《Food and Bioproducts Processing》：Synergistic use of NADES and assisted Extraction technologies for recovery and stabilization of bioactive compounds in
Beta vulgaris L. peels
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本研究利用天然深熔体系（NADES）作为可持续提取溶剂，从甜菜根皮中高效提取具有抗氧化、抗炎等生物活性的多酚和 betalains化合物。优化条件为40℃、固液比1:20的BG体系（ betaine和glycerol），提取率显著高于传统溶剂，且提取物稳定性提升，可直接用于食品或化妆品。该技术减少溶剂消耗和能量输入，实现甜菜根皮资源化利用和循环经济目标。
D. Rente | R. Craveiro | A. Paiva | Ana Rita C. Duarte
LAQV-REQUIMTE，化学系，新里斯本大学科学技术学院，葡萄牙卡帕里卡
摘要
本研究利用天然深共晶体系（NADES）作为可持续的提取溶剂，从甜菜根皮（BRP）中提取具有生物活性的成分，这些成分可用于食品或化妆品领域。甜菜根皮通常被视为农业废弃物且未得到充分利用，但实际上富含具有生物活性的植物化学物质（如抗氧化剂、抗炎剂、神经保护剂和抗癌剂）。本研究旨在开发一种可持续、高效的提取方法，使用NADES作为溶剂。此外，还探讨了NADES在稳定和保存这些生物活性成分方面的作用。在测试的各种NADES中，由甜菜碱和甘油组成的体系（BG）表现出最高的提取效率，并获得了具有优异抗氧化活性的提取物。优化后的提取条件为40°C、固液比为1:20。使用NADES不仅提高了提取率，还延长了甜菜根皮中生物活性成分的稳定性，使得提取物可以直接作为液体使用，无需去除溶剂。
研究结果证实，NADES是传统溶剂的有前景的替代品，在营养保健品或功能性食品应用中具有潜在价值。该研究强调了甜菜根皮作为天然抗氧化剂来源的潜力，并展示了废物循环利用的典范。
引言
甜菜根（Beta vulgaris L.），又称普通甜菜或菜用甜菜，是一种因其营养价值和健康益处而备受追捧的根茎类蔬菜（Clifford等人，2015；Paulauskien?等人，2023）。红甜菜的高需求还源于其含有的红色水溶性色素（Babarykin等人，2019；Clifford等人，2015；Sagar等人，2018）。尽管甜菜根价值很高，但在工业加工过程中仍会产生大量废弃物，其中主要包括叶子、果皮和残渣，这些废弃物仍含有丰富的生物活性植物化学物质（Babarykin等人，2019；Sagar等人，2018）。这些植物化学物质主要是酚酸、黄酮类和甜菜碱。它们具有很强的抗氧化作用以及其他健康益处（如抗炎和抗癌作用，Paulauskien?等人，2023），并已被用作食品添加剂以提升产品的健康价值。甜菜根中的甜菜碱是一类水溶性色素，以甜菜胺酸为基础，根据结构不同可分为红紫色色素——甜菜花青素和黄橙色色素——甜菜黄质。甜菜花青素的紫外-可见光谱（UV-Vis）吸收峰位于536 nm，是由甜菜胺酸与环二羟基苯丙氨酸（环-DOPA）结合形成的。相比之下，甜菜黄质是甜菜胺酸和氨基酸的衍生物，其UV-Vis吸收峰位于480 nm（Azeredo，2009；Gandía-Herrero和García-Carmona，2013）。在Beta vulgaris L.中，甜菜胺和vulgaxanthin-I分别占甜菜花青素和甜菜黄质总量的约90%，这两种物质已被用于食品工业中的天然着色。
本研究的目的是采用可持续的提取方法和溶剂，从回收的甜菜根皮（BRP）中提取并稳定这些化合物。这些富含生物活性成分的提取物可用于化妆品和营养保健品配方，既可作为色素也可作为抗氧化剂。
从植物或农业废弃物中提取植物化学物质并非新鲜事物，相关研究在文献中已有详细报道（Al-Harbi等人，2021；Borjan等人，2022；Eyshi等人，2024；Singh等人，2025）。针对甜菜根中的生物活性成分（尤其是甜菜碱），已有多种提取方法。最传统的方法是使用热处理和搅拌结合有机溶剂（如甲醇、乙醇或丙酮，Singh等人，2025）。虽然这种方法简单，但需要大量不可回收的挥发性溶剂，且能耗较高。由于这些溶剂具有挥发性，提取过程还需额外的分离和纯化步骤，对环境和经济造成负面影响。
作为加热和搅拌（HS）方法的替代方案，出现了更先进的技术，如脉冲电场（PEF）提取、微波辅助提取（MAE）和超声波辅助提取（UAE）。这些方法各有优势，但PEF、MAE和酶法提取的设备成本较高，可能限制其在工业中的应用（Singh等人，2025）。相比之下，UAE方法操作简单，能显著缩短提取时间（Hoseini Ghiasvand等人，2025；Nabi等人，2025）。用于提取甜菜根中生物活性成分（如甜菜碱）的溶剂可从挥发性有机溶剂改为离子液体（Coutinho和Freire，2023）或超临界流体（Goyeneche等人，2020）。尽管这些溶剂在提取生物活性成分方面效果显著，但高昂的成本可能阻碍其应用。
