《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Green Sequential Extraction of Carotenoids and Coproducts from Invasive Alien Plants and Non-Edible Agricultural Residues
编辑推荐：
本文提出了一种创新方案，通过绿色溶剂及连续提取工艺，从入侵外来植物和非食用农业残渣中有效回收类胡萝卜素（如叶黄素和β-胡萝卜素）及其他高价值产物（如多酚和碳水化合物）。研究结果表明，以百里香酚/香豆素（1:1）构成的新型疏水性天然低共熔溶剂（NaDES4）在温和条件下显示出优于丙酮的提取效率，为可持续的色素供应链开发及生物质高值化利用提供了新的路径。
引言：类胡萝卜素供应链的挑战与机遇
类胡萝卜素如叶黄素（lutein）和β-胡萝卜素（β-carotene）是重要的天然色素，因其抗氧化功能及对人和动物健康的贡献而被广泛应用于食品、饲料和营养保健品领域。然而，其传统供应链的可持续性日益受到质疑。目前，叶黄素的主要来源万寿菊是一种土地密集型作物，种植会占用可耕地，可能与主粮生产形成竞争。此外，传统提取工艺常依赖n-己烷、卤代烃等有害有机溶剂，对环境造成负担。β-胡萝卜素则主要依赖化学合成，随着人们对合成食品着色剂担忧的增加，生物来源替代品的需求日益增长。
绿色提取策略的探索与优化
为解决上述挑战，本研究评估了从入侵外来植物（IAPS）和非食用农业残渣中绿色提取类胡萝卜素的策略。选取了九种入侵植物（如日本虎杖、喜马拉雅凤仙花）和两种蔬菜的非食用部分（番茄叶、胡萝卜叶）作为模型原料。研究首先以日本虎杖叶为模型基质，对提取技术、温度和溶剂体系进行优化。
实验发现，在温和条件下（25°C）进行搅拌浸渍是操作简便、能耗低且高效的提取方式。在溶剂筛选中，研究对比了丙酮、乙酸乙酯、乙醇等有机溶剂，α-萜品烯、γ-萜品烯、(+)-柠檬烯、(-)-β-蒎烯等生物源单萜，以及五种疏水性天然低共熔溶剂（NaDES）。结果显示，由百里香酚和香豆素以1:1摩尔比构成的NaDES4（用乙醇以3:1比例稀释后使用）表现尤为突出。在优化条件下，NaDES4从日本虎杖叶中提取的叶黄素（84 ± 6 mg/100 g干重）和β-胡萝卜素（27 ± 2 mg/100 g干重）回收率均显著高于丙酮（分别为56 ± 7和20 ± 2 mg/100 g干重）。这首次系统性证明了疏水性NaDES在温和浸渍条件下，对叶黄素和β-胡萝卜素的同时提取效率可与甚至优于有机溶剂。
入侵植物与农业残渣作为类胡萝卜素新来源的潜力
对11种植物材料的筛选显示，不同原料的类胡萝卜素含量差异显著。叶黄素在所有样品中均占主导，含量从5.7 ± 0.2至80 ± 4 mg/100 g干重不等；β-胡萝卜素含量则在1.3 ± 0.2至45 ± 3 mg/100 g干重之间。其中，喜马拉雅凤仙花叶的类胡萝卜素总含量最高（叶黄素80 ± 4 mg/100 g干重，β-胡萝卜素45 ± 3 mg/100 g干重），展现出作为替代来源的竞争力。
一个重要发现是，在这些植物材料中，叶黄素主要以游离形式存在（占类胡萝卜素总量的59-73%），未检测到酯化叶黄素。相较于万寿菊来源中叶黄素主要以高度疏水的长链脂肪酸二酯形式存在，游离形式的叶黄素通常被认为具有更高的生物可利用性，这对于潜在的营养应用具有重要意义。同时，这些原料还提供了比万寿菊更高的β-胡萝卜素水平。
提取物安全性评估：农药与多环芳烃
由于入侵植物生长于非受控环境，其安全性是用于食品或饲料级产品时必须考虑的问题。研究对收集的植物材料进行了农药残留和多环芳烃（PAHs）分析。
