综述：从褐藻中提取生物活性化合物的新兴方法：性能、准备就绪程度和可持续性的综合综述

《Separation and Purification Technology》：Emerging methods to extract bioactive compounds from brown algae: a comprehensive review of performance, readiness, and sustainability

　　

褐藻（Phaeophyceae）是生物活性化合物的重要来源，在许多领域具有广阔的应用前景。然而，传统的提取方法通常资源密集型、溶剂需求量大且对环境造成负担，在选择性和过程效率方面存在局限性。本综述考察了2014年至2025年间关于褐藻新兴提取方法的研究，包括脉冲电场辅助提取（PEF-AE）、加压液体提取（PLE）、微波辅助提取（MAE）、超声辅助提取（UAE）、亚临界水提取（SWE）、超临界二氧化碳提取（SCCO₂）、酶辅助提取（EAE）和天然深共晶溶剂（NADES）。本综述的一个核心贡献是实施了一个定制的评估工具，用于评估这些提取平台的技术就绪水平（TRL）和社会就绪水平（SRL）。研究人员从提取性能、技术优势、局限性及其经济和环境影响方面对这些方法进行了严格评估。最后，讨论了未来的研究方向，以优化这些方法、克服当前挑战并充分实现褐藻来源生物活性化合物的工业潜力。

**2. 褐藻中的生物活性化合物**
褐藻产生多种生物活性物质，在制药、营养保健品和工业生物技术中具有应用前景。硫酸化多糖如褐藻糖胶（fucoidan）具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤和抗凝血特性。昆布多糖（laminarin）是一种储存多糖，具有抗肥胖、益生元、抗氧化和抗癌功效；而海藻酸盐（alginates）以其胶凝和稳定性能著称，同时也充当益生元和免疫调节剂。褐藻多酚（phlorotannins）有助于其防御机制和抗逆性，同时具有强效的抗糖尿病、抗氧化和抗炎活性。酚酸和类黄酮进一步增强了其药用潜力。此外，类胡萝卜素岩藻黄质（fucoxanthin）因其抗氧化、抗肥胖和抗癌特性而突出。褐藻也是多不饱和脂肪酸的重要来源，特别是二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid），支持心血管和大脑健康。此外，植物甾醇褐藻甾醇（fucosterol）具有降低胆固醇、抗炎和抗癌功效。这些代谢物的结构和功能多样性反映了褐藻对严酷海洋环境的适应，并扩大了生物技术和治疗创新的机会。除了这些化合物，褐藻还含有产生具有抗高血压和抗癌活性的生物活性肽的蛋白质，以及多种维生素（A、B族、C、D、E）和矿物质（钙、碘、铁、镁）。这些微量营养素的浓度通常超过陆生植物，使褐藻成为功能性食品和膳食补充剂的优质来源。

**3. 传统提取方法**
传统提取方法可追溯到早期用于从天然材料中回收生物活性物质的浸渍（maceration）、浸剂（infusion）和煎煮（decoction）实践。蒸馏后来由中世纪炼金术士改进，19世纪有机化学引入了定义明确的溶剂和标准化方案，索氏提取器（Soxhlet apparatus）提高了脂质和其他有机物的重现性。对于褐藻生物活性物质，这些传统方法仍然常见。然而，传统方法面临着持续的可持续性和性能权衡。它们通常需要大量溶剂（有时是危险的），增加了回收和处置负担。此外，长时间提取和高温可能降解热不稳定化合物并增加大规模能源需求。其有限的选择性进一步增加了共提取和下游纯化需求。因此，人们越来越多地寻求更绿色的提取平台，以减少有害溶剂使用和能源强度，同时提高生物活性回收的产量、选择性和可扩展性。

**4. 褐藻化合物提取的新兴方法**
从早期炼金术蒸馏到现代溶剂提取，分离生物活性化合物的过程随着科学技术的进步而演变。然而，许多在效率、选择性和纯度方面的收获取决于有机溶剂和能源密集型操作，引发了可持续性担忧。随着对传统方法环境影响的认识加深，提取科学正在转向一个优先考虑绿色技术而不牺牲性能的新时代。如今，绿色化学和过程工程的融合正在推动可持续提取的范式转变，效率和环境责任不再是对立的力量，而是互补的目标。因此，一系列新兴方法——包括PEF-AE、PLE、MAE、UAE、SWE、SCCO₂、EAE和NADES——已被开发出来。这些方法利用绿色化学的进步来提高提取产量、缩短处理时间并减少环境影响，与全球可持续发展倡议保持一致。

