综述：机械辅助提取技术在天然产物及工业产品中的最新发展与应用

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Recent developments and applications of mechanically assisted extraction in natural and industrial products

　　摘要
机械辅助提取是一种新颖、高效且环境友好的提取技术，在绿色化学领域的工业应用和研究方面具有巨大潜力。本综述系统总结了机械辅助提取的研究进展及最新趋势，包括机械化学提取、机械辅助非晶态分散提取、机械生物辅助提取以及机械包埋提取。因此，机械辅助提取已成为相关领域研究的重要焦点。本研究全面探讨了多种辅助剂（如碱性辅助剂、固体酸、深共晶溶剂、离子液体和酶等）在通过机械辅助提取从天然产物和工业产品中分离目标成分中的应用，分析了影响机械辅助提取效率的参数及其应用前景。最后，本文阐述了机械辅助提取的可能作用机制、环保性以及未来研究方向，为开发新型化学辅助剂提供了新的理论框架，并拓展了该技术在天然产物和工业产品提取中的应用范围。

引言
绿色提取作为一种低污染、高效率的环境友好型工艺，已成为生物医学、食品加工以及天然产物开发等领域的研究重点[1]。相比之下，传统提取方法（如索氏提取[2]、固液提取[3]和液液提取[4]）往往需要较长的处理时间，过度依赖挥发性有机溶剂（如石油醚和氯仿），溶剂消耗量大，且易导致活性成分降解。因此，开发生态友好型的目标产物提取方法对于降低工业对环境的负面影响至关重要。亚临界水提取[5]、超声辅助提取[6]、微波辅助提取[7]以及机械辅助提取都已得到广泛应用，其中机械辅助提取更是当前的研究热点。理想的绿色提取溶剂应具有较低的环境影响，同时还要确保人体安全。机械辅助提取凭借其机械驱动的工作原理具有显著的环境优势，因为机械力可大幅减少有害有机溶剂的使用，而且大多数基于机械辅助提取的方法均可以水作为提取溶剂。为了更准确地评估各种提取方法的环境性能，研究人员通常会使用专用软件（如Analytical Green Star Area[8]、Analytical GREenness Metric Approach (AGREE)[9]以及Graphical Layout Tool for Analytical Chemistry Evaluation[10]）来对绿色提取过程进行评价。目前，AGREE是最广泛使用的绿色评估工具之一，得分越接近1表示整体评价越高，而深绿色则代表更高的环保性。先前的研究表明，机械辅助提取主要使用环保型溶剂，有望成为传统提取方法的可行替代方案。

机械辅助提取利用粉碎或挤压等机械力破坏植物组织，从而促进目标物质的释放[11]。该方法简单、成本低廉，适合大规模应用，常用于从天然产物中提取活性成分。根据其作用机制的不同，机械辅助提取可分为四类：机械化学提取、机械辅助非晶态分散提取、机械生物辅助提取以及机械包埋提取。虽然这四种方法都主要依靠研磨力和剪切力作为机械输入，但它们所导致的材料性质变化在本质上存在差异。机械化学提取利用机械能促进目标成分与辅助试剂之间的化学相互作用（主要是酸碱中和和络合反应）[12]。机械辅助非晶态分散提取通过改变材料的物理形态来打破晶体结构，从而显著提高溶解速率并提升原材料的利用率[13]。机械生物辅助提取则借助酶的生物催化作用，通过机械力破碎和松开细胞壁中的纤维素和果胶等结构元素[14]，从而增加酶分子与底物（如细胞壁中的多糖和蛋白质）的接触面积，加速酶促反应并促进活性成分的释放。机械包埋提取则利用环糊精和聚乙二醇聚合物等具有空腔结构的载体[15]，通过机械作用，利用范德华力和疏水相互作用将客体分子（如挥发性调味剂、脂溶性维生素或热敏感药物成分）包裹在这些空腔中，形成稳定的包埋复合物。机械包埋提取为保护敏感成分提供了一种创新方法。总之，上述每种技术都有各自的优点，其选择取决于目标成分、原料特性以及所需的提取效率。

多年来，人们对机械提取方法进行了大量研究，尤其关注机械化学提取技术。众多研究已证实机械辅助提取作为一种先进的预处理方法具有显著效果。据我们所知，迄今为止已有三篇综述文章涉及机械化学提取技术。例如，Wu等人总结了机械化学提取的应用、潜在作用机制及相关关键参数[16]，他们的研究还对比了机械化学提取与其他提取方法的优势。Fan等人的综述则总结了机械化学提取的进展，探讨了其作用机制、关键影响因素及设备类型，同时分析了机械化学提取相对于其他提取技术的优缺点，以及其在从天然来源获取食品、营养品和健康产品方面的应用，特别强调了样品制备在质量控制和生理或生物活性评估中的作用[17]。Wu等人则研究了机械化学技术在处理含锂的硬岩矿物（如锂辉石和锂云母）中的应用，并探讨了机械化学提取的底层机制[18]。

