柚木叶农业废弃物高值化利用：干燥技术与生产规模对提取物质量的影响

《ACS Omega》：Valorization of Teak Leaf Agricultural Waste: Impact of Drying Technique and Production Scale on Extract Quality

　　

本研究考察了干燥技术与生产规模如何共同决定来源于丰富农业副产物的柚木叶提取物的质量、结构与功能特性。在实验室尺度和中试尺度下分别采用冷冻干燥（FD）与喷雾干燥（SD），并对所得提取物的理化性质、生物活性成分组成、抗氧化活性、粉体流动性以及热学行为进行了评价。在两种叶龄条件下，FD均能保留更高的总酚含量和总黄酮含量，并获得较SD来源提取物更高的抗氧化活性〔DPPH IC₅₀：20–25 μg/mL；SD来源提取物DPPH IC₅₀：30–43 μg/mL〕；同时，所有样品整体上均表现出较强的自由基清除能力〔DPPH IC₅₀：19.93–42.61 μg/mL〕，这凸显了柚木叶提取物本征较高的抗氧化潜力。热分析显示，FD提取物形成了结晶性更高且能量学稳定性更强的基质，而SD则形成以无定形结构为主、热干燥度更优的产物。在实验室尺度下，SD粉末具有较低含水率、良好流动性以及均一球形形貌，而FD粉末呈现多孔、不规则结构，并与流动性下降相关。值得注意的是，中试规模加工改变了热稳定性与酚类保留水平，尤其在幼叶提取物中更为明显，表明实验室尺度下的干燥行为不能直接外推至更大规模生产。这些结果表明，干燥技术与生产规模共同影响柚木叶提取物的结构—性质关系。研究结果支持依据配方需求对FD与SD提取物进行定向应用，并凸显柚木叶作为食品、化妆品和药物应用中天然抗氧化剂与天然着色剂可持续来源的潜力。

该文发表于《ACS Omega》，围绕柚木叶这一林业与农业副产物的高值化利用展开系统研究，重点解析干燥方式与生产规模对提取物品质的耦合影响。研究背景在于，农业废弃物和副产物长期存在资源化不足、处置不当等问题，易导致土壤退化、水体与空气污染、生物多样性下降及温室气体排放增加，因此将其转化为高附加值产品符合循环经济与绿色化学理念。柚木（Tectona grandis L. f.）是热带重要经济树种，种植与养护过程中会产生大量落叶，这些叶片往往被低估利用，甚至在旱季或焚烧处理中成为空气污染和火灾风险来源。既往研究已表明，柚木叶富含黄酮类、单宁类、蒽醌类及花青素等植物化学成分，具有较好的抗氧化与天然色素应用潜力，但相关研究主要停留在实验室尺度，多聚焦于提取溶剂和提取技术，尚缺乏对干燥技术与放大生产协同效应的系统评价。基于这一不足，研究人员比较了冷冻干燥（FD）与喷雾干燥（SD）在实验室尺度和中试尺度中的应用表现，以建立柚木叶提取物从工艺到结构、再到功能的关联规律，为其在食品、化妆品和医药领域中的可持续开发提供依据。

在技术路线方面，研究人员采集泰国Phichit省柚木幼叶与成熟叶，采用50%乙醇煎煮提取，并分别在实验室尺度与中试尺度完成提取和干燥制粉。随后通过颜色测定、总黄酮含量（TFC）、总酚含量（TPC）、DPPH与ABTS自由基清除实验、含水率测定、安息角评价、扫描电子显微镜（SEM，扫描电子显微镜）以及差示扫描量热法（DSC，差示扫描量热法）进行表征；此外，还对FD样品进行了液相色谱-质谱（LC–MS，液相色谱-质谱）分析，用于识别放大过程中关键多酚/黄酮成分的变化。样本来源明确为泰国Phichit省采集的柚木叶，包含幼叶与成熟叶两个叶龄组。

