《Separation and Purification Technology》：Kinetic modelling of tomatine extraction from tomato plant waste: influence of solvent, particle size, solvent concentration and solvent ratio
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番茄植株废料（TPW）中番茄碱的溶剂提取及预处理对厌氧消化的影响。通过COSMO-RS模型筛选出乙酸、甲醇、乙醇为合适溶剂，结合D-最优设计优化颗粒大小（0.25mm）、溶剂浓度及液固比（25:1-35:1），动力学模型表明扩散主导且洗涤更关键。批式消化显示提取后TPW甲烷产量显著提升（TPWpMe 421.4 L/kg VS，TPWpAc 200.7 L/kg VS，未处理仅88 L/kg VS），证实溶剂辅助提取番茄碱可同时抑制微生物抑制并回收高价值生物活性成分。
Shruti Katti|Harini Prasadee Lelwala Guruge|Tobias De Somer|Amin Shariatmadar Tehrani|Katleen Raes|Steven De Meester|Erik Meers
根特大学绿色化学与技术系，Coupure Links 653，9000 根特，比利时
摘要
番茄植株废弃物（TPW）在种植周期结束时产生，给农业废弃物管理带来了重大挑战。尽管这类废弃物富含有机物且适合进行厌氧消化（AD），但由于含有如托马丁（一种具有抗菌活性的糖生物碱）等抑制性化合物，其作为单一底物的使用受到限制。同时，托马丁本身也是一种具有潜在药用价值的生物活性化合物。本研究通过评估不同溶剂类型、浓度以及液固比（L:S）对从TPW中提取托马丁的影响，探讨了这一提取过程。溶剂筛选基于COSMO-RS热力学模型，使用COSMOthermX软件进行。结果表明，醋酸、甲醇和乙醇是合适的溶剂，因为它们在溶解性、生物降解性和毒性方面达到了平衡。
最优实验设计显示，托马丁的回收率存在较大差异，较高的液固比通常能提高提取效率。使用醋酸和最小粒径（0.25毫米）时，托马丁的回收率最高。动力学建模表明，结合二级扩散模型能最好地描述提取过程，其中洗涤作用比内部扩散更为关键。对经过甲醇和醋酸处理的TPW进行批次厌氧消化测试后发现，甲烷产量显著提高：TPWpMe的甲烷产量为421.4升/千克干物质，TPWpAc的甲烷产量为200.7升/千克干物质，而未经处理的TPW的甲烷产量仅为88升/千克干物质，这证实了托马丁提取能够提升厌氧消化性能。
引言
番茄（Solanum lycopersicum）是全球消费量最大的蔬菜之一，因此也是农业废弃物的重要来源。仅温室种植的番茄系统每年每公顷就能产生约15吨的新鲜番茄植株废弃物（TPW）[1]。随着全球人口持续增长，对更健康饮食和植物性食品（如番茄制品）的需求也在增加[2]。2019年至2023年间，全球番茄种植面积从500万公顷增加到540万公顷，增长了7%[3]。这种需求的增长推动了番茄产量的提升，进而导致TPW量也随之增加[4]。常见的TPW处理方法包括堆肥[5]、作为动物饲料[1]、填埋和焚烧[6]。然而，由于其中含有有毒的糖生物碱[7]（这些天然化合物是植物的化学防御机制），其使用受到限制，尤其是在堆肥和饲料应用中[8][9]。此外，填埋和焚烧会带来环境问题，如温室气体排放[10]和宝贵资源的损失[1]。
番茄植株含有丰富的初级[11]和次级代谢物[12]，其中糖生物碱尤为丰富[12]。主要的糖生物碱包括α-托马丁、脱氢托马丁和托马丁醇[13]，其中α-托马丁的生物活性最强[14]。不同部位和品种的托马丁含量差异显著。例如，在Bacchus品种中，叶片中的托马丁含量为1275–1417微克/克干物质，茎部为167–307微克/克干物质，根部约为57微克/克干物质[15]；另一项研究则显示叶片中含量为975–4900毫克/千克干物质，茎部为465–896毫克/千克鲜重，根部约为118毫克/千克干物质[16]。
这些糖生物碱还会显著影响TPW的厌氧消化（AD）潜力。TPW的有机质含量很高（约90%干物质）[17]，理论上有利于生物能源生产[18]，但单靠厌氧消化的效果有限。Li等人的研究[19][20]表明，在共消化系统中增加TPW的比例会显著降低甲烷产量，当TPW占比达到100%时甚至会完全抑制消化过程。这种不佳的表现归因于其木质纤维素组成、不理想的碳氮比以及抑制性糖生物碱的存在[19][21]。Szilágyi等人[21]进一步发现，α-托马丁会抑制纤维素分解细菌和产甲烷古菌，即使浓度低至0.025毫克/升也会影响甲烷产量。
