《Journal of Food Composition and Analysis》：Green Extraction of Lycopene and Volatile Compounds from
Solanum Lycopersicum (Tomato) Peel and Products
本研究的主要目的是采用亚临界乙醇提取（subcritical ethanol extraction）对番茄果皮和商业番茄产品中的番茄红素（lycopene）及挥发性成分进行定量测定。研究人员采用Box-Behnken响应面法（Box-Behnken Response Surface Methodology, BBD）评估提取过程的关键操作参数。当前研究的优先目标是确定番茄红素的提取效率；此外，研究人员还通过光谱和色谱分析进一步评估了提取物的抗氧化活性（antioxidant activity, AOX）和总挥发性成分。使用AGREE分析绿色度度量软件（Analytical Greenness Metric, AGREE）评估所提出提取过程的绿色度。这些发现证明了所提出方法在文献中从番茄果皮中获得最高提取产量（6.51 mg g?1）的效率。该研究强调了先进提取技术在将农业原料或废弃物转化为高附加值产品中的重要性，从而推动绿色循环经济的发展。
**论文解读：基于亚临界乙醇绿色提取的番茄果皮中番茄红素及挥发性化合物研究**
**1. 研究背景与问题**
番茄红素（lycopene）是一种天然类胡萝卜素（carotenoid），具有强抗氧化活性，其抗氧化能力在600多种天然类胡萝卜素中最为显著。番茄红素通过清除自由基保护生物大分子免受氧化损伤，并具有抗致畸、抗癌及降胆固醇等生理功能。然而，番茄加工过程中产生的果皮、果渣和种子等废弃物占全球食物废弃物的30%（约13亿吨），其中番茄果皮中番茄红素含量是果肉的5倍，但通常被丢弃。此外，番茄的香气和风味由超过400种挥发性化合物（volatile compounds）决定，包括醛类、酮类、酯类等，但传统提取方法常依赖有毒有机溶剂（如己烷、丙酮），不符合绿色化学原则。因此，开发一种环境友好、高效提取番茄红素和挥发性化合物的方法，并评估其绿色度，对于实现农业废弃物资源化利用和推动绿色循环经济具有重要意义。
**2. 研究内容与结论**
本研究旨在通过亚临界乙醇提取（subcritical ethanol extraction, SEE）技术，从番茄果皮及商业番茄产品中同时提取番茄红素和挥发性化合物，并采用Box-Behnken响应面法（Box-Behnken Response Surface Methodology, BBD）优化提取参数（样品质量、提取温度、提取时间），以最大化番茄红素产量和抗氧化活性（antioxidant activity, AOX）。研究结论如下：
- 最佳提取条件下（5.0 g样品、140°C、30 min），番茄果皮中番茄红素产量达6.51 mg g
?1（以湿重计），为文献报道最高值。
- 提取温度（B）和样品质量（A）对番茄红素产量有显著影响（p < 0.05），而提取时间（C）不显著；交互项AB（质量-温度）和BC（温度-时间）显著影响产量。
- 抗氧化活性受样品质量线性影响显著（p < 0.0001），温度和时间影响不显著，最佳抗氧化活性达91.6%。
- 商业番茄产品中，番茄泥（TS7）和番茄酱（TS1）的番茄红素含量最高（分别为3.852 mg g
?1和2.066 mg g
?1）。
- 挥发性化合物分析鉴定出51种化合物，主要成分为1-乙酸酯-1,2,3-丙三醇和2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮。
- 绿色度评估（AGREE软件）得分为0.7（满分为1），表明该过程符合绿色化学原则。
该研究发表在《Journal of Food Composition and Analysis》。
**3. 主要关键技术方法**
- **亚临界乙醇提取**：以95%乙醇（v/v）为提取溶剂，在密闭微波反应器（Mars 6微波加速反应系统）中加热至亚临界状态（140°C），利用微波能量仅加热提取介质，无需额外能源。
- **Box-Behnken响应面法**：使用Design-Expert?软件（版本22.0.3）设计17次实验（含5个中心点），优化三个因素（样品质量1–5 g、温度110–170°C、时间10–30 min）对番茄红素产量和抗氧化活性的影响。
- **高效液相色谱（HPLC-DAD）**：采用C18色谱柱（250 mm × 4.60 mm × 5 μm），以甲醇-乙腈（90:10）等度洗脱，流速0.8 mL min
?1，检测波长470 nm，测定番茄红素浓度。
- **气相色谱-质谱联用（GC-MS）**：使用非极性BPX5色谱柱（30 m × 0.32 mm i.d. × 0.25 μm膜厚），以氦气为载气，程序升温（50°C保持1 min，随后8°C min
?1升至250°C保持1 min），鉴定挥发性化合物。
- **DPPH自由基清除实验**：以1×10
?4 M甲醇DPPH溶液与样品提取物反应30 min，于515 nm测定吸光度，计算抗氧化活性百分比。
- **AGREE绿色度评估**：基于12项绿色分析化学（Green Analytical Chemistry, GAC）原则，通过AGREE计算器（Pena-Pereira et al., 2020）评估提取方法的绿色度，结果以0–1评分和彩色饼图表示。
样本来源：番茄果皮和商业产品（番茄酱、番茄泥、切碎番茄等）购自英国哈特菲尔德当地超市，同批次以减少生物学变异。
