基于加压液体萃取的稻壳综合高值化利用：富含酚类提取物的回收、减少5-HMF生成及纤维素质副产物的保留

《Antioxidants》：Integrated Valorization of Rice Husk by Pressurized Liquid Extraction: Phenolic-Rich Extract Recovery, Reduced 5-HMF Formation, and Preservation of a Cellulosic Co-Product

　　

稻壳是水稻加工过程中的副产物，是酚类化合物和纤维素的天然来源。尽管加压液体萃取(PLE)是一种回收抗氧化化合物的有效技术，但将其应用于稻壳时使用水-乙醇混合物，以及对提取后木质纤维素残渣的化学和结构特性的影响仍未被探索。因此，本研究在PLE条件下评估了90–150 °C的水-乙醇混合物(0–60%)。通过回收抗氧化化合物、还原糖的共萃取和5-羟甲基糠醛(5-HMF)的生成，以及对提取后残渣的结构和化学表征对该过程进行了评估。在150 °C下使用60%乙醇获得了最高的总酚含量(3.23 mg GAE/g干重)和抗氧化能力(88.05 μmol TE/g干重)，显著优于仅用水提取。在这些条件下，提取物中的没食子酸、咖啡酸和香草醛浓度增加。乙醇发挥了双重作用，作为抗溶剂减少了糖的共萃取，同时抑制了5-HMF的生成。提取后残渣的扫描电子显微镜(SEM)图像显示，在较高温度和乙醇浓度下细胞壁发生破坏，这与酚类化合物的释放相一致。X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实，在所有提取条件下，天然纤维素I结构和特征官能团均得以保留。该方法通过同时生产富含酚类的提取物和结构保留的纤维素质副产物，支持了稻壳的综合高值化利用。

水稻是全球最重要的主粮作物，但在碾磨过程中会产生大量被视作低附加值且带来环境管理挑战的副产物——稻壳。尽管稻壳是抗氧化多酚化合物和纤维素等聚合物的天然来源，这些生物活性成分在食品和制药领域极具吸引力，但在多酚回收技术的应用中仍存在瓶颈。传统的超临界CO₂萃取等方法面临操作压力高、设备专用化及成本增加的问题。虽然加压液体萃取(PLE，在10 MPa和75–200 °C的亚临界条件下运行以保持溶剂液态并提高萃取效率)是一种更具可行性的替代方案，但当提取温度高于120 °C时，常伴随还原糖等不需要化合物的共萃取，并产生具有细胞毒性和致癌风险的5-羟甲基糠醛(5-HMF，一种糖脱水副产物)。此外，以往对稻壳的亚临界条件研究局限于仅以水作为溶剂，忽略了乙醇在选择性萃取和提高多酚溶解度中的必要性，同时PLE对稻壳提取后剩余木质纤维素基质的结构影响尚未被探索。为了解决上述问题并促进符合循环生物经济原则的废物高值化利用，研究人员开展了相关研究。该论文发表在《Antioxidants》上。

该研究旨在评估一种双阶段可持续稻壳高值化策略。研究人员分析了在90–150 °C高温下，水-乙醇混合物(0–60%)对PLE过程中回收多酚及减少非目标副产物的影响，并对提取后稻壳残渣进行了结构表征。研究表明，在150 °C和60%乙醇条件下，研究人员在获得最高总酚含量(3.23 mg GAE/g干重)和最高抗氧化能力(88.05 μmol TE/g干重)的同时，有效抑制了5-HMF的生成，且保留了残渣中纤维素I的天然结晶结构。该成果不仅实现了高附加值多酚的高效回收，还获得了一个保留了化学与结构特性的纤维素质联产品，对于农业副产物的综合开发利用具有重要指导意义。

研究人员使用的样本队列稻壳(~15 kg)来源于秘鲁阿雷基帕的Linea Verde Soluciones Agropecuarias S.R.L.公司。研究主要采用的关键技术方法包括：在10 MPa条件下使用加压液体萃取(PLE)装置进行亚临界萃取；通过Folin–Ciocalteu法测定总多酚含量(TPC)，并利用DPPH和氧自由基吸收能力(ORAC)分析评估提取物的体外抗氧化能力；使用超高效液相色谱联用 Orbitrap 质谱仪(UHPLC-Orbitrap MS)对目标多酚(没食子酸、咖啡酸、香草醛)及5-HMF进行定量分析；通过配备示差折光检测器的超高效液相色谱 RID G7162A 测定蔗糖、葡萄糖、果糖等还原糖含量；最后利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)对提取后的固体残渣形貌及理化结构进行表征分析。