尽管托马丁对厌氧消化有负面影响，但它仍是一种具有多种药理活性的宝贵化合物。研究表明它能降低低密度脂蛋白（LDL）胆固醇而不影响高密度脂蛋白（HDL）[22]，具有抗癌作用（尤其是对前列腺癌[22]），在鱼类实验中可减少40%以上的肿瘤发生率，并具有强大的抗真菌和抗病毒作用[23]，对单纯疱疹病毒（HSV）等病原体有效[24]。虽然托马丁醇的效力较低，但仍对登革热和基孔肯雅热等疾病具有抗病毒潜力。这些特性表明托马丁是一种具有高价值的化合物，在制药、营养补充剂和工业领域具有重大应用前景。
因此，从TPW中提取托马丁具有双重意义：既能减轻厌氧消化过程中的微生物抑制作用，又能回收高价值的次级代谢物。然而，高效提取需要优化多个工艺参数。固液萃取受溶剂类型、颗粒大小、溶剂浓度、液固比（L:S）和温度等因素影响[25]。合适的溶剂需在选择性、溶解性、安全性和回收率之间取得平衡[26][27]。甲醇和乙醇常用于提取甾体糖生物碱[28]，而醋酸等弱酸也因低毒性和环境安全性而受到关注。Taveira的研究[29]表明，5%的醋酸比甲醇-酸混合物具有更高的提取效率。颗粒大小同样重要：较小的颗粒表面积更大，有助于提高提取效果，尽管关于生物碱提取的数据相对较少[30]。关于TPW中生物碱提取的溶剂浓度和液固比的研究也较少。不过，其他植物的研究表明，乙醇-水混合物的表现优于纯乙醇，可能是因为溶剂的极性更强[31][32]，且提取率在液固比超过25:1至35:1时趋于稳定。
尽管对糖生物碱提取的兴趣日益增加，但针对TPW的系统性优化仍有限。本研究通过实验室规模实验探讨了从TPW中提取托马丁的方法。溶剂选择基于COSMO-RS（COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents）模型，该模型利用热力学和溶剂化参数预测溶解性。候选溶剂经过环境影响、与厌氧消化的兼容性和安全性评估。提取参数（如颗粒大小、溶剂浓度和液固比）通过最优实验设计进行优化。进一步通过动力学分析确定了最佳条件下的提取过程。最后，使用两种表现最佳的溶剂进行了批次厌氧消化测试，以评估托马丁的去除对消化性能的影响。
样本、化学品和试剂
番茄植株（Solanum lycopersicum L.）废弃物来自比利时东弗兰德斯Wortegem-Petegem地区的有机温室。这些植株先用半纯水清洗，然后在30°C下风干两周，之后存放在约10°C的暗箱中待进一步处理三周。
用于提取实验的溶剂包括甲醇（>99.8%，Chem-Lab NV，比利时）、乙醇（≥99%，Chem-Lab NV，比利时）和醋酸（冰纯，≥99%，Chem-Lab NV）
番茄植株特性
本研究分析了所使用的TPW的多种理化性质。其水分含量较低，仅为8.1±0.06%（以干物质计），表明该废弃物较为干燥且易于储存[50]。挥发性固体含量（即有机和可生物降解部分）较高，占干物质的80.2±0.7%。相比之下，无机碳含量很低，仅为0.51±0.02%（以干物质计）。
结论
本研究对TPW进行了表征，并优化了托马丁的提取方法以提升其厌氧消化适用性。实验发现TPW中的托马丁浓度显著较高，这强调了去除托马丁以减少消化过程中抑制作用的必要性。
通过COSMO-RS模型筛选，基于溶解性、生物降解性和毒性，确定了醋酸、甲醇和乙醇为合适的溶剂。优化实验考察了溶剂类型、浓度、液固比等因素
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT来提升语言表达的清晰度。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终发表的内容负全责。
资助
本研究是Tombustion项目（项目编号HBC.2021.0995）的一部分，该项目获得了VLAIO（创新与企业署）的资助。此外，作者感谢EFROFlanders、Hermes Fund、TUA WEST、西弗兰德斯省和根特大学对OIP Voeding 1173项目的财务支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢InnoLab提供实验设施和技术支持，感谢实验室工作人员的合作与协助。