在“3.1 The Effect of Production Scale, Drying Method and Leaf Maturity on the Extraction Yield and Color Appearance of Teak Leaf Extracts”部分，研究首先比较了产率与外观颜色。结果显示，无论在实验室还是中试尺度，FD提取物的得率均高于SD，提示FD在保留可提取且热敏性成分方面更具优势。实验室尺度下，幼叶FD得率为22.90%，略高于SD的21.35%；成熟叶FD为17.53%，明显高于SD的13.09%。中试尺度下也呈现相同趋势。值得注意的是，中试SD得率较实验室SD显著下降，约为9%，研究人员指出其原因与实际操作中进风温度升高至190 °C有关，这可能导致热敏成分热软化并黏附于干燥室和旋风分离器壁面；此外，提取物中低分子糖和酚类物质可能降低玻璃化转变温度（Tg），从而加剧高温条件下的黏壁现象。颜色方面，实验室尺度幼叶FD和SD提取物均呈红褐色，成熟叶则偏棕色，其中SD粉末L^*与b^*值较高，表现为颜色更浅、更黄，提示喷雾干燥过程中存在部分色素降解。中试尺度下，成熟叶SD样品仍表现出较浅、较黄颜色，而幼叶FD与SD提取物均明显加深至近黑色，说明放大提取过程加剧了色素降解。

在“3.2 The Effect of Production Scale, Drying Method and Leaf Maturity on the Total Flavonoid Content (TFC), Total Phenolic Content (TPC), and Antioxidant Activity of Teak Leaf Extracts”部分，研究表明干燥方式和叶龄显著影响生物活性成分及抗氧化能力。总体而言，FD在所有条件下均保留了更高的TFC与TPC，并对应更低的IC₅₀值，显示更强抗氧化活性。实验室尺度中，幼叶FD样品TPC最高，达103.81 mg GAE/g extract，且DPPH IC₅₀最低，为19.93 μg/mL；相较之下，SD虽然得率接近，但TPC仅为83.46 mg GAE/g extract，说明喷雾干燥不仅影响回收率，也更易造成酚类热降解与氧化损失。全部提取物的DPPH IC₅₀范围为19.93–42.61 μg/mL，均表现出强抗氧化活性。中试尺度中，FD得率与实验室尺度相近，但TFC和TPC整体提高，提示放大后提取效率增强。研究人员将这一现象归因于50 L三层玻璃反应器中更优的流体动力学条件、径向流与连续搅拌所带来的传质和传热强化。然而，强化的热质传递也可能加剧热敏酚性色素的降解，尤其在幼叶中最为明显：幼叶TPC在中试尺度显著下降至FD的69.41 ± 1.59 mg GAE/g和SD的62.91 ± 0.96 mg GAE/g，并伴随颜色变深及抗氧化活性减弱。LC–MS分析进一步显示，中试FD样品中epigallocatechin 3-caffeate、delphinidin 3-O-diglucoside和afzelechin三种主要酚类/黄酮类成分信号强度降低，这与TPC下降和DPPH、ABTS IC₅₀升高相一致，提示这些化合物可作为放大过程中质量变化的敏感标志物。叶龄方面，幼叶总体表现为TPC较高而TFC较低，成熟叶则TFC较高但抗氧化能力相对较弱，说明幼叶中占优势的酚类成分对自由基清除贡献更大。

在“3.3 The Effect of Production Scale, Drying Method and Leaf Maturity on the Moisture Content and Flowing Ability of Teak Leaf Extracts”部分，研究重点分析粉体含水率与流动性。实验室尺度下，FD和SD制得的粉末含水率均较低，范围为3.08%–4.25%，符合稳定粉末制品通常低于5%的要求。SD粉末含水率略低，反映出高进风温度促进快速脱水的特点。中试尺度下，FD粉末残余水分升高至约6%–6.5%，SD则为4.3%–5%，同时流动性下降。研究人员认为，这与放大后回收了更多吸湿性成分有关，尤其是此前已在柚木叶中发现的黄酮糖苷，其多个羟基可通过氢键增强持水性并提高粉体内聚性。叶龄差异方面，成熟叶粉末在两种干燥方式下的含水率均略高于幼叶。安息角结果显示，实验室尺度SD粉末安息角低于35°，流动性良好，而FD粉末流动性波动更大，成熟叶FD样品即便含水率低于5%，仍显示较差流动表现，提示流动性不仅受含水率影响，也与颗粒结构密切相关。SEM结果进一步证实，FD粉末呈现多孔、不规则、片层状且粒径较大的结构，系冰升华形成开放网络所致；SD粉末则主要为小型球形或拟球形颗粒，表面带褶皱或凹陷，符合快速蒸发和外壳形成机制。研究据此指出，FD粉末更利于复水和活性成分可及性，而SD粉末更利于堆积、流动和工业操作。