当机械辅助提取用于天然产物时，机械力主要破坏植物细胞壁的结构完整性，从而释放出黄酮类、生物碱和多糖等生物活性物质。此时，提取率是主要的评价指标。而当机械辅助提取用于金属矿物、废旧电池和飞灰等工业原料时，机械力则会打破晶体结构中的长程有序性，从而增加浸出剂在矿物结构中的渗透深度，此时金属浸出效率则是主要的评价指标。尽管天然产物与工业产品在基质、目标成分及后续处理流程上存在显著差异，但机械力仍能破坏这两类材料的固体基质。机械力可减小颗粒尺寸，增加比表面积，从而使辅助剂更快更彻底地与目标成分接触。将机械辅助提取技术应用于工业产品和天然产物领域，对于促进跨学科知识与技术的交流与互补具有重要意义。例如，可以将工业金属回收中的络合反应应用于从含有金属的天然产物中提取目标成分，或者将天然产物提取中的低温研磨策略应用于对温度敏感的工业材料。然而，现有的综述大多仅聚焦于从单一原料中提取锂，或仅讨论机械化学提取技术，或缺乏对辅助剂的全面概述。因此，本研究旨在全面总结用于从天然产物和工业产品中提取目标成分的机械辅助提取技术，包括机械化学提取、机械辅助非晶态分散提取、机械生物辅助提取和机械包埋提取，同时探讨了在机械辅助提取过程中使用新型材料作为辅助剂的进展。本研究还总结了酚类、生物碱、萜类、金属及金属氧化物以及其他生物活性成分（如蛋白质、氨基酸和多糖）等关键成分。该综述整合了四类机械辅助提取方法、多种化学辅助剂以及关键的提取参数，总结了机械辅助提取在天然产物和工业产品中的应用，从而填补了现有研究的空白。最后，本文还探讨了机械辅助提取的可能作用机制、环保性以及未来的发展前景。

章节节选
机械辅助提取
为更全面地分析机械辅助提取技术，我们根据其背后的提取机制将其分为四类：机械化学提取、机械辅助非晶态分散提取、机械生物辅助提取和机械包埋提取。机械化学提取利用机械力促进目标成分与辅助剂之间的化学反应（如酸碱中和和络合反应），从而将难溶成分转化为可溶形式。机械辅助非晶态分散提取则通过机械力破坏晶体结构并形成非晶态结构，从而提高目标成分的溶解度。

机械辅助提取中的化学辅助剂
化学辅助剂在机械辅助提取中起着重要作用。其作用在于将机械化学处理与化学辅助剂结合，作为提取前的预处理手段。常用的辅助剂可以与目标成分发生化学反应，改善材料的表面性质，或帮助激活目标成分，从而促进其溶解和提取。这类辅助剂包括多种类型，如碱性化合物、固体酸、深共晶溶剂以及离子液体等。

提取条件及其影响
在机械辅助提取应用中，需要控制并调整某些工艺参数以满足不同的提取需求。不过，提取率并非提取过程的唯一目标，还需考虑清洁度、环保性和可持续性等因素。对现有关于机械辅助提取应用的研究进行回顾后发现，大多数报道的工艺参数可归为五类：浓度、温度、时间、压力以及辅助剂类型等。

机械辅助提取在天然产物和工业产品中的应用
以下部分介绍了机械辅助提取在天然产物和工业产品中的最新应用情况。表3列出了从天然产物和工业产品中提取目标成分的常用方法。

颗粒尺寸的减小
颗粒尺寸是影响目标成分提取效率的重要因素之一。扫描电子显微镜是一种广泛应用于材料表征的技术，可通过直接观察样品在机械和化学处理后的微观形态变化，从而帮助揭示其背后的提取机制。Zhu等人[82]和Zhu等人[85]通过扫描电子显微镜研究发现，随着研磨时间的增加，所得粉末的颗粒尺寸显著减小。

机械辅助提取的绿色性评估
机械辅助提取是一种环保的替代传统提取方法的技术，它以水作为提取溶剂，而传统提取方法则多使用有机溶剂[34]、[52]。有研究表明，采用机械辅助提取工艺得到的橙皮苷平均产量比超细研磨法高出10.2%[28]。与高压液相萃取和超细研磨法相比，以水为溶剂的机械辅助化学萃取法不仅获得了更高的橙皮苷产量，还降低了提取时间和能源成本。在另一项研究中，与……相比，机械辅助化学萃取法表现出更优的效果。

结论与未来展望
本研究全面总结了机械辅助提取技术，包括机械化学提取、机械辅助非晶态分散提取、机械生物辅助提取和机械包埋提取。尤其详细介绍了化学辅助剂（如碱性化合物、固体酸、深共晶溶剂和离子液体）在机械辅助提取过程中的应用，同时系统分析了影响机械辅助提取效率的关键条件。研究表明，机械辅助提取能够从天然产物和工业产品中提取酚类、生物碱、萜类、金属及金属氧化物等目标成分。此外，……

作者贡献声明
牛世奇：撰写——初稿、软件应用、方法设计、实验研究。范凯阳：实验研究、定量分析。张益新：实验研究、数据整理。曹军：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、方法设计、概念构建。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

利益冲突声明
?作者声明不存在可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：无。

致谢
本研究得到了中国浙江省自然科学基金的资助，项目编号为LY23H280012。

牛世奇|范凯阳|张益新|曹军
杭州师范大学材料化学与化工学院，中国杭州311121