**抗氧化化合物的回收**
在总多酚含量(TPC)的研究中，结果表明，提高提取温度能显著增强稻壳中TPC的回收。在150 °C下使用60%乙醇时，TPC达到最高值(3.23 mg GAE/g干重)。在抗氧化能力方面，通过ORAC和DPPH分析得出，150 °C和60%乙醇条件下提取物的抗氧化活性最高，其ORAC值达到88.05 μmol TE/g干重，显著优于纯水提取。在与传统固液萃取的对比研究中发现，PLE条件展现出更高的提取效率，其获得的TPC和抗氧化能力均显著高于60%甲醇在26 °C下提取1小时的传统方法。在多酚谱图分析中，研究人员鉴定并定量了咖啡酸、没食子酸和香草醛。研究指出，温度的升高促进了上述三种化合物的回收，而乙醇浓度对回收率的影响具有化合物特异性。在还原糖和5-HMF含量的评估中，数据表明升高温度会导致蔗糖热解为葡萄糖和果糖单聚体，而乙醇的加入则作为反溶剂削弱了氢键相互作用，显著降低了葡萄糖的溶出。同时，高温虽会促进5-HMF的生成，但提高乙醇浓度至60%可使5-HMF浓度大幅下降45.2%，证明了乙醇在抑制糖脱水反应中的双重作用。

**PLE处理后残余生物质的表征**
通过对残余生物质的扫描电子显微镜(SEM)分析，观察到常规提取后稻壳细胞壁保持连续完好，而PLE处理的样品表现出随温度和乙醇浓度升高而加剧的细胞壁破坏。在150 °C和60%乙醇的极端萃取条件下，细胞壁结构发生严重断裂和变形，这解释了酚类化合物的高效释放。X射线衍射(XRD)分析表明，所有PLE处理后的固体残渣均保留了纤维素I(一种天然线性葡萄糖聚合物)的特征结晶衍射峰。仅在150 °C处理后观察到主峰轻微偏移，但整体证明高温高压短时处理未引起木质纤维素网络发生显著结晶相变。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析进一步证实了这一点。光谱结果显示，在所有萃取条件下，保留了纤维素中O-H拉伸振动(3332 cm^-1)及C-H基团(2919–2932 cm^-1)等特征官能团，且木质素特征带及纤维素糖苷键的吸收峰未发生显著偏移或消失。这表明PLE处理仅去除了部分结合多酚，而未破坏残渣中纤维素的大分子骨架结构。

研究结论部分翻译如下：本研究阐明了提取温度和溶剂组成对水-乙醇辅助PLE从稻壳中回收特定酚类化合物的影响，同时评估了还原糖的萃取和5-HMF的生成。在评估的最高条件(即150 °C和60%乙醇)下，获得了最高的总酚含量(3.23 mg GAE/g干重)和抗氧化能力(88.05 μmol TE/g干重)。这种持续增加的趋势表明，更剧烈的条件可能会进一步提高多酚的回收率，但该假设需要验证，因为酚类化合物可能发生降解。此外，咖啡酸、没食子酸和香草醛等特定酚类化合物的含量随温度升高而逐渐增加。使用高浓度乙醇通过抑制5-HMF的生成和降低还原糖含量改善了提取物的品质。SEM图像显示，在PLE处理中，较高温度及乙醇存在会导致细胞壁结构逐渐破碎，从而促进酚类化合物的释放。XRD分析证实了纤维素I结晶结构得以保留，而FTIR分析通过显示纤维素特征官能团的保留证实了这一点。这些发现支持了稻壳的综合高值化策略，能够同时回收富含多酚化合物的提取物和保留结构特征的富含纤维素的联产品。这些保留的特征表明了残余固体部分作为纤维素质联产品进一步高值化的潜力；然而，还需要进行包括热稳定性、组成分析和粒度在内的额外表征，以确认其在特定应用中的适用性。