**4.1. 物理方法**
**4.1.1. 脉冲电场辅助提取（PEF-AE）**
PEF-AE是一种非热提取方法，通过施加高压电脉冲诱导电穿孔，在细胞膜上产生暂时或永久性孔洞，从而加速细胞内化合物向周围溶剂的扩散。PEF-AE的效率取决于电场强度、脉冲持续时间、溶剂组成和基质特性。PEF-AE在提取热敏化合物方面具有优势，因为它与传统热方法相比显著减少了热降解。其主要机制电穿孔增强了质量传递，无需高温。此外，它还具有更快的提取时间、更少的溶剂使用和良好的能源效率。近期研究表明PEF-AE从褐藻中提取多酚、碳水化合物和色素具有潜力，并增强了抗氧化特性。然而，PEF-AE并非在所有系统中都能持续提供相同的提取效益，其性能对基质电导率、离子强度、腔室配置和电场分布高度敏感。此外，电极腐蚀可能导致金属物种释放到处理介质中。在大型藻类加工中，一个关键的未解决的放大障碍是批式实验室协议向连续工业操作的有限转移。

**4.1.2. 加压液体提取（PLE）**
PLE也称为加速溶剂提取，利用升高的温度和压力（35-200 bar）增强从固体或半固体基质中提取化合物。通过将溶剂保持在液态并高于其典型沸点，PLE提高了溶解度、扩散和质量传递速率。该方法能高效回收多酚、脂肪酸和多糖，同时相比传统延长加热的方法可能减少热降解。在褐藻中，PLE因其高效率、短处理时间、对极性和非极性化合物的广泛适用性以及减少溶剂使用而特别有吸引力。然而，PLE的益处并不总是能保留在产品层面，更高的提取强度可能促进非目标化合物的共提取，降低选择性并增加下游纯化负担。此外，PLE并不总是比传统提取更优越，并且其优化通常是目标特定的，而非广泛可转移的。中试规模证据表明，更大的PLE系统可能遭受不均匀加热、管柱堵塞、热交换器结垢以及高能耗等问题。

**4.1.3. 微波辅助提取（MAE）**
MAE通过使用微波能量加热溶剂和样品来加速提取。微波诱导极性分子振荡，产生局部加热，破坏细胞结构，增强溶剂渗透并促进化合物释放。MAE结合了快速加热和相对较低的溶剂需求，通常优于浸渍或索氏提取等传统技术。在褐藻中，MAE在提取酚类化合物、褐藻多酚和岩藻黄质方面表现出潜力。然而，MAE的优势并非普遍存在，其性能受加热均匀性和能量传递的显著影响。非均匀加热和局部过热可能限制MAE的效果，尤其是对于热敏化合物。放大引入了一个额外挑战，名义微波功率不能直接跨系统或反应器尺寸转移，使得过程标准化复杂化。

**4.1.4. 超声辅助提取（UAE）**
UAE（或声处理）利用高频声波（20-100 kHz）在溶剂中产生空化气泡。气泡的爆裂产生局部高温高压，可破坏细胞壁和膜，促进细胞内化合物释放到溶剂中。在褐藻中，UAE特别有吸引力，因为它有助于克服与富含海藻酸盐的细胞壁结构相关的质量传递限制。声空化可以破坏钙-海藻酸盐水凝胶的“蛋盒”连接区，减少弹性模量，并缩短扩散路径。近期研究表明UAE提高了多酚、岩藻糖、糖醛酸、岩藻黄质和海藻酸盐的回收率。然而，UAE的实际实施受限于空化相关的设备磨损、污染风险以及长时间或强化处理下的操作性问题。此外，超声可以诱导聚合物解聚，当需要保持聚合物完整性以保留粘度、胶凝行为或生物活性时，这可能成为缺点。放大面临声场固有非均匀性和强烈依赖反应器几何形状的挑战。

