《Antioxidants》：Optimization of Phenolic Compounds Recovery from Pistachio Hull Using Accelerated Solvent Extraction
Ana I. Paniagua-García,
Lucía Gómez-González,
Silvia González-Rojo and
Rebeca Díez-Antolínez
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开心果果壳是开心果产业中产生量最大的副产物，其含有高水平的酚类化合物，这些化合物具有抗氧化特性和促进健康的潜力。然而，开心果果壳在采收过程中会大量积聚，可能导致环境污染。本研究旨在利用响应面法优化从开心果果壳中通过常规溶剂萃取和加速溶剂萃取回收酚类化合物的操作
开心果果壳是开心果产业中产生量最大的副产物，其含有高水平的酚类化合物，这些化合物具有抗氧化特性和促进健康的潜力。然而，开心果果壳在采收过程中会大量积聚，可能导致环境污染。本研究旨在利用响应面法优化从开心果果壳中通过常规溶剂萃取和加速溶剂萃取回收酚类化合物的操作条件，并对两种萃取技术在最优条件下获得的提取物进行比较。加速溶剂萃取在特定条件下获得了最高的酚类化合物回收率和自由基清除活性。在提取物的单个酚类化合物分析中，没食子酸是主要成分。本研究首次证明，通过使用环境友好的溶剂进行加速溶剂萃取，可以使开心果果壳增值，获得高酚类化合物含量的提取物，从而减少废弃物并促进生物经济发展。
一、 研究背景
开心果是一种高价值作物，其加工过程中会产生大量副产物，其中开心果果壳占主导地位。若不妥善处理，大量积聚的果壳会造成环境污染和废弃物管理难题。同时，果壳含水量高，易受微生物污染和发酵，可能导致作物品质下降。然而，研究显示，开心果果壳富含酚类化合物，如黄酮类和单宁，具有抗氧化、抗炎、抗突变、细胞保护和抗菌等多种生物活性。因此，将其作为高附加值生物活性化合物的来源进行回收利用，具有重要的经济和环保意义。
常规溶剂萃取是提取植物酚类化合物的常用工业方法，但其存在溶剂用量大、提取时间长、效率较低等局限性。相比之下，加速溶剂萃取作为一种高效、可持续且环境友好的萃取方法，能够在高温高压下使用较少溶剂，提高提取率、重现性和提取物质量，并可能实现工艺放大。然而，其设备成本高，且萃取变量需要严格优化。此前，虽有研究利用多种技术（如超声辅助萃取、微波辅助萃取）从开心果副产物中提取酚类化合物，但尚未有研究报道使用加速溶剂萃取技术从开心果果壳中提取生物活性化合物。
二、 研究目的与意义
本研究旨在评估加速溶剂萃取从开心果果壳中提取酚类化合物的效率。具体目标是利用响应面法优化常规溶剂萃取和加速溶剂萃取的参数，以最大化酚类化合物的总回收率。在验证最优条件后，比较两种萃取技术和不同溶剂的提取效果，分析最优提取物的酚类组成及其抗氧化活性。本研究首次报道了使用加速溶剂萃取从开心果果壳中提取酚类化合物，为提升从该副产物中工业化提取酚类化合物的工艺奠定了基础，有助于实现废弃物资源化，促进生物经济发展。相关研究成果发表在《Antioxidants》期刊上。
三、 关键技术方法概述
研究使用由Alternativas Agroforestales ESLA S.L.公司提供的开心果果壳样本。关键技术方法包括：1. 萃取工艺：分别进行常规溶剂萃取（磁力搅拌）和加速溶剂萃取。2. 工艺优化：采用中心复合可旋转设计，结合响应面法，以总酚含量为响应值，优化各萃取工艺（常规溶剂萃取和加速溶剂萃取）在不同溶剂（水、乙醇-水混合液）下的操作变量（如温度、时间、乙醇浓度）。3. 提取物分析：测定提取物的总酚含量、总黄酮含量、总单宁含量、水解单宁含量、原花青素含量，并使用高效液相色谱-二极管阵列检测器分析12种单体酚类化合物。4. 抗氧化活性评估：采用铁离子还原抗氧化力法和DPPH自由基清除活性法评估提取物的抗氧化能力。5. 统计分析：使用Minitab软件进行响应面法分析和模型验证，并使用ANOVA和Tukey HSD检验进行组间差异比较。
四、 研究结果
3.1. 常规溶剂萃取条件的优化与模型验证
