《ACS Omega》：Ethanol-Modified, Supercritical CO2 Extraction of Persimmon (Diospyros kaki L.) Side Streams for Innovative Bioactive and Antimicrobial Formulations: A Pilot Level Proof-of-Concept and Green Chemistry Evaluation
编辑推荐：
本研究旨在通过超临界CO?技术（Sc-CO?）（35 MPa，50 °C，120 min）的过程强化，实现柿子（*Diospyros kaki* L.）副产物的可持续增值利用。具体而言，研究人员考察了超临界流体中乙醇比例及不同操作规模（LoOP）的影响。其中，
本研究旨在通过超临界CO?技术（Sc-CO?）（35 MPa，50 °C，120 min）的过程强化，实现柿子（*Diospyros kaki* L.）副产物的可持续增值利用。具体而言，研究人员考察了超临界流体中乙醇比例及不同操作规模（LoOP）的影响。其中，中试LoOP工艺（2%乙醇掺杂，2 kg样品）能够生产出营养和生物活性增强的亲脂性提取物，使其成为营养保健品制剂领域进一步研究的有前景候选物。更深入地说，该提取物对细菌（大肠杆菌*Escherichia coli*、枯草芽孢杆菌*Bacillus subtilis*）和丝状真菌（扩展青霉*Penicillium expansum*）表现出显著的抗菌活性，其最低抑菌浓度（MIC）范围为0.8–7.8 μL/mL，与基准物（牛至提取物）相当。此外，该粗提物显示出显著的铁（Fe）含量（85.8 mg/100 g提取物），同时镁（Mg）的存在也较为突出（100 g提取物中高达每日参考摄入量（RDI）的52%）。研究人员通过绿色化学指标评估了该工艺（中试规模，2%乙醇掺杂）的环境可持续性。该方案在生态尺度（eco-scale）上获得45.9分，且其过程质量强度（PMI）或完全环境因子（CEF）相比台式规模实验（2%乙醇）降低了十倍。总体而言，本研究凸显了一种先进方法在从废弃柿子中生产生物活性提取物的有效性，该提取物有望成为开发营养保健品的候选材料。
## 柿子副产物超临界CO?萃取增值利用的论文解读
### 1. 研究背景与现存问题
柿子（*Diospyros kaki* L.）是一种广泛消费的水果，因其感官特性和丰富的生物活性化合物而具有日益重要的工业相关性。除鲜食外，柿子还被加工成果汁、干制品和发酵饮料，这一过程产生了大量副产物，尤其是果皮和果实顶端残留物。这些部分含有丰富的膳食纤维、矿物质和亲脂性化合物，主要是类胡萝卜素和酚类物质，具有抗氧化和功能特性。然而，严格的商业标准涉及大小、形状和成熟度，导致大量采后损失，超过25%的产量被丢弃或未充分利用。这种损失既构成环境问题，也提供了开发高附加值产品的机会。
柿子残渣中的类胡萝卜素和多酚因其抗氧化能力和技术功能性而备受关注。除了作为自由基清除剂外，这些化合物还能对细菌、酵母和丝状真菌表现出抗菌活性，使其成为合成防腐剂的有前景的天然替代品。然而，主要挑战在于开发新颖、可持续的方案来回收生物活性物质。基质的高糖含量和结构复杂性可能阻碍质量传递和萃取效率，同时类胡萝卜素对氧化和热降解高度敏感。这些因素突显了对能够保持化合物完整性同时确保可持续高效回收的萃取技术的需求。
作为传统萃取方法的替代方案，通过非传统技术进行过程强化已成为一种新兴的绿色策略。超临界二氧化碳（Sc-CO?）结合了类气体的扩散性和类液体的溶解能力，能够有效渗透固体基质并选择性萃取目标化合物。尽管Sc-CO?已在实验室规模得到广泛研究，但其在更大操作规模上的实施仍面临挑战，特别是在瓦伦西亚农业中高度相关的柿子作物方面，相关大规模应用的文献有限。从实验室到中试规模的过渡带来了与传质限制、溶剂分布、工艺效率和环境影响相关的额外挑战。此外，通过绿色化学指标进行可持续性评估对于评估工艺的真实范围和工业可行性至关重要。