**4.2. 热方法**
**4.2.1. 亚临界水提取（SWE）**
SWE使用温度在100-374 °C之间且处于高压以保持液态的水。其效率源于水在高温下性质的变化：随着温度升高，水的介电常数降低，极性减小，使其行为更像有机溶剂，从而扩大其溶解能力。多项研究展示了SWE从褐藻中提取岩藻黄质、褐藻多酚、褐藻糖胶等价值化合物的潜力。然而，SWE的一个主要局限是它并非纯粹的提取过程，而是一个化学反应过程。在亚临界水条件下，美拉德反应、焦糖化和热氧化途径可能产生新生成的抗氧化物质，因此测得的抗氧化能力增加不一定代表天然生物活性物质的回收率提高。这种热反应性还可能促进不良降解产物的形成，如5-羟甲基糠醛。在放大过程中，化学反应程度不仅受名义提取条件影响，还受加热曲线和停留时间影响，这更难跨反应器尺寸重现。

**4.3. 超临界流体方法**
**4.3.1. 超临界二氧化碳提取（SCCO₂）**
SCCO₂利用CO₂在超临界状态（温度高于31.1 °C，压力高于73.8 bar）下的独特性质，结合了气体样扩散性和液体样密度，能够快速渗透固体并有效溶剂化目标化合物。SCCO₂的溶解能力可通过压力和温度精细调节，允许选择性回收不同化合物类别。在褐藻中，SCCO₂与共溶剂（如乙醇）结合使用，已成功提取岩藻黄质、酚类和脂质。然而，SCCO₂的一个反复出现的限制是超临界CO₂与许多目标化合物之间的极性不匹配，因为CO₂本质上是非极性的。除非添加共溶剂，否则其回收极性抗氧化剂（如褐藻多酚）的能力固有受限。此外，填充床中的热非均匀性和减压引起的回收问题也是已报道的过程限制。放大引入了额外复杂性，因为即使应用明确的放大规则，中试规模SCCO₂性能仍可能偏离实验室预测。

**4.4. 生化方法**
**4.4.1. 酶辅助提取（EAE）**
EAE通过使用酶降解细胞壁和膜来增强细胞内化合物的释放。其效率取决于酶类型、酶用量、pH值、温度、反应时间和底物组成。在褐藻中，EAE特别相关，因为酶处理可以通过松弛富含海藻酸盐的细胞壁网络来降低基质阻力，从而提高孔隙率和扩散。靶向EAE系统利用海藻酸裂解酶（alginate lyases），经常与纤维素酶协同作用，降解细胞壁基质。近期研究强调了EAE在提高褐藻提取物产量和生物活性方面的有效性。然而，EAE在褐藻系统中通常操作脆弱且难以标准化，因为其性能取决于酶与基质的相容性和狭窄的过程窗口。酶选择和使用条件可以改变产量和共提取。产品复杂性进一步因共提取的基质成分和提取引起的组成变化而复杂化。在较大规模下，主要障碍通常由过程工程主导，而非酶化学本身，包括高稀释度需求、长反应时间以及酶抑制和稳定性问题。

**4.5. 溶剂基方法**
**4.5.1. 天然深共晶溶剂（NADES）**
深共晶溶剂（DES）是由氢键受体和氢键供体组合形成的环保溶剂，产生熔点低于各组分的共晶混合物，通常在室温下保持液态。NADES是DES的一个子集，由天然化合物如糖、有机酸、多元醇和氨基酸组成，具有高生物相容性。NADES易于制备，显示低挥发性、毒性和可燃性，以及高热稳定性和可调物理化学性质。近期研究表明NADES从褐藻中提取褐藻多酚和岩藻黄质的潜力。然而，NADES面临若干实际限制。一个持续的技术限制是其较高的粘度，抑制扩散并使提取效率强烈依赖于温度、混合和特别是水含量。另一个主要限制是下游纯化和溶剂再生。由于NADES通常表现出可忽略的蒸气压，蒸发基溶剂去除不切实际。产品回收通常依赖非蒸发方法，如加水稀释、液液分配或吸附树脂捕获，这些操作可能增加二次溶剂和水消耗，以及过程复杂性。此外，NADES并非统一表现出低毒性，其细胞毒性强烈依赖于溶剂组成和组分比例。