研究人员通过响应面法优化了常规溶剂萃取的参数。对于水提，温度对酚类回收率的影响显著，而搅拌时间不显著。最优条件为95 °C、30分钟，预测酚类回收率为7.49 g GAE/100 g DM，实验验证值为7.06 ± 0.03 g GAE/100 g DM。对于乙醇-水混合溶剂提，乙醇浓度的影响显著且为正效应。最优条件为80 °C、30分钟、42% (v/v)乙醇，预测酚类回收率为8.82 g GAE/100 g DM，实验验证值为8.16 ± 0.10 g GAE/100 g DM。结果表明，与纯溶剂相比，乙醇和水比例相当的混合溶剂能提高常规溶剂萃取的酚类回收率。
3.2. 加速溶剂萃取条件的优化与模型验证
同样采用响应面法优化了加速溶剂萃取的参数。对于水提，提取时间和温度均有显著正效应。最优条件为180 °C、15分钟，预测酚类回收率为8.69 g GAE/100 g DM，实验验证值为8.98 ± 0.11 g GAE/100 g DM。对于乙醇-水混合溶剂提，虽然模型中各变量的线性或二次效应及其交互作用均不显著，但温度显示出相对更大的积极影响。最优条件为180 °C、15分钟、23% (v/v)乙醇，预测酚类回收率为9.65 g GAE/100 g DM，实验验证值为9.92 ± 0.09 g GAE/100 g DM。加速溶剂萃取在最优条件下获得的酚类回收率显著高于常规溶剂萃取。这归因于高于溶剂沸点的温度和高压增强了提取动力学和得率。使用乙醇-水混合溶剂进行加速溶剂萃取获得了最高的酚类回收率。
3.3. 最优开心果果壳提取物的成分与抗氧化活性
3.3.1. 化学成分
使用乙醇-水混合溶剂的加速溶剂萃取获得了最高的总酚含量、总黄酮含量、总单宁含量、原花青素含量和水解单宁含量。在常规溶剂萃取中，使用混合溶剂比纯水获得了更高的总酚含量、总单宁含量和水解单宁含量，但总黄酮含量和原花青素含量的回收率与水提相当。在所有最优提取物中，没食子酸是主要的单体酚类化合物，占提取物总酚含量的35.7–48.1%。其次是3,4-二羟基苯甲酸、4-羟基苯甲酸和2,5-二羟基苯甲酸。香兰素仅在乙醇-水混合溶剂提取物中被检测到。而3-羟基苯甲酸、香草酸、咖啡酸、丁香酸、对香豆酸、丁香醛和阿魏酸在所有最优提取物中均未检出。
3.3.2. 抗氧化活性
加速溶剂萃取制备的提取物显示出最高的铁离子还原抗氧化力值。在DPPH自由基清除活性测试中，所有提取物的清除活性均呈浓度依赖性增加，其值可与抗坏血酸和儿茶素等参考抗氧化剂相媲美。使用乙醇-水混合溶剂的加速溶剂萃取提取物获得了最高的RSAmax值和最低的IC50值，表现出最强的自由基清除能力。提取物的抗氧化活性与其总酚含量呈正相关。
五、 讨论与结论
研究人员在讨论中指出，加速溶剂萃取的高提取效率得益于高温高压条件。虽然加速溶剂萃取设备成本较高，但其溶剂用量少、提取时间短、热效率高，且最优条件下所需乙醇浓度较低，从运营成本角度看可能具有优势。然而，将该工艺放大到工业规模的可行性和经济性仍需进一步研究。开心果果壳提取物，特别是通过加速溶剂萃取获得的提取物，因其高酚类含量和强抗氧化活性，有望作为天然抗氧化剂添加剂应用于食品、饲料、化妆品和营养保健品行业，从而实现该农业副产物的高值化利用，减少废弃物并促进循环生物经济发展。
本研究结论表明，首次证明加速溶剂萃取能有效提高使用环保溶剂从开心果果壳中提取酚类化合物的得率。通过响应面法结合中心复合可旋转设计优化加速溶剂萃取和常规溶剂萃取条件被证明是有效的实验设计与工艺优化方法。计算得到的最优条件为：加速溶剂萃取使用23%乙醇水溶液、180 °C、15分钟；常规溶剂萃取使用42%乙醇水溶液、80 °C、30分钟。实验值与模型预测值吻合良好。加速溶剂萃取工艺在酚类化合物提取方面比常规溶剂萃取更有效，获得了显著更高的酚类回收率。此外，加速溶剂萃取使用的乙醇浓度更低、时间更短，使其成为从开心果果壳中回收生物活性化合物的有前景的替代方案。在分析的十二种酚类化合物中，没食子酸是主要成分，其次是3,4-二羟基苯甲酸、4-羟基苯甲酸和2,5-二羟基苯甲酸。本研究结果表明开心果果壳是酚类化合物的良好来源，具有高抗氧化特性。加速溶剂萃取作为一种有前景且环境友好的方法，可用于从开心果果壳等农业食品加工副产物中回收生物活性化合物。这些发现可促进开心果果壳提取物在相关产业中的应用。然而，仍需进一步研究评估该工艺的可扩展性和经济可行性，并确定其活性化合物在工业产品中的生物活性作用。