本研究旨在提供解决上述问题的新方案，报告了一种从废弃柿子中开发新型生物活性提取物的方法，为进一步开发新型营养保健品铺平道路。超临界CO?作为一种过程强化策略，在中试水平上进行验证，填补了实验室与大规模工艺之间的空白。超临界流中GRAS溶剂（乙醇，EtOH）掺杂比例的调节以及在中试前对各种操作规模（LoOP）的评估，证实了该方法的适用性。
### 2. 关键技术方法
研究人员从西班牙Paterna的AINIA技术中心获取柿子副产物（果皮与果实顶端残留物，PPsFA），经低温干燥和刀片研磨后备用。核心萃取技术为超临界CO?流体萃取（SFE），首先在实验室规模（3.5 g，5 mL反应器）通过Box-Behnken实验设计（BBD）优化压力、温度和萃取时间参数，随后依次在台式规模（35 g）和中试规模（2 kg，20 L反应器）进行验证。在化学表征方面，采用紫外-可见分光光度法测定总类胡萝卜素含量（TC）、总酚含量（TPC）和总抗氧化能力（TAC）；采用电感耦合等离子体质谱法（ICP–MS）测定矿物质组成；采用核磁共振波谱法（NMR）进行结构确认。抗菌活性采用微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MLC）。绿色化学评价采用环境因子（EF）、过程质量强度（PMI）、过程质量生产率（PMP）、反应质量效率（RME）和生态尺度（eco-scale）等指标进行综合评价。
### 3. 研究结果
#### 3.1 原料表征：亲脂含量测定与结构确认
通过Soxhlet系统以2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）替代传统正己烷进行固液萃取，定量分析表明PPsFA中总亲脂物含量为12.4%。1H NMR谱图显示，在2.5–0.5 ppm区域出现与β-胡萝卜素脂肪族氢相关的信号，其中1.5–1.2 ppm处的CH?-基团以及5.5–5 ppm区域存在的烯烃氢均证实了β-胡萝卜素的存在。
#### 3.2 工艺优化与生物活性评估：实验室规模条件
Box-Behnken模型结果表明，工艺效率显著受压力、温度和时间三个参数影响，其中萃取时间影响最为强烈。油产量从30 min实验的平均3%增至90 min后的8–9%，脱脂率在120 min时达到73–80%。最优条件为35.2 MPa压力、50.1 °C温度和120 min萃取时间，模型预测油产量和脱脂率分别为8.9%和72.1%。实验验证结果为萃取效率23.9±7.9%、油产量10.3±0.7%和脱脂率82.9±5.6%，实验值略超过理论预测值，确认了模型的有效性。
#### 3.2.1 掺杂共溶剂流减少：台式规模验证
为转向更大规模处理并减少有机溶剂使用，研究人员将EtOH掺杂比例降至4%和2%。台式规模（35 g）下，尽管萃取、油和脱脂产率随掺杂减少而下降（2% EtOH时分别为2.9%、0.25%和1.8%），但这是实现绿色可扩展工艺的必要权衡，因为10%掺杂比例在工业操作中涉及大量易燃溶剂处理而不可接受。
#### 3.2.2 生物评估
通过比较不同EtOH掺杂比例的萃取物，发现2%-EtOH掺杂系统表现出优异的生物活性：总类胡萝卜素含量为226.94 μg/g提取物，TAC为7.2 μmol TE/g提取物，TPC为33.52 mg GAE/g提取物，分别较10%-EtOH系统提高了约10倍和8倍。这一结果表明，更高的萃取和脱脂产率并不等同于更高的回收提取物生物活性，2%掺杂所回收的馏分具有更优的质量。
