通过新的可持续方法简化可可豆壳的再利用过程

《Separation and Purification Technology》：Simplifying revalorization of cocoa bean shells through new sustainable approaches

提出一种基于超临界CO?和COSMO-RS筛选的2-MeTHF生物炼制策略，从可可豆壳中高效分离脂类、甲基黄嘌呤和酚类化合物，结合CO?膨胀和液液分配实现选择性分离，减少溶剂消耗并生产高纯度组分，适用于食品、化妆品和制药领域。

　　

Felipe Sanchez Bragagnolo|Monique Martins Strieder|Jose A. Mendiola|Lidia Montero|Alejandro Cifuentes|Maurício Ariel Rostagno|María González-Miquel|Elena Ibá?ez

多学科食品与健康实验室（LabMAS），应用科学学院（FCA），坎皮纳斯州立大学，Pedro Zaccaria街1300号，利梅拉，圣保罗，13484-350，巴西

摘要

可可豆壳（CBS）是一种丰富的农业工业副产品，富含脂质、甲基黄嘌呤和酚类化合物。然而，由于传统方法的选择性较低，加上通常需要吸附或膜分离的复杂分馏过程，这些化合物的有效和选择性回收仍然受到限制。本文提出了一种生物精炼策略，结合了超临界二氧化碳（scCO₂）、二氧化碳膨胀的2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）系统以及最终的液-液分馏（LLF）。首先，scCO₂能够快速回收脂质组分，得到富含脂肪酸和甾醇的提取物；随后，通过类似导体的真实溶剂筛选模型（COSMO-RS）确定了2-MeTHF作为同时溶解和分离可可碱和表儿茶素的最佳生物基溶剂，并确保其与水形成双相体系。使用二氧化碳膨胀的饱和水2-MeTHF可以提高传质和扩散效率，从而得到富含甲基黄嘌呤和酚类化合物的提取物。进一步的液-液分馏实现了高度选择性的分离：可可碱主要迁移到水相（85.64%），而表儿茶素几乎完全集中在2-MeTHF富集相中（91.35%）。这种集成策略减少了总体溶剂消耗，并产生了三种高纯度的组分，而不仅仅是单一的粗提物。这种方法为更广泛的应用提供了可能，并最大化了农业残渣在食品、化妆品和制药领域的价值利用。此外，通过Path2Green指标评估了该过程的环保性。结果表明，这是一种多功能且可扩展的平台，可用于更绿色、更高效地利用CBS。

引言

可可豆壳（CBS）是巧克力制造过程中的主要副产品，预计2024/2025年的全球可可豆产量约为460万吨[1]。其中约20%为豆壳，相当于约100万吨的CBS[2]。这种材料通常用于低价值用途，如动物饲料、堆肥或处置。然而，CBS中富含的脂质、甲基黄嘌呤（如可可碱和咖啡因）和酚类化合物（如儿茶素、表儿茶素和原花青素）为其价值化提供了重要机会[3]。这些成分具有抗氧化、抗炎和技术功能特性，使其成为食品、化妆品、营养保健品和制药行业高价值成分的理想原料[3],[4],[5]。CBS的高效和可持续利用符合循环经济原则，也与联合国可持续发展目标（SDGs）一致，特别是那些关注负责任的生产和消费、减少废物以及推动清洁和创新技术发展的目标[6]。这些框架强调了开发更绿色、更高效工艺以将农业残渣转化为有价值产品的重要性。

尽管如此，从CBS中选择性回收有价值的化合物仍然具有挑战性，尤其是在需要特定组分或目标化合物时。可可碱作为CBS中的主要甲基黄嘌呤成分，已被探索用于牙膏等口腔护理产品中，因为它被认为有助于促进牙釉质再矿化[7]。此外，CBS中的酚类化合物也因具有有益的心血管效果而被研究用于营养保健品[8]。

传统的基于溶剂的方法通常依赖有害溶剂，且操作成本较高，限制了其可持续性和可扩展性[9],[10]。下游纯化是一个主要瓶颈，尤其是当CBS提取物含有多种酚类和甲基黄嘌呤时。基于膜和吸附的纯化方法对于浓缩多酚有效，但仍然需要大量溶剂，并且对低分子量化合物（如甲基黄嘌呤）的选择性有限[9],[11],[12]。最近使用大孔树脂的研究仅显示出中等程度的富集效果，强调了多步骤优化的必要性，突显了当前价值化策略中的技术和经济差距[9],[11],[12]。

