《Industrial Crops and Products》：Essential oil production technologies: A systematic review of circular economy strategies and sustainability performance
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精油生产正日益从单一输出提取转向循环生物炼制设计。微波辅助蒸馏和混合蒸馏方法通常能提高提取效率和产品质量。可持续性主张仍受限于稀缺的环境与技术经济评估。纯露（Hydrosol）利用、废水回用和残渣增值是可信循环策略的核心。集成多输出工艺设计为实现可持续精油生产
精油生产正日益从单一输出提取转向循环生物炼制设计。微波辅助蒸馏和混合蒸馏方法通常能提高提取效率和产品质量。可持续性主张仍受限于稀缺的环境与技术经济评估。纯露（Hydrosol）利用、废水回用和残渣增值是可信循环策略的核心。集成多输出工艺设计为实现可持续精油生产提供了最强路径。
本文主体部分系统综述了精油生产技术的循环经济策略与可持续性表现，内容涵盖引言、方法、结果、讨论和结论。以下按小标题总结。
1. 引言
引言指出精油在食品、香精、个人护理、制药和农业价值链中具有重要商业地位，但生产系统通常物质效率较低，宝贵挥发性组分仅占加工生物质的一小部分。传统的水蒸馏（hydrodistillation）和蒸汽蒸馏（steam distillation）虽然稳健且溶剂用量少，但存在操作时间长、热需求大以及水溶胶（hydrosol）、废水和废弃芳香残渣等共流未充分利用等问题。当前绿色提取文献将精油加工视为过程强化和循环经济转型的典型案例。真正的循环配置必须减少可避免投入、保持产品质量、为二次流创造生产性用途，并衡量环境、经济和操作维度之间的权衡。然而现有文献中，强化初级提取与下游残渣增值两方面的研究很少在共同的可持续性绩效框架内综合。近期研究表明，混合或数字优化蒸馏可提高产率、缩短时间，例如柠檬草智能蒸馏实现了产量和质量的同步提升。微波辅助、超声-微波混合等系统也显示出生产力优势，但产率最大化本身并不等同于可持续性，因为部分强化路线将影响转移到上游电力、设备或溶剂制备，或未处理水溶胶、废水及固体残渣。水蒸馏正在被重新设计，例如改良冷凝器、无溶剂微波变体、集成预处理等。关于次级流增值的研究表明，水溶胶、固体蒸馏残渣和工艺水往往具有残留价值。然而，循环经济评估方法尚不成熟，性能定义、测量和比较存在不一致，多数论文报告组成和提取产率，但较少报告碳足迹、能量强度、最低销售价格、回收期或溶剂回收负担。本综述区别于以往文献之处在于：明确区分设备级过程强化与系统级循环性；综合整个精油生物炼制（包括精油、水溶胶、废水、固体残渣和次级生物质流）；使用过程效率、绿色化学、循环资源利用、环境绩效和技术经济考虑等多个互补维度严格解释可持续性证据；并扩展到工业可扩展性、技术就绪水平（Technology Readiness Level, TRL）、数字化机会和未来研究优先事项。
2. 方法
2.1 综述设计与报告方法
本综述采用PRISMA 2020指导的系统综述设计，属于定性证据综合。审查由四个研究问题引导，并将报告结果映射到四个非等效证据域：过程效率证据、绿色化学证据、循环性证据和可持续性评估证据。
2.2 合格标准
纳入标准包括：同行评审期刊文章、英文、2021年1月至2026年5月发表、聚焦植物基精油生产技术，并报告至少一项与过程效率、绿色化学、循环性或可持续性相关的结果。排除会议论文、社论、学位论文、专利、纯分析化学论文以及无可持续性解释的研究。
2.3 信息来源与检索策略
文献检索于2026年5月1日进行，覆盖Scopus、Web of Science、ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library、MDPI、ACS Publications、Nature Portfolio等数据库，并通过引文追踪补充。核心布尔字符串结合了精油提取技术术语与循环、生物炼制、残渣、水溶胶、生命周期评估等可持续相关术语。
2.4 研究选择过程
去重后筛选244条记录，标题和摘要筛选排除176篇，66篇进行全文评估，排除26篇，最终纳入40项研究。