#### 3.3 中试规模萃取
#### 3.3.1 工艺效率与生物评估
中试规模（2 kg）实验中，2%-EtOH掺杂系统达到油产量2.0%和脱脂率15.8%，同时保持可接受的生物活性（TPC 4.42 mg GAE/g提取物，TAC 1.03 μm TE/g提取物，TC 1.87 μg/g提取物）。4%-EtOH掺杂虽获得最高产率（油产量3.5%，脱脂率28.3%）和TPC（13.78 mg GAE/g提取物），但所需EtOH量过大（最终粗提物含7.5 kg），且仅能处理1 kg原料，不适合工业规模操作。0%-EtOH掺杂时需在40 MPa下操作，但TC仅检测到痕量，生物活性显著降低。
#### 3.3.2 绿色化学指标
绿色化学评估显示，中试规模相比台式规模在CEF和PMI方面实现了十倍降低（CEF从1332.8降至100.8；PMI从1333.8降至101.8）。生态尺度评分为45.9分，虽略高于台式规模（39.7分），但仍显示工艺需要进一步优化以提高工业水平的效率。值得注意的是，该工艺仅使用CO?和EtOH两种绿色兼容物质，符合碳捕集与利用（CCU）理念。
#### 3.4 增强的生物性能与营养指标：矿物谱和抗菌活性（中试规模提取物）
#### 3.4.1 矿物谱
ICP–MS矿物分析表明，该提取物铁含量为0.858 mg/g提取物（85.8 mg/100 g提取物），相当于EFSA推荐每日摄入量的536.2–780%；镁含量为1.81 mg/g提取物，可满足52%的RDI；钾含量为7.77 mg/g提取物，占RDI的22.2%。这使柿子提取物成为潜在的铁补充剂和具有重要营养价值的天然来源。
#### 3.4.2 抗菌评估
抗菌活性测试结果显示，柿子提取物对枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的MIC为0.8 μL/mL，对大肠杆菌（E. coli）为3.1 μL/mL，对扩展青霉（P. expansum）为7.8 μL/mL，对黄曲霉（A. flavus）为31.3 μL/mL。在对革兰氏阴性菌E. coli的MLC为12.5 μL/mL，对P. expansum的MLC为7.8 μL/mL。与牛至油相比，柿子提取物对细菌的抗菌活性较弱（牛至油对两种细菌MIC均为0.8 μL/mL），但对丝状真菌的MIC与牛至油相当。革兰氏阳性菌对柿子提取物更敏感，这与革兰氏阴性菌外膜作为渗透屏障的普遍认知一致。
### 4. 讨论与结论
绿色化学指标表明，尽管在中试规模下环境足迹已显著降低，但PMI和RME仍显示较低值（分别为101.8和15.9%），工艺仍需在工业层面进一步优化以提高效率。然而，该工艺仅使用CO?和EtOH，符合绿色化学原则。所获得的提取物具有优异的铁和镁含量以及可接受的抗菌活性，特别是对食品腐败相关微生物。其抗菌活性可能归因于类胡萝卜素和酚类化合物的单独或协同作用。
研究结论指出，采用Sc-CO?作为过程强化策略的绿色方法成功实现了柿子副产物的化学增值。中试规模萃取（2%乙醇掺杂，2 kg样品）生产出具有营养和生物活性的提取物，使其成为新型营养保健品开发的有前景候选物。该亲脂性提取物富含铁（85.8 mg/100 g提取物，530–780% RDI）和镁（181 mg/100 g提取物，52.7% RDI），并对食品相关微生物如枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和产霉菌毒素的扩展青霉表现出可接受的抗菌活性。可持续性评估显示，中试规模的环境足迹较台式规模显著降低，生态尺度评分为45.9分。总体而言，该工作通过过程强化为从废弃材料开发新型抗菌和食品解决方案铺平了道路，符合生物精炼原则。