更环保的提取方法正在逐渐解决这些挑战，特别是基于二氧化碳（CO₂）的技术。CO₂无毒、不可燃、可调节且易于回收，是一种有吸引力的绿色溶剂[13],[14]。其在临界点附近的气体和液体双重性质使其在超临界流体萃取（SFE）中表现出高效性和选择性[15]。此外，CO₂在气体膨胀液体（GXLs）萃取中也具有重要意义，其中液体溶剂通过溶解压缩气体来膨胀[16]。这一过程降低了粘度，提高了扩散性，并调整了相行为，从而提高了溶剂在基质中的传质速率和扩散性[17]。从生物精炼的角度来看，顺序萃取方案越来越多地被用于回收不同的生物质组分，以实现整体价值的最大化。对于基于CO₂的过程，SFE和GXL技术都适用于高压设备，并可设计为顺序或半连续操作。因此，新的生物精炼策略可以实现更好的重复性、减少停机时间并提高工业可行性[18]。

然而，选择能够有效提取CO₂无法提取的化合物的溶剂仍然具有挑战性。如果溶剂用于分馏或纯化过程，它必须具有选择性、可持续性并且与下游工艺兼容[19],[20]。类似导体的真实溶剂筛选模型（COSMO-RS）等预测工具通过使用分子描述符和量子力学计算实现了计算筛选[21]。这种方法符合绿色化学原则，减少了实验筛选次数，降低了试剂、能源和实验室时间的成本，同时促进了可再生和高效替代溶剂的寻找。

虽然已经有多种方法用于CBS的价值化，但尚未有方法结合使用scCO₂萃取、COSMO-RS引导的溶剂选择、基于CO₂的压缩液体萃取以及液-液分馏来选择性回收CBS中的脂质、甲基黄嘌呤和酚类化合物，且仅使用绿色生物基溶剂。本研究提出了一种顺序、可扩展的生物精炼方案，包括：（i）使用scCO₂萃取去除脂质；（ii）使用COSMO-RS筛选的溶剂进行压缩液体和气体膨胀萃取以提取甲基黄嘌呤和酚类；（iii）通过液-液分馏选择性分离甲基黄嘌呤和酚类。这种集成方法旨在提供一个高效、低溶剂消耗的可持续和高选择性的CBS价值化平台。此外，生产多种组分而非单一粗提物，为食品、化妆品和制药行业提供了更广泛的高价值应用可能性。

化学物质和原材料

可可碱（≥98%）、咖啡因（≥98%）、（+）-儿茶素（≥99.0%）、（?）-表儿茶素（≥98%）和原花青素B2（≥97%）的标准品购自Sigma-Aldrich（美国）。HPLC流动相使用的乙腈（CAS编号：75–05-08）和水（HPLC级纯度）购自Honeywell，乙酸（≥99%）购自Labkem（西班牙Vilassar de Dalt）。萃取和分馏过程中使用的2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF，≥99%）和无水乙醇（EtOH，≥99.8%）也来自相应供应商

通过SFE回收CBS中的脂质组分

通过构建SFE过程的动力学曲线，在提出的CCD条件（27.5 MPa、50°C和4 mL·min^?1 CO₂）下开始提取CBS中的脂质组分。动力学曲线展示了萃取过程中常见的三个阶段：i）恒定萃取速率（CER），ii）下降萃取速率（FER）和iii）扩散控制（DC）阶段[27]。在CER阶段，萃取主要受

结论

本研究展示了基于CO₂的顺序生物精炼策略用于CBS选择性价值化的可行性。通过结合scCO₂萃取、二氧化碳膨胀的2-MeTHF萃取和无盐液-液分馏，该方法能够生成富含脂质、甲基黄嘌呤和酚类化合物的组分。这种以组分为导向的策略替代了传统粗提物的生产方式，扩大了其在食品、化妆品等领域的应用潜力。

CRediT作者贡献声明

Felipe Sanchez Bragagnolo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件应用，方法学研究，数据分析，概念化。Monique Martins Strieder：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，方法学研究。Jose A. Mendiola：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，研究，概念化。Lidia Montero：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，数据分析。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿时，作者使用了ChatGPT/OpenAI和Grammarly来提高文档的清晰度和语言质量。使用这些工具后，作者仔细审查并修订了内容，并对最终发表的文章负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢圣保罗研究基金会 - FAPESP（资助编号：2023/12621-1、2022/10469-5、2021/12264-9、2019/13496-0和2018/14582-5）。本研究部分由国家科学技术发展委员会（CNPq）（资助编号：302610/2021-9、402638/2023-9）和巴西高等教育人员培训协调委员会 - CAPES（资助代码001）资助。我们还要感谢技术支持协调办公室