2.5 数据提取
提取每项研究的文献信息、原料、提取路径、比较技术、循环经济策略和报告的可持续性结果。循环策略包括过程强化、溶剂最小化、副产品同步回收、水溶胶或废水利用、固体残渣增值、修剪残渣用作原料，以及通过生命周期和技术经济分析进行系统级优化。
2.6 质量评估
每项研究按五个标准评估：过程描述清晰度、是否有有意义比较基准、是否量化超越产量的可持续性结果、产品质量表征充分性、以及共产品或残余流循环资源管理相关性。报告明确环境或经济结果的研究被归为高置信度证据；仅量化时间或公用事业节省但缺乏完整环境或经济评估的为中等置信度；主要集中于产量、组成或蒸馏后潜力而无正式负担或成本评估的为低置信度。
2.7 综合方法
采用叙述综合与描述性聚合。纳入研究分为六个技术族：智能控制/数字优化、微波辅助蒸馏、超声辅助或混合水蒸馏、绿色溶剂或同步共提取、替代热或酶促途径，以及副产品/残渣增值途径。跨研究综合聚焦提取效率、产品质量、环境负担和循环资源利用四个绩效域。由于原料、单位和终点的异质性，无法进行汇总效应量估计，结果采用描述性报告。
3. 结果
3.1 研究选择
最终纳入40项研究。最大缩减发生在标题和摘要筛选阶段。全文排除主要由于概念错位，而非出版类型，许多论文仍仅关注产量优化，而未将过程与循环经济策略或环境绩效关联。
3.2 纳入研究特征
证据基础涵盖叶片、种子、果皮、油胶树脂、草本、花朵和蒸馏后残渣。多数研究处于实验室规模，少数涉及中试或过程系统分析。表4按研究逐一综合，显示这些研究来自不同植物科属。图3显示按技术族划分，副产品与残渣增值是最大类别（11项），其次是微波辅助蒸馏（10项），绿色溶剂或同步共提取（7项），其余12项属于超声辅助或混合水蒸馏、替代热或酶促途径、智能控制/数字优化。
3.3 质量评估与报告模式
质量评估产生两极分化的证据基础：15项高置信度，10项中等置信度，15项低置信度。高置信度证据集中在结合提取比较与环境、经济或多输出系统分析的研究。报告模式显示，40项研究中38项报告了产品质量或化学组成，30项报告了提取产率，但仅14项报告了明确的环境指标，仅4项报告了明确的经济结果。这表明循环语言日益常见，但完整的可持续性核算相对稀少。
3.4 技术族与可持续性绩效
3.4.1 微波辅助蒸馏
微波辅助蒸馏是主要提取方法之一。与传统水蒸馏相比，微波处理通常可缩短提取时间、破坏植物组织、增强挥发性化合物释放。部分研究将微波蒸馏与预处理步骤结合，如酶解后微波水蒸馏提高苍术精油回收率，超声预处理耦合微波水蒸馏改善迷迭香和白千层属提取性能。数字赋能的柠檬草智能蒸馏系统使产量提高24%、质量提高10%，同时过程时间和资源消耗减少一半以上。其他研究显示微波路线还会改变回收挥发物谱和次级流性质，表明提取强化改变整个级联过程。
3.4.2 超声辅助和混合水蒸馏
超声预处理通过空化作用增强传质。在百里香中，超声和微波预处理结合使提取时间缩短72%，精油含量增加23%，百里香酚比例从43.54%提高到65.94%。柠檬香蜂草中，专有超声-微波混合Clevenger装置最大精油产率为0.21%，比对照系统高约75%。丁香提取中，超声辅助水蒸馏实现15.23%精油产率，同时碳足迹减少25%、公用事业消耗减少42%。柑橘副产品研究显示超声可直接应用于加工残渣，将过程强化与原料循环性联系起来。
3.4.3 绿色溶剂和同步共提取路线
该路线通过从单一生物质输入中级联回收挥发性和非挥发性组分。紫苏籽顺序提取可同时回收36.49%食用油和0.55 mL kg?1精油。山鸡椒籽油和精油同时回收。枫香树中，天然酸性低共熔溶剂辅助微波提取可同步回收精油、没食子酸和鞣花酸。丁香和紫苏的深共熔溶剂研究表明溶剂辅助强化的潜力，但溶剂回收、毒性、再利用和生命周期终结影响很少得到充分评估。
3.4.4 替代热、蒸汽、过热蒸汽和超临界路线
茴香、薰衣草和乳香黄连木的比较研究表明，蒸汽蒸馏、过热蒸汽和超临界CO?可减少对有机溶剂的依赖并帮助保持产品质量或降低环境影响。桉树案例中，过程模拟结合生命周期评估显示超临界提取需1.4 MJ kg?1精油和产生2.32 kg CO?-eq，而水蒸馏需12.44 MJ kg?1精油和5.51 kg CO?-eq，水溶胶增值和废物转化能源可进一步改善环境绩效。迷迭香比较中，深共熔溶剂辅助路线产率最高，但考虑完整系统边界时，超声辅助水蒸馏成为更可持续和经济可行的选择。
