《Scientific Reports》：Superheated steam extraction and RSM-based optimization of antioxidant activity in Citrus paradisi essential oil and evaluation of antimicrobial activity
编辑推荐：
本研究针对传统提取方法（如水蒸馏HD和蒸汽蒸馏SD）在提取柑橘类废弃物活性成分时存在的效率低、热敏成分易降解等问题，创新性地采用过热蒸汽提取技术（SHSE），结合响应面法（RSM）系统优化了葡萄柚（Citrus paradisi）果皮精油的抗氧化活性。研究通过中心复合设计（CCD）确定了最佳提取条件（温度150°C、时间60 min、流速60 mL/min），使DPPH自由基清除率、FRAP还原能力和H2O2清除率分别达到95.98%、203.87 mg/100 g和91.38%。GC-MS分析表明，SHSE能显著保留d-柠檬烯、β-蒎烯等关键活性成分，其精油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等微生物的抑制效果优于传统方法。该研究为柑橘废弃物的高值化利用提供了绿色、高效的解决方案，对食品保鲜和医药开发具有重要应用前景。
在全球追求可持续发展的背景下，食品加工副产物的高值化利用已成为科研热点。葡萄柚（Citrus paradisi）作为广泛种植的柑橘类水果，其果汁生产过程中产生的大量果皮废弃物富含萜烯类、酚酸等生物活性成分，具有显著的抗氧化和抗菌潜力。然而，传统提取方法如水蒸馏（HD）和蒸汽蒸馏（SD）存在耗时长、热敏成分易被破坏等问题，限制了其工业化应用。如何通过绿色高效技术最大化保留这些活性成分，成为亟待突破的瓶颈。
为此，Rameen Waseem、Muhammad Adnan Ayub等研究人员在《Scientific Reports》上发表论文，系统探讨了过热蒸汽提取（SHSE）技术在葡萄柚果皮精油提取中的优势。该研究创新性地将SHSE与响应面法（RSM）相结合，通过中心复合设计（CCD）对温度（140–160°C）、时间（40–80 min）和蒸汽流速（40–80 mL/min）等关键参数进行优化，以DPPH自由基清除活性（DPPH-FRSA）、铁离子还原能力（FRAP）和过氧化氢（H2O2）清除率作为抗氧化指标，最终确定了最佳工艺条件。同时，通过GC-MS分析对比了SHSE与HD、SD所提精油的化学成分差异，并采用琼脂扩散法、肉汤微量稀释法和刃天青微孔板法评估了其抗菌效果。
关键技术方法概述
研究采用新鲜葡萄柚果皮（含水量72.5%），分别通过HD、SD和SHSE三种方式提取精油。SHSE设备包含蒸汽锅炉、过热器和萃取罐，通过热电偶实时监控温度。抗氧化活性通过DPPH-FRSA、FRAP和H2O2清除实验测定，抗菌实验针对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌ATCC 25923）、革兰氏阴性菌（大肠杆菌ATCC 25922）和真菌（黑曲霉ATCC 16404、茄病镰刀菌ATCC 36031）展开。GC-MS分析使用DB-5色谱柱，以氮气为载气，通过保留指数和NIST谱库鉴定成分。统计学分析采用ANOVA和Tukey检验（p < 0.05）。
研究结果
3.2 抗氧化活性优化
通过RSM分析发现，温度是影响抗氧化活性的最显著因素（p < 0.0001）。二次多项式模型拟合优度（R2 > 0.98）表明模型可靠性高。最佳条件为150°C、60 min、60 mL/min，此时DPPH-FRSA、FRAP和H2O2清除率的预测值与实验值高度吻合（偏差< 0.5%）。响应面图显示，抗氧化活性随温度升高先增后降，过度加热可能导致成分降解。
3.3 不同提取技术抗氧化活性对比
SHSE提取的精油在三种抗氧化指标上均显著优于HD和SD（p < 0.05）。例如，SHSE的DPPH-FRSA为95.98%，而HD和SD分别为79.82%和84.62%。这种优势归因于SHSE在缺氧环境中减少了热敏成分（如d-柠檬烯）的氧化损失。
3.4 抗菌活性
SHSE精油对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径最大达23.54 mm，最小抑菌浓度（MIC）低至6.25 mg/mL，显著高于HD和SD。革兰氏阳性菌因缺乏外膜屏障，更易被萜烯类成分穿透。此外，SHSE在160°C、40 min、40 mL/min条件下对真菌（如黑曲霉）的抑制效果最佳，进一步证实其抗菌广谱性。
3.5 化学成分分析
GC-MS显示，SHSE提取的精油中单萜烯烃（如d-柠檬烯）占比高达82.69%，而HD仅为54.1%。d-柠檬烯（73.24%）、β-蒎烯（4.06–7.88%）和反式香芹醇（0.69–7.28%）是主要活性成分。SHSE的高温短时处理有效减少了水解反应，保留了更多氧化萜烯（如柠檬烯氧化物）。
结论与意义
本研究证明SHSE是一种高效、环保的葡萄柚精油提取技术。通过RSM优化，其在保留抗氧化和抗菌成分方面显著优于传统方法。精油中高含量的d-柠檬烯等萜烯类化合物可通过氢原子转移和电子捐赠机制清除自由基，并破坏微生物细胞膜结构。该技术为柑橘废弃物资源化提供了新思路，未来可应用于食品防腐剂、药品辅料等领域。需进一步研究SHSE精油的长期稳定性及工业化放大可行性。
