从40℃升至80℃）可增加MHS的油脂提取量；减小粒径可分别提高MHS和CS的油脂产率；而延长提取时间（从60分钟增至90分钟）仅对MHS的提取效果产生影响。PLE在MHS油脂提取中的效率约为索氏提取法的50%。在PLE所得油脂中，主要的酚酸为奎宁酸和原儿茶酸，主要的黄酮类物质为山柰酚。这些油脂主要由油酸和芥酸组成。MHS油脂中植物甾醇和γ-生育酚含量较高，因此具有更低的脂质氧化程度和更优的热稳定性。DE表现出较高的蛋白质含量，而TM和ETM则具有最高的纤维含量。DE中未检出硫代葡萄糖_lenucle_昔，且TM和ETM中的硫代葡萄糖_lenucle_昔含量较DM有所降低。酚类化合物含量与抗氧化能力呈正相关，其顺序为DE > ETM > TM。

## 一、研究背景与意义

芸薹（Crambe abyssinica）是一种具有 robust 农艺特性的油料作物，能够适应边际土地、需肥量低、耐旱性强且生育期短。该作物籽粒由包裹球形种子的果皮（husk）组成，种子含油率为32-36%。尽管已有大量研究采用不同溶剂（如亚临界丙烷、乙酸甲酯、碳酸二甲酯、乙醇与碳酸二甲酯混合物、二氧化碳与丙烷混合物等）在加压条件下提取芸薹籽油，但关于种壳的资源化利用研究相对匮乏。与此同时，油料加工过程中产生的种壳通常被视为废弃物处理，然而研究表明某些油料作物的种壳中酚类化合物、黄酮类物质和抗氧化剂含量甚至高于种子本身。基于此，研究人员提出科学假设：种壳同样含有可促进其增值的植物化学物质。将种子与种壳综合利用符合生物精炼（biorefinery）原则，能够实现副产品的增值并促进原材料的可持续循环使用。

在提取技术方面，溶剂和提取方法的选择对产率和组成具有决定性影响。乙醇作为一种可再生、来源广泛且相对廉价的溶剂，因其极性特性和高效渗透植物组织的能力，被广泛用于植物油和植物化学物质的提取。当乙醇用于加压介质工艺时，通过调控工艺变量可强化传质过程、促进化合物溶解，从而提高选择性和提取效率。脱脂饼粕（DM）作为油脂提取的副产品，其后续加工可提升商品价值并拓展新的生产策略。亚临界水萃取（SWE）技术利用水在亚临界条件下发生的物理化学性质变化（如介电常数降低、离子积增大），除提取功能外还可引起结构转化和分析物降解，从而获得组成不同的提取物和处理后饼粕，具有广阔的加工前景。

加压液体萃取（PLE）与SWE虽同属加压条件下的绿色技术，但二者在提取机制、溶剂性质和选择性方面存在本质差异：PLE利用加压溶剂改善传质、提高选择性并降低溶剂消耗，主要应用于食品和环境基质中植物化学物质的高效回收；而SWE则利用亚临界条件下水的性质变化，能够提取更广泛极性范围的化合物，特别适用于极性和中等极性活性物质的提取。因此，PLE主要用于选择性地提取脂质和亲脂性化合物，SWE则靶向水溶性组分，二者的序贯应用可实现生物精炼策略下的全组分利用。

本研究首次提出对芸薹种子和种壳进行序贯提取，旨在评估该策略能否实现脂质和非脂质组分的高效选择性回收，从而从芸薹籽粒中获得高附加值产品。该成果发表于《The Journal of Supercritical Fluids》。

## 二、主要技术方法

研究人员采用的技术路线包括：（1）以乙醇为溶剂的加压液体萃取装置，主要包括不锈钢提取釜（20 cm3）、加热元件、等度高压泵、流量控制器、温控器和热交换器；（2）亚临界水萃取实验装置，采用半连续操作模式，配备高压液体泵、压力表和针型阀控制的反应系统；（3）分析检测技术：高效液相色谱法（HPLC-UV，C₁₈色谱柱，280 nm和320 nm检测波长）用于酚类化合物定量；气相色谱质谱联用（GC-MS，配备NIST质谱数据库）用于脂肪酸和微量组分（植物甾醇、生育酚）分析；硫代巴比妥酸反应物（TBARS）法评价脂质氧化程度；热重分析（TGA）结合微商热重（DTG）曲线评价油脂热稳定性；AOAC方法用于蛋白质和膳食纤维含量测定；DPPH•和ABTS•+自由基清除法评价抗氧化能力；以sinigrin为标准的分光光度法测定总硫代葡萄糖_lenucle_昔含量。原料来源：芸薹籽粒由巴西Funda??o MS（Maracaju, Mato Grosso do Sul）提供，种壳和种子经粉碎、风选分离后按1:1质量比混合使用。

## 三、研究结果

### 3.1 油脂提取

研究人员系统考察了温度、粒径和时间对PLE油脂提取效果的影响，并以索氏提取为对照。主要发现如下：操作温度直接影响提取效率，温度从40℃升至80℃时，油脂产率显著提高，这归因于溶剂对脂质化合物溶解能力的增强、溶剂渗透性的改善以及油相黏度的降低；减小粒径（从约0.85 mm至约0.72 mm）使MHS和CS的油脂产率分别提高22.5%和29.5%，原因在于更小颗粒具有更大的比表面积和更短的内部传质路径；延长动态提取时间（60分钟至90分钟）仅对MHS提取产生显著影响（产率提高约37%），而对CS无显著影响，推测种壳的存在形成了额外的传质屏障。在优化条件下（80℃、~0.72 mm、90 min），PLE对MHS的油脂提取效率约为索氏提取法（480 min）的50%，但具有耗时短、溶剂用量少（15 mL/g vs. 25 mL/g）的优势。对比而言，PLE提取CS油脂的效果与文献报道的乙酸甲酯-乙醇混合溶剂索氏提取结果相当。