3.4.5 副产品与残渣增值途径
该组研究将循环性视为整个生物质管理问题。蒸馏后生物质、水溶胶、工艺水和修剪残渣被反复证明保留功能价值。桃金娘处理后的蒸馏残渣比未处理生物质具有更高的总酚和类黄酮含量。薰衣草和玫瑰副产品分别被转化为封装抗氧化成分和生物刺激素组分。牡荆属（Vitex）中，使用蒸馏后残渣改善了基于质量的绿色度指标，但伴随能量相关权衡。薰衣草和蜡菊修剪残渣可分别产出0.33%和0.15%的精油。
3.4.6 集成生物炼制和多产品优化
少量研究将多产品回收与显式过程优化结合。橙皮研究采用一锅酸水解蒸馏从工业果皮废料中回收0.52%精油和11%果胶，并应用多目标优化平衡竞争性过程目标。智能柠檬草蒸馏和生命周期评估研究显示向更集成过程设计的转变，但系统导向的证据体仍相对较小。
4. 讨论
4.1 与综述问题相关的主要发现
近期研究集中在三个方向：强化初级提取、溶剂辅助多产品回收、以及水溶胶/残渣下游增值。循环性最常通过减少投入、产品级联和副产品升级展示，而非完全闭环过程设计。证据基础仍由产量和产品质量主导，环境指标和经济评估报告少得多。最强主张来自少数系统导向研究，许多报告成功提取结果的研究应被视为有前景而非结论性。
4.2 从绿色提取原则到循环生物炼制策略
从绿色提取向循环生物炼制过渡需要超越提取效率改进，转向整合可再生原料、降低能源和溶剂消耗、共产品增值和废物最小化的系统级方法。提取技术应依据资源回收和循环物质流支持能力进行评估。高提取产率本身不构成循环性的充分证据。循环性通过三种互补策略实现：投入减少、产品级联和残余流再整合。最大可持续性效益出现在同时实施这些策略的集成循环生物炼制系统中。
4.3 不一致性和权衡集中来源
研究间差异源于四个方面：原料解剖结构、含水量和树脂组成差异；功能单位和报告格式不同；比较常仅关注产量；缺乏共同的循环绩效最低指标集。可持续性导向研究仍集中于有限的水蒸馏创新，关于某提取路线优越性的主张可能因比较范围狭窄或未包含上游负担而被夸大。最重要的权衡出现在溶剂辅助和电驱动强化路线中。深共熔溶剂和天然深共熔溶剂可支持挥发性和非挥发性组分同步回收，但存在粘度控制、溶剂回收、毒性测试、纯化要求和生命周期终结管理等问题。超声和微波路线的好效应可能被电力需求、放大约束和边界问题削弱。残渣增值也需考虑水分、储存稳定性、运输距离和市场需求。
4.4 实践、理论和研究意义
工业实践中不应仅基于提取产率选择精油技术。低风险选项包括依赖现有设备的过程强化策略，尤其当它们同时改善残余流可用性。高潜力但更不确定的选项包括深共熔溶剂系统和多产品级联。理论上，循环性应被理解为整个生产系统的属性，而非单个提取器。未来研究需要一致的报告框架，至少应包括生物质基础、提取产率、油组成、停留时间、电力或热需求、溶剂输入和回收、水溶胶和残渣最终用途及功能单位。需要更多中试研究和集成多产品设计。
4.5 过程强化策略的批判性视角
过程强化（PI）可提高提取效率并减少时间、能源、溶剂和环境冲击，但应与工程、操作和经济挑战一起批判性评估。微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）需要大量电能，性能改善不一定对应较低的总能耗。设备复杂性增加资本投入、操作复杂性和维护需求。过程可控性在工业放大中变得关键。高压力或高能量输入需要稳健设备设计和安全监控。未来研究应报告标准化能源指标，如每单位精油特定能耗。
4.6 绿色溶剂的关键挑战与工业限制
深共熔溶剂（DES）和天然深共熔溶剂（NADES）具有低挥发性、可调物理化学性质和绿色兼容性，但溶剂回收和可再循环性因极低蒸气压和热稳定性而困难，可能需要膜分离、吸附或抗溶剂沉淀。高粘度降低传质并增加泵送需求。毒性和可生物降解性取决于配方和浓度。腐蚀和材料相容性研究不足。残留溶剂可能要求额外纯化。长期化学稳定性受水分吸收和热暴露影响。监管接受度是商业化的主要障碍。
4.7 工业放大挑战
微波辅助蒸馏在放大时难以维持均匀电磁场；超声辅助提取面临空化均匀性和换能器耐久性问题；DES/NADES辅助提取的高粘度阻碍大规模混合和回收。工业部署需要集成连续操作、热回收、水回用、过程自动化和质量保证。经济评估应采用标准化技术经济指标，如资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、能耗、设备利用率、溶剂回收效率、维护成本和产品盈利能力。