在“3.4 The Effect of Production Scale, Drying Method and Leaf Maturity on the Thermal Stability of Teak Leaf Extracts”部分，研究利用DSC评估热稳定性与固态结构。实验室尺度下，FD粉末表现出更尖锐且更强的吸热峰，说明其结构均一性更高、结晶性更强。例如，成熟叶FD样品焓变（ΔH）为?122.84 J/g，高于SD的?106.36 J/g，表明FD形成了分子相互作用更强、固态基质更有序的结构。相比之下，SD粉末的峰形较宽、ΔH较低，提示其更偏无定形结构，这与快速蒸发和热应力有关。中试尺度下，FD和SD样品的DSC峰整体变宽，且ΔH降至?54至?89 J/g，说明热稳定性下降、固态结构有序度减弱。研究人员认为，大规模提取中更强的热传递可能导致敏感酚类部分降解，从而形成结晶程度更低、破坏所需能量更小的基质。尤其是中试FD样品ΔH低于中试SD样品，表明其固态结构更具异质性、能量学稳定性减弱。文中还从工业角度比较了能耗，指出处理中试15 L批次时，FD约需708 kWh，并耗时108 h；而SD约需360 kWh、处理时间约20 h，说明FD虽更有利于活性保持，但SD在通量和批次能效方面更具优势。

综合全文讨论，研究人员明确指出，干燥方法是决定柚木叶提取物质量的首要因素，生产规模则进一步调节其热稳定性、酚类保留与粉体性能。FD有利于提高提取率、保留酚类和黄酮类活性成分，并维持较强抗氧化活性，同时生成较有序、较稳定的固态基质；但其粉末含水率较高、流动性较差，尤其在中试尺度更加明显。SD则可获得更低残余水分、较均一球形颗粒和更佳流动性，适合大规模粉体制造和操作，但代价是部分热敏性成分保留不足，且固态结构更偏无定形。叶龄同样决定提取物组成特征：幼叶富含酚类并具有更强抗氧化能力，成熟叶则黄酮含量更高。研究意义在于，该工作深化了植物提取物干燥过程中“工艺—结构—性质”关系的理解，证明柚木叶这一林业和农业废弃物可被开发为可持续的天然着色剂和天然抗氧化剂来源，并可依据不同应用场景进行定向选择：若侧重活性保留与功能性，FD更具优势；若强调粉体可加工性、流动性与规模化生产，SD更具适用性。

研究结论部分可译为：本研究阐明了干燥技术与生产规模如何共同塑造柚木叶提取物的理化性质、结构特征与功能表现，从而使这一丰富的农业副产物得以高值化为高附加值生物资源。所采用的干燥方法是决定提取物质量的主要因素；冷冻干燥（FD）与喷雾干燥（SD）生成的粉末具有不同的固态结构和性质，这些差异直接反映了干燥诱导的微观结构、持水特性与分子组织状态变化。FD有利于获得更高提取率、更优的酚类与黄酮类化合物保留，以及更强的抗氧化活性。DSC分析进一步证实，FD形成了更有序且能量学更稳定的基质，表明在温和低温干燥条件下分子完整性得到更好维持。干燥技术的选择同样决定粉体功能特性。SD生成的粉末具有更低残余含水率、球形颗粒形貌和更佳流动性，这些性质有利于大规模制造和粉体处理，但其ΔH较低，说明热暴露导致分子有序性部分降低并形成更偏无定形结构。在中试尺度下，实验室尺度观察到的两种干燥方法的总体趋势得以保留，显示出方法学上的稳健性；但SD过程中的得率损失也凸显出植物化学成分对热的敏感性，以及放大过程中精细工艺优化的重要性。总体而言，研究结果揭示了两种干燥技术的互补优势：FD支持生物活性成分保留和抗氧化功能维持，而SD则在粉体加工性和规模化方面表现更优。该研究推进了对植物提取物干燥中结构—性质—工艺关系的认识，并证明由林业和农业废弃物高值化获得的柚木叶提取物适合作为食品、化妆品和医药应用中的可持续天然着色剂与抗氧化剂，从而支持环境责任导向的生产策略。