**5. 技术就绪水平（TRL）和社会就绪水平（SRL）**
技术就绪水平（TRL）是NASA开发的系统框架，用于评估技术在其开发生命周期中的成熟度，从TRL 1到TRL 9。社会就绪水平（SRL）框架由丹麦创新基金引入，评估技术对社会采用的准备程度，考虑用户接受度、公众接受度和社会影响。本综述引入了提取特定的评分标准，将既定的NASA TRL量表和创新基金丹麦SRL框架操作化，用于评估提取技术。TRL和SRL得分根据可用技术证据和社会市场证据分配，使用预定标准。评估是定性和基于标准的，得分以范围而非固定点值表达。尽管直接工业部署仍然有限，但来自类似应用（如从其他植物或海洋基质中提取生物活性物质）的证据也被考虑。分析表明，PEF-AE可评为TRL 7-8和SRL 6-7；PLE为TRL 7-8和SRL 6-7；MAE为TRL 7-8和SRL 7-8；UAE为TRL 7-8和SRL 7-8；SWE为TRL 7-8和SRL 7-8；SCCO₂为TRL 8-9和SRL 8-9；EAE为TRL 7-8和SRL 7-8；NADES为TRL 3-4和SRL 4-5。

**6. 环境与经济评估**
可持续性担忧正在推动采用减少能源消耗、溶剂危害和废物同时维持或提高过程效率的提取方法。新兴方法基于绿色化学原则，可以促进经济盈利、最小化环境影响并支持联合国可持续发展目标。然而，大规模部署需要明确的成本效益、可扩展性和盈利能力证据。比较分析表明，PEF-AE、UAE、EAE和许多NADES基系统倾向于减少对传统有机溶剂的依赖，可在相对温和的条件下运行，而MAE、SWE和SCCO₂通常需要更高的瞬时能量或更专业的设备，但可能通过更短的处理时间、更高的选择性或改进的产品质量来补偿。然而，报告的环境和经济结果在同一提取平台上差异很大，这反映了研究设计的差异，包括系统边界、功能单元、过程规模、原料组成、当地电力组合以及溶剂回收和热集成假设。因此，任何提取方法的环境或经济表现应解释为配置依赖性，而非平台本身的固定固有属性。PEF-AE在葡萄渣中显示出积极的经济和环保效益；PLE在提取效率、溶剂减少和过程可控性之间提供了良好平衡，但环境和经济高度敏感于溶剂选择和操作强度；MAE通常具有成本效益和资源效率，但放大时热均匀性成为关键挑战；UAE经常减少能耗、提取时间和温室气体排放，但依赖于有效空化；SWE的可持续性强烈依赖于热回收；SCCO₂对非极性高价值提取物具有商业吸引力，但环境证据取决于反事实和建模假设；EAE在温和条件下运行，但酶成本可能主导运营支出，环境影响可能转移到上游酶制造；NADES的经济和环境变异性高度依赖于溶剂配方和回收策略。总之，没有单一提取技术是普遍优越的，可持续性和盈利性更多地取决于过程集成、产品价值、边界定义和区域能源背景。

**7. 结论与未来方向**
关于褐藻生物活性物质新兴提取平台的文献迅速扩展，近期工作主要集中在提高产量、缩短提取时间和减少溶剂使用。然而，关键挑战不再是提取是否可行，而是是否能够选择性地、可重复地、经济地在与产品规格一致的大规模下进行。提取平台的价值最好通过其与稳健下游纯化、稳定操作和现实过程集成的兼容性来判断。出现了三个优先研究需求：首先，必须加强褐藻特定验证；其次，未来优化必须更加关注下游负担；第三，报告和基准测试必须更加标准化和决策相关。最可信的前进路径不是寻找单一普遍优越的提取技术，而是开发集成的、验证驱动的过程设计。新兴平台最有效时可能是将其优点最可辩护地应用，包括作为更广泛过程流程中的强化步骤，而非在所有情况下作为替代方案。未来进展将取决于将技术优化与可行性证据相结合，包括技术经济和环境评估，以及通过监管兼容性、利益相关者接受度以及产品安全性和规格一致性的验证，更早和更明确地考虑社会就绪水平。