《Process Biochemistry》：Mechanistic insights into microwave-assisted ethyl acetate extraction of natural astaxanthin from
Paracoccus sp. for functional products and cost estimation
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摘要本研究探讨了以乙酸乙酯作为可回收绿色溶剂，通过微波辅助提取技术从胡萝卜色素生成菌中提取富含虾青素的提取物的方法，并结合机理建模与技术经济评估进行分析。实验数据结合计算流体动力学分析表明，微波产生的热梯度与扩散作用共同决定了色素的释放与回收效率。在350–400瓦的功率、固液比
摘要
本研究探讨了以乙酸乙酯作为可回收绿色溶剂，通过微波辅助提取技术从胡萝卜色素生成菌中提取富含虾青素的提取物的方法，并结合机理建模与技术经济评估进行分析。实验数据结合计算流体动力学分析表明，微波产生的热梯度与扩散作用共同决定了色素的释放与回收效率。在350–400瓦的功率、固液比约为1:30的条件下，40分钟内可提取约40毫克/克的虾青素 equivalent，同时还能避免色素的热降解。动力学模型与实验数据的吻合度很高（R2=0.98）。所提取的富含虾青素的提取物被成功应用于润唇膏配方中，该润唇膏呈现出均匀的橙红色且稳定性良好。初步的技术经济评估显示，该工艺具有较高的经济潜力，投资回报率为168%，净现值为6.488亿美元，这为该工艺的工业化应用提供了有力支持。总体而言，这项研究为微生物类胡萝卜素的可持续提取提供了包含工艺优化、机理分析及应用前景的完整框架。
引言
化妆品行业涵盖多种不同的产品配方，其中唇部护理产品，尤其是口红和唇彩，是创新最为活跃的领域之一[1]。随着配方科学的发展以及消费者环保意识的提升，市场上越来越倾向于使用含有生物活性成分的天然、可持续产品。这一趋势与功能性化妆品市场的快速发展相契合，预计到2028年，该市场的规模将从2022年的33亿美元增长至46亿美元，复合年均增长率达5.4%[2]。人们对具有多种功效、能改善肌肤健康的产品的需求不断增加，再加上环保意识的提高，进一步推动了该领域的研究与发展。在这种背景下，具有生物活性的天然色素作为新一代化妆品配方中的多功能成分受到了广泛关注。在这些生物活性化合物中，虾青素因其出色的着色能力和抗氧化性能，以及抗炎、光保护、抗衰老等多种生物功能，而显得尤为突出[3][4][5]。天然虾青素主要来源于雨生红球藻[6][7][8][9]以及胡萝卜色素生成菌[10][11][12]，与合成虾青素相比，它具有更强的抗氧化能力和更好的生物利用度[13]，因此非常适合用于化妆品领域。此外，虾青素还能呈现出从橙色到深红色的强烈色彩，使其成为理想的天然着色剂[14][15]。
然而，天然色素在工业应用中面临的主要挑战之一，就是如何以经济高效且可持续的方式从细胞内获取这些生物分子[16]。在许多微生物中，像虾青素这样的类胡萝卜素是在细胞内部合成并积累的，这就使得它们的提取变得极为困难，因为细胞壁会形成一道坚固的物理屏障，阻碍溶剂的渗透以及色素的释放[6][9][17][18]。因此，需要高效的提取技术来打破细胞壁，释放出细胞内的化合物，同时还要保持这些化合物的结构完整性和生物活性。传统的提取方法，如索氏提取法和浸渍法，往往需要使用苯烷等有毒的挥发性有机化合物，这类物质会给环境和人类健康带来严重威胁[19]。相比之下，乙酸乙酯这类绿色溶剂则更为理想，它是一种可生物降解的溶剂，已被美国食品药品监督管理局批准作为添加剂和GRAS物质使用（21 CFR Parts 170–186），在化妆品配方中被广泛应用。由于其出色的溶解能力和高可回收性，乙酸乙酯被视为替代传统溶剂的理想选择[20]。