另一类可用于解决这些问题的溶剂是天然深共晶体系（NADES）（Hernández-Aguirre等人，2021；Kaba等人，2024）。NADES是由天然化合物（如有机酸、氨基酸和醇）组成的均匀混合物，按特定比例混合后熔点降低，在室温下变为液体（álvarez和Zhang，2019）。这种熔点降低现象源于NADES中氢键受体（HBA）与氢键供体（HBD）之间的分子相互作用。HBA/HBD相互作用（主要是氢键）决定了系统的物理化学性质，改变HBA/HBD比例或任一组分的比例都会影响NADES的性质，如极性、化学稳定性、互溶性和溶解能力（Mbous等人，2017；Pena-Pereira和Namie?nik，2014；Smith等人，2014；Zainal-Abidin等人，2017；Zhang等人，2012）。因此，NADES可针对不同应用进行定制。NADES已被广泛用于从植物和食品中提取生物活性成分（García-Roldán等人，2023；Huang等人，2025；Nabi等人，2025），例如抗氧化剂，可用于化妆品、营养保健品和食品产品。大多数关于NADES提取生物活性成分的研究均使用氯化胆碱作为HBA（Rente等人，2021）。然而，根据欧盟化妆品法规，氯化胆碱在化妆品中的使用已被禁止，因此本研究未采用该体系（Couteau和Coiffard，2010）。作为替代品，选择了甜菜碱作为HBA，因其化学结构相似且能形成NADES（Jeong等人，2017；Krisanti等人，2019；Pani?等人，2019；Zhuang等人，2017）。
除了研究基于甜菜碱的NADES作为提取剂的效率外，我们还对提取物的稳定性进行了研究，证实NADES具有稳定这些化合物的能力。
本研究解决了生物活性成分提取过程中的环境和工艺问题，提出了使用非挥发性有机溶剂的替代方案。报告了使用NADES从回收的甜菜根皮中提取生物活性成分的方法，包括HS和UAE等提取技术，并优化了相关参数以获得最佳提取效果。
预期基于甜菜碱的NADES能有效提取甜菜根皮废弃物中的酚类化合物和甜菜碱。此外，使用NADES作为溶剂还能提高提取物的稳定性。本研究将进一步探讨NADES提取物在长时间内的稳定性。通过这种策略，无需后续纯化即可直接将提取物用于食品或营养保健品，从而减少溶剂和能源消耗，实现食品工业副产品的价值转化，并推动废物减量和循环经济目标。由于NADES符合食品和化妆品法规，该方法在实际产品开发中具有可行性。
试剂和化学品
本研究使用的所有试剂均具备最高纯度。无水甜菜碱（99%，CAS 107-43-7）、D-山梨醇（98%，CAS 50-70-4）、DL-乳酸（85%，CAS 50-21-5）和尼罗红染料（CAS 7385-67-3）均购自Sigma-Aldrich。甘油（99.5%，CAS 56-81-5）购自Scharlab，柠檬酸一水合物（99.5%，CAS 5949-29-1）购自Panreac。
甜菜根（Beta vulgaris L.）材料
甜菜根在当地（葡萄牙卡帕里卡）采购，清洗后去皮。
结果与讨论
本研究重点探讨了利用NADES高效提取和回收甜菜根废弃物（尤其是甜菜根皮（BRP）中的生物活性成分。基于氯化胆碱的NADES是此类提取过程中应用最广泛的技术之一，但氯化胆碱的使用可能存在某些问题。
结论
研究表明，基于甜菜碱的NADES可有效提取甜菜根皮中的生物活性成分（如酚类和甜菜碱）。与水等传统溶剂相比，NADES的提取效果更佳，酚类和黄酮类化合物的总量可提高3倍。
NADES的组成，尤其是HBD组分，在提取过程中起着关键作用。
作者贡献声明
Paiva Alexandre：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法学设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构建。
Ana Rita C. Duarte：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法学设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构建。
撰写初稿、方法学设计、实验设计。
利益冲突声明
提交至《Food and Bioproducts Processing》的论文作者声明不存在利益冲突。
致谢
本项目得到了欧盟“地平线2020”（欧洲研究委员会）项目（ERC-2016-CoG 725034）的资助。本研究还得到了绿色化学联合实验室LAQV的支持，该实验室由FCT/MCTES（UID/QUI/50006/2019）提供资金。Alexandre Paiva感谢FCT/MCTES在项目IF/01146/2015中的财政支持。