在涵盖700种农药的多残留方法检测中，所有样品均未检出超过各自定量限（LOQ）的农药残留，表明在所研究的采集点，来自附近农田的喷洒漂移污染风险较低。然而，所有使用丙酮和NaDES4获得的疏水性提取物中均检出了PAHs。根据欧盟委员会法规2023/915对干燥草药和植物粉设定的限量（苯并(a)芘10 μg/kg，PAH4总和50 μg/kg），22份样品中有11份的PAH4含量超过了此限量。其中，臭椿中的苯并(a)蒽（451 ± 63 μg/kg干重）、鹿角漆树中的苯并(a)蒽（187 ± 28 μg/kg干重）和芴（398 ± 25 μg/kg干重），以及番茄叶（180 ± 12 μg/kg干重）和胡萝卜叶（177 ± 11 μg/kg干重）中的菲含量尤为突出。
值得注意的是，PAHs的分布模式更可能由采集点的微环境（如靠近交通源或燃烧源）而非植物物种特异性吸收所决定。例如，生长在相距约1.5米家庭花园中的番茄叶和胡萝卜叶，其PAHs分布和浓度高度相似。这些结果表明，在评估植物基类胡萝卜素原料的安全性时，除了物种选择，本地环境暴露是一个决定性因素，需要进行基于位置的原料筛选。
连续提取实现生物质多产品高值化
为了推进“零废弃”的价值化理念，本研究将目标从单一的类胡萝卜素扩展至多种高价值代谢产物，开发了一种基于溶剂极性顺序的连续提取方案。该方案使用水（高极性）、乙醇（中极性）以及丙酮或NaDES4（低极性）三种溶剂，按照两种不同的极性顺序（从极性到非极性，以及从非极性到极性）对喜马拉雅凤仙花叶、日本虎杖叶和番茄叶进行提取，旨在从同一生物质中集成回收类胡萝卜素、碳水化合物和多酚（包括黄酮类化合物）。
研究结果揭示了提取顺序对目标产物回收率的关键影响：
- •
碳水化合物：主要被水和乙醇有效提取。当采用从极性到非极性的提取顺序时，喜马拉雅凤仙花和日本虎杖的碳水化合物累积回收率有所增加。
- •
类胡萝卜素：几乎只被低极性溶剂（丙酮或NaDES4）有效回收。当提取顺序从非极性溶剂开始时（即先用丙酮或NaDES4，再用水和乙醇），类胡萝卜素的累积回收率显著提升。例如，对于日本虎杖，使用NaDES4时，非极性优先的顺序（Ex4）比极性优先的顺序（Ex2）使类胡萝卜素回收率提高了90 ± 8%。这很可能是因为先用预湿生物质会增强亲脂性色素与基质之间的相互作用，从而降低了后续非极性溶剂的提取效率。NaDES4在此过程中表现出对叶黄素和胡萝卜素的广泛亲和力。
- •
多酚与黄酮类化合物：广泛分布于水、乙醇以及丙酮和NaDES4提取物中。对于某些植物（如喜马拉雅凤仙花），非极性优先的提取顺序也能增加多酚的累积回收率。NaDES4 consistently yielded richer phenolic and flavonoid extracts than acetone.
- •
番茄叶特异性生物碱：在番茄叶提取物中检测到了甾体糖生物碱α-番茄碱（α-tomatine）及其苷元番茄啶（tomatidine）。水预提取显著降低了后续非极性步骤中这两种生物碱的含量，为提高下游类胡萝卜素产品的选择性提供了潜在途径。
结论与展望
本研究建立了一个绿色、可扩展的概念框架，用于从未充分利用的植物生物质中多元化获取类胡萝卜素。入侵外来植物物种和非食用蔬菜残渣被证明是叶黄素和β-胡萝卜素的可行替代来源，且其中的叶黄素主要以生物可利用性更高的游离形式存在。疏水性天然低共熔溶剂（特别是NaDES4）被证明是在温和条件下可媲美甚至优于丙酮的绿色提取介质。方向可控的连续提取方案则实现了从同一基质中集成回收类胡萝卜素、多酚和碳水化合物，将价值主张从单纯最大化色素浓度转向了对未充分利用生物质的更有效、多产品的价值化策略。
为实现向敏感价值链（尤其是涉及入侵植物的）的转化，原料的变异性和安全性仍是关键制约因素。本研究表明，在所考察的原料和地点中，燃烧衍生的污染物（PAHs）而非农药残留可能是食品级应用的主要安全瓶颈。因此，基于位置的常规原料验证至关重要。未来的验证应包括跨季节、跨不同环境（城市与乡村）的采样。此外，结合精确的定量生命周期评估和技术经济分析，开发合适的溶剂回收与再利用策略，将是验证该方案环境与经济优势的必要步骤。总体而言，本研究为将问题生物质或不可避免的生物质转化为高价值的类胡萝卜素和多酚富集成分提供了概念验证，这些成分可作为传统类胡萝卜素作物产品的补充。