4.8 热力学与过程工程考虑
可持续性由热传递、质量传递、相平衡和能量利用决定。常规水蒸馏依赖导电和对流热传递，加热缓慢且内部传质有限。微波提取通过体积介电加热直接吸收极性分子能量，形成局部压力梯度，加速细胞破裂和挥发物扩散。超声提取通过声空化产生局部湍流和微射流，破坏细胞壁。溶剂辅助提取中，DES/NADES改变溶剂极性、氢键相互作用和溶剂化行为，但需同时评估粘度和传质限制。
4.9 生命周期评估（LCA）的批判性评估
LCA在功能单位、系统边界、清单假设、分配程序和LCIA方法方面存在实质性异质性。功能单位选择（基于生物质、精油或回收化合物）可改变技术排序。系统边界（gate-to-gate与cradle-to-gate）影响上游负担是否纳入。生命周期清单（LCI）中电力组合、生物质生产力、运输、溶剂回收等假设影响热点的识别。共产品和多功能性处理方式（分配或系统扩展）可显著改变负担分配。LCIA方法和影响类别选择需避免仅关注气候或能源。未来研究应通过敏感性、情景和不确定性分析实现方法统一。
4.10 技术经济评估（TEA）
TEA在现有文献中仍不充分。大多数研究评估产率、生物活性化合物回收、处理时间和能耗，但未全面评估工业实施的经济可行性。综合TEA应评价资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、生产成本、能耗、溶剂回收效率、设备利用率、维护要求、生产能力、产品产量，并计算净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、回收期（PBP）和投资回报率（ROI）。敏感性分析对处理原料可用性、能源价格、劳动力成本和市场需求波动至关重要。
4.11 循环经济绩效指标
定量循环性评估仍然碎片化。全面循环经济评估应涵盖资源效率、生物质增值、能源回收、物质再循环、环境绩效和经济可持续性。代表指标包括精油产率、生物质利用效率、溶剂回收率、可再生能源利用、水回用效率、温室气体排放、废物增值率、增值共产品产量和整体循环绩效。水溶胶、废生物质和残余生物活性化合物是宝贵次级资源，可转化为生物肥料、功能成分或生物能源。
4.12 技术就绪水平（TRL）
常规水蒸馏和蒸汽蒸馏TRL为9，已完全商业化。超临界CO?提取TRL为8-9，在部分高价值领域商业化。微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）处于中试至示范阶段（TRL 5-7），受反应器放大、非均匀能量分布和连续操作限制。DES/NADES提取处于实验室至中试阶段（TRL 3-5），需要解决溶剂回收、可再循环性和监管接受度。
4.13 工业4.0与精油生产数字化转型
数字转型通过改进过程监控、优化操作条件和提高生产一致性，支持可持续精油生产。数字技术与LCA、TEA和循环经济评估集成，可实现连续过程数据收集、性能监测和基于证据的决策。未来应聚焦将可持续提取技术与数字制造策略整合，同时考虑环境、经济和循环指标。
4.14 未来研究路线图
未来开发应遵循分阶段路线图：第一阶段聚焦可持续生物质利用和绿色提取技术（MAE、UAE、SFE、DES）；第二阶段强调过程强化以优化提取性能和促进工业放大；第三阶段集成LCA、TEA和循环经济指标；第四阶段纳入工业4.0技术实现智能过程监控和优化；最后通过中试验证和商业实施，在循环精油生物炼制中整合资源回收和副产物增值。
5. 结论
本系统综述表明，通过过程强化、绿色溶剂、混合提取系统和循环生物炼制方法，可持续精油提取技术已取得显著进展。新兴技术如微波辅助提取、超声辅助提取、超临界流体提取和深共熔溶剂提取可改善提取效率并减少处理时间、能源消耗和环境冲击，但存在关键挑战：LCA和TEA方法标准化不足、定量循环经济指标有限、中试验证不足、若干新兴技术TRL较低，以及工程、环境和经济绩效评估集成不充分。本综述的主要科学贡献在于提供集成系统级视角，将提取技术、过程工程、循环经济原则、可持续性评估、工业可扩展性和数字转型统一在分析框架内。未来研究应优先开展中试示范、集成LCA-TEA评估、协调循环经济指标、数字过程优化、可再生能源整合和协作工业实施，以加速从实验室创新向商业可行、环境可持续和数字化的循环精油生产系统过渡。