为了进一步提升提取效率，人们还研究了多种强化提取过程的技术，包括超临界流体提取法[21][22][23]、超声辅助提取法[24][25][26]以及微波辅助提取法[27][28]。其中，微波辅助提取法因其较高的提取效率、较短的加工时间以及较低的溶剂消耗量而备受关注。尽管有这些优势，但目前对于微波辅助提取法的机理理解仍不够深入，因为提取效果会受到多种因素的影响，包括生物分子的类型、溶剂的极性、微波功率以及生物材料的特性等[29][30]。计算流体动力学作为一种强大的数值工具，能够帮助人们揭示影响微波辅助提取过程的物理和化学机制[27][31]。通过计算流体动力学，可以预测反应器内的电磁场分布和能量吸收情况，从而找出微波加热过程中可能出现的“热点”区域和温度梯度。将计算流体动力学与质量传递和能量传递模型相结合，还可以定量分析溶剂动态、温度变化以及由扩散作用导致的虾青素释放情况[27]。在我们之前的研究中[27]，我们运用计算流体动力学对改良型微波反应器内的电磁场、热量传递以及质量传递现象进行了模拟，旨在从胡萝卜色素生成菌中提取富含虾青素的提取物，该研究有助于深入理解微波辐射与溶剂-细菌生物体系之间的相互作用，明确了介质特性、反应器结构以及搅拌条件对能量吸收和溶质扩散的影响。这些研究成果为本次研究奠定了基础，本次研究不仅着眼于提取效率的提升，还着眼于使用绿色可回收溶剂，同时探索将该技术应用于化妆品配方中的可能性，以及进行技术经济可行性评估。
因此，本研究旨在设计、建模并评估一种可持续的工艺，用于从胡萝卜色素生成菌中提取相关提取物，并将其应用于实际产品中。本研究突破了传统提取优化的局限，将机理建模（动力学分析+计算流体动力学）、基于绿色溶剂的微波辅助提取技术、功能性产品配方设计以及技术经济评估整合到一个统一的框架之中，从而为微波驱动的提取过程提供新的见解，同时也弥补了实验室研究与应用之间存在的差距。本研究共分为三个主要阶段：第一阶段是对微波辅助提取生物过程的提取过程及其机理进行建模，通过动力学参数估算和计算流体动力学模拟，阐明影响提取物释放的热传递和质量传递机制；第二阶段是设计并测试含有上述提取物的天然润唇膏原型，重点考察其颜色均匀性、色彩特性以及配方稳定性；第三阶段是对整个工艺进行技术经济分析，评估其经济可行性，确定主要的成本因素，并建立相关的可持续性指标，为该工艺的工业化应用提供依据。
内容片段
原材料与化学品
革兰氏阴性海洋细菌胡萝卜色素生成菌的冻干细胞由日本东京的ENEOS集团提供。全虾青素标准品则购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。乙酸乙酯（纯度≥99.5%）被用作提取富含虾青素的提取物的绿色生物溶剂。天然蜂蜡（来自智利瓦尔帕莱索的Materias Primas MMPP公司）、初榨椰子油（来自智利圣地亚哥的B. Organics公司）、可可脂（来自智利圣地亚哥的Nativo Natural公司）以及维生素E（来自...
通过动力学建模与计算流体动力学理解提取机理
为了深入理解影响富含虾青素的提取物从生物材料中释放出来的各种因素，我们首先通过实验对提取效率进行了量化分析，并借助动力学建模框架对这些数据进行了解读。同时，我们还运用计算流体动力学模拟，分析了微波辅助提取过程中发生的局部热传递和质量传递现象。通过将动力学参数估算与计算流体动力学分析相结合，我们可以直接了解微波能量沉积如何影响温度分布以及质量传递过程...
结论
本研究证明了使用微波辅助提取技术，以乙酸乙酯作为绿色溶剂，从胡萝卜色素生成菌中提取富含虾青素的提取物是可行的。通过结合动力学建模与计算流体动力学分析，我们了解了影响提取过程的热传递和质量传递机制，这些分析结果为工艺优化提供了有力支持。该提取工艺能够高效地获得目标色素，而且这一成果已经通过一款概念性化妆品配方得到了验证。从技术经济角度来看...
资金支持
本研究得到了ANID/FONDECYT/1250170项目的资助。
作者贡献说明
M. Shaaban Sadek：负责原始稿件撰写、软件应用、方法设计以及实验研究工作。Cristobál N. Alvarado-Holtheuer：负责软件应用及实验研究工作。Angie V. Caicedo-Paz：负责稿件审阅与编辑、原始稿件撰写以及实验研究工作。Mussagy Cassamo：负责稿件审阅与编辑、原始稿件撰写、结果可视化、验证工作，同时还承担监督、软件应用、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、正式分析、数据整理以及概念构思等工作。Diakaridia
Cassamo U. Mussagy|Angie V. Caicedo-Paz|Cristobál N. Alvarado-Holtheuer|M. Shaaban Sadek|Ahmad Mustafa|Diakaridia Sangaré
智利瓦尔帕莱索天主教大学农业科学与食品学院农业工程系，可持续生物工艺开发实验室（Labisost），地址：智利基约塔市2260000，邮编4-D