### 3.2 油脂表征

#### 3.2.1 酚类化合物组成与定量

研究人员从不同实验条件下获得的油脂中鉴定并定量了8种酚类化合物（6种酚酸和2种黄酮）。主要发现包括：主要酚酸为原儿茶酸、奎宁酸和阿魏酸，主要黄酮为山柰酚；温度升高促进酚类化合物溶出（40℃至80℃时总量增加约56%）；含种壳样品中的酚类总量比纯种子样品高约69%-62%，证实种壳是酚类化合物的富集部位；减小粒径虽降低了酚酸提取量，但促进了相对难溶的黄酮类物质提取（MHS中增加18.5%，CS中增加45%）；延长提取时间使MHS油脂中没食子酸、反式肉桂酸和咖啡酸含量显著提升。与索氏提取相比，PLE在相近温度下可获得更多的酚类化合物，推测与索式提取长时间沸腾导致热敏感性酚类降解有关。最终选取第7组（MHS）和第8组（CS）样品用于后续研究。

#### 3.2.2 脂肪酸、微量组分、脂质氧化及热稳定性

两种油脂的脂肪酸组成相似，不饱和脂肪酸约占93%，其中芥酸为主要组分（约57%），其次为油酸（约18%）和亚油酸（约8%），饱和脂肪酸总量约6.3%，棕榈酸占优。关键差异在于微量组分：含种壳的MHS油脂中总植物甾醇和γ-生育酚含量分别提高约22.8%和21%，其中β-谷甾醇增幅最大（约26.5%）。TBARS测定显示MHS油脂的丙二醛（MDA）当量更低（293.40 mg MDA/100 g vs. 493.33 mg MDA/100 g），表明其氧化稳定性更高，这与植物甾醇和生育酚的抗氧化作用直接相关。TGA-DTG分析表明，两种油脂的热降解趋势相似，均经历三个阶段（~200-320℃轻挥发分损失、~330-450℃有机化合物燃烧、≥450℃饱和组分进一步氧化），但MHS油脂因含有更高水平的植物甾醇、γ-生育酚和酚类化合物，表现出更优的热稳定性，起始分解温度更高。

### 3.3 SWE产物的表征

SWE处理得到三种产物：DE（产率28.62±0.49 wt%）、TM（产率66.0±0.07 wt%）和ETM（产率94.8±0.05 wt%）。主要发现如下：

**蛋白质与膳食纤维**：DE的蛋白质含量最高（44.13 g/100g），约为原料DM的1.7倍，归因于亚临界水对细胞壁的破坏作用和蛋白质的水解溶出；TM的膳食纤维含量最高，其中不溶性膳食纤维（IDF）占主导（60.46 g/100g），反映了种壳中木质纤维素结构的保留；ETM呈现中间特性。研究人员提出"组成稀释效应"解释蛋白质与纤维含量的此消彼长关系。

**灰分**：MHS来源DM的灰分高于CS来源，与种壳富集无机物有关；TM和ETM灰分相近，而DE中未检出灰分，这一特性有利于降低氧化反应风险。

**硫代葡萄糖_lenucle_昔**：DM中含量较高（MHS: 4.78 μmol SE/g；CS: 10.58 μmol SE/g），SWE后DE中完全未检出，TM和ETM中显著降低（分别降至2.26和1.22 μmol SE/g）。该含量水平均低于动物饲料安全阈值（≤20 μmol/g干物质，理想值≤2 μmol/g），表明SWE处理有效提升了产品的饲用安全性。

**酚类化合物与抗氧化能力**：DE的酚类总量约为TM的4.8倍、ETM的2.4倍，其中山柰酚、奎宁酸、原儿茶酸和没食子酸为主要组分。抗氧化能力（DPPH•和ABTS•+法）呈现DE > ETM > TM的顺序，与酚类含量直接相关。DE的抗氧化能力（ABTS•+: 171.73 μmol TEAC/g）超过市售植物蛋白补充剂（大豆、大米、豌豆、大麻和南瓜籽来源）的所有报道值，总酚指数也仅次于大豆蛋白，显示出在功能性食品和膳食补充剂领域的应用潜力。

## 四、讨论与结论

本研究开发了一种从芸薹籽粒中序贯回收化合物的加压处理策略，通过PLE和SWE的组合实现了全组分利用。研究证实，将种壳纳入原料不仅不会损害油脂品质，反而通过增加植物甾醇、γ-生育酚和酚类化合物的含量，提升了油脂的功能性和稳定性，为种壳这一农业废弃物的增值利用提供了技术路径。SWE处理有效实现了脱脂饼粕中蛋白质、纤维和功能性组分的分级利用：DE作为高蛋白抗氧化组分、TM作为高纤维低抗营养因子组分、ETM作为兼具两者特性的中间产品，均具有明确的应用指向。

研究结论指出：PLE在80℃、粒径约0.72 mm、90 min条件下可获得最高MHS油脂产率（17.94 wt%），约为索氏提取的50%，且因种壳的存在获得更均衡的植物化学 profile；油脂中植物甾醇和γ-生育酚含量提升19%-26%，关联更低的脂质氧化和更高的热稳定性；SWE产物中DE富集蛋白质和抗氧化物质、TM富集膳食纤维、ETM兼具中间特性，所有产物的硫代葡萄糖_lenucle_昔含量均降至安全水平。未来研究应聚焦于工艺优化和功能性表征，以拓展工业应用前景。