**4. 研究结果**
**4.1 实验设计与优化**
通过Box-Behnken设计评估样品质量（A）、提取温度（B）和提取时间（C）对番茄红素产量和抗氧化活性的影响。17次实验中，第12次（5.0 g样品、140°C、30 min）获得最高番茄红素产量（6.51 mg g
?1），第15次（1.0 g样品、170°C、10 min）获得最高抗氧化活性（91.6%）。番茄红素产量与抗氧化活性之间无直接相关性，可能因抗氧化分子的结构差异及植物化学物之间的相互作用。二次模型方差分析（ANOVA）显示，番茄红素模型显著（F = 39.46, p < 0.0001, R2 = 0.9595），调整R2（0.9352）与预测R2（0.8023）一致，表明模型具有良好的预测能力；抗氧化活性模型显著（F = 12.52, p < 0.001, R2 = 0.807）。
**4.2 操作参数的影响**
- **温度与质量对番茄红素产量的交互作用**：在固定提取时间20 min下，温度升高（110–170°C）显著增加番茄红素产量，尤其在高温区（160–170°C），而样品质量增加（1–5 g）也促进产量，但效果弱于温度。交互项AB（质量-温度）显著，表明高温下增加样品质量可协同提升产量。
- **温度与时间对番茄红素产量的交互作用**：温度-时间交互项（BC）显著，表明在固定质量下，延长提取时间仅在中等温度（约140°C）时提高产量，过高或过低温度下时间效应不明显。
- **温度与质量对抗氧化活性的影响**：在固定时间20 min下，抗氧化活性随温度升高先增后减，最佳温度约140°C；样品质量显示出显著二次效应，活性随质量增加至约5–7 g后下降，可能因过量固体阻碍传质。
**4.3 番茄果皮和商业产品中番茄红素含量**
在最优条件（3.0 g样品、140°C、20 min）下，番茄果皮提取物的平均番茄红素浓度为2.94 mg g
?1（湿重），变异系数3%，范围1.12–4.77 mg g
?1。与文献方法比较，本研究的亚临界乙醇提取获得最高产量（6.51 mg g
?1）。商业产品中，番茄泥（TS7）和番茄酱（TS1）含量最高（分别为3.852和2.066 mg g
?1），接近文献报道的高水平，表明外部添加番茄红素作为食品添加剂的可能性。
**4.4 挥发性分析**
GC-MS分析鉴定出51种挥发性化合物，主要成分为1-乙酸酯-1,2,3-丙三醇、2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮和苯乙醛（benzeneacetaldehyde）。第6次实验（1.0 g样品、140°C、20 min）的总挥发性含量最高（0.44%），其中苯乙醛是重要的风味分子。
**4.5 抗氧化活性**
DPPH实验显示，番茄果皮提取物的抗氧化活性范围为53.3%–91.6%，表明显著的抗氧化能力。该变异性归因于果皮基质的组成异质性和提取条件差异。结果与文献（Nin?evi? Grassino et al., 2020; Conti et al., 2022）一致，证实番茄果皮比果肉富含更多生物活性成分。
**4.6 绿色度评估**
AGREE评估得分为0.7，表明该亚临界乙醇提取方法环境友好。具体指标：样品处理步骤少（原则1），样品量仅3.0 g（原则2），离线测量（原则3），步骤最小化（原则4），半自动化（原则5），无衍生化（原则6），废物为样品和40 mL 95%乙醇（原则7），单次分析12种分析物，通量36 h
?1（原则8），应用微波辅助萃取（原则9），乙醇可来自生物基（原则10），无需有毒溶剂（原则11），乙醇易燃（原则12）。与传统有机溶剂提取相比，亚临界乙醇提取避免了有毒溶剂，符合绿色化学原则。
**5. 讨论与结论**
**讨论总结**：研究证实了亚临界乙醇提取在番茄红素回收中的高效性，并强调操作参数优化对维持生物活性化合物完整性的重要性。番茄果皮作为低成本废弃物，富含番茄红素和抗氧化物质，具有增值潜力。商业产品中番茄红素含量差异较大，提示可通过标准化提取和添加番茄红素改善产品功能特性。绿色度评估支持该方法的可持续性，推广应用需进一步结合替代溶剂和减少环境影响以迈向循环经济。
**研究结论翻译**：本研究成功优化了使用亚临界乙醇从番茄果皮中提取番茄红素的过程，确定了提取温度和样品质量等关键操作参数，这些参数显著影响番茄红素产量和抗氧化活性。Box-Behnken设计方法为评估这些因素提供了稳健框架，展示了高预测精度和模型显著性。结果表明，最优提取条件可实现番茄红素的中等回收率，突出了番茄果皮作为生物活性化合物重要来源的潜力。此外，提取技术环境友好性的评估强调了其符合绿色化学原则，倡导在未来过程中采用该方法。本研究展示了亚临界乙醇绿色提取从番茄果皮和商业番茄产品中回收番茄红素的有效性。据研究人员所知，这是首次研究亚临界乙醇提取番茄果皮中番茄红素的工作。发现强调了优化操作参数以获得最大提取产量同时保持生物活性化合物完整性的重要性。在最优条件下，番茄果皮提取物的最高番茄红素值达6.51 mg g
?1，高于文献值。使用AGREE度量工具软件评估番茄红素提取过程的绿色度，结果显示亚临界提取过程得分为0.7。当前发现影响了番茄产品/废弃物的价值组成，通过建立与食品应用直接相关的环境友好型提取方法，为番茄产品/废弃物的可持续增值做出了贡献。总体而言，结果强调了利用番茄果皮废弃物的重要性，不仅可增强产品的营养特性，还可促进提取方法的可持续性。
作者：F. Ayca Ozdemir Olgun, Mustafa Zafer ?zel
（伊斯坦布尔健康与技术大学，工程与自然科学学院，化学工程系，34275, Beyo?lu – ?stanbul, Türkiye）
