从红酵母（*Rhodotorula glutinis*）可持续回收类胡萝卜素：超声辅助提取（UAE）与微波辅助提取（MAE）机制的比较

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Sustainable Recovery of Carotenoids From Rhodotorula glutinis: A Comparison Between Ultrasound- and Microwave-Assisted Extraction Mechanisms

　　

本研究旨在评估从酵母红酵母（*Rhodotorula glutinis*）中可持续提取类胡萝卜素（Carotenoids），并比较超声辅助提取（UAE）与微波辅助提取（MAE）的效果。研究人员采用2²中心复合旋转设计（CCRD）优化提取工艺。此外，在最高产率区域进行了动力学研究，测定了优化条件下提取物的抗氧化活性，并与常规提取进行了可持续性评估。UAE的最高类胡萝卜素产率区域为>450 W、溶剂:生物量比45–55 v/w；MAE为200–350 W、>65 v/w溶剂:生物量比。UAE的最大产率为76.60%（31.78 μg β-胡萝卜素/g bm），MAE为42.21%（17.51 μg β-胡萝卜素/g bm）。动力学测试表明，UAE在6.4分钟后，MAE在4.8分钟后，提取过程达到扩散期（提取速率=0）。结果表明，UAE和MAE对酵母细胞破坏产生不同影响。此外，MAE促进热降解，而UAE诱导异构化现象，导致类胡萝卜素谱差异。用乙酸乙酯/甲醇浸提的提取物表现出最高的抗氧化活性。因此，UAE被证明是从*R. glutinis*回收类胡萝卜素的有效绿色方法。两种技术在本研究评估的指标上均被认为是可持续的，主要归因于提取时间的减少和有毒溶剂的使用。

**论文解读文章**

研究背景方面，类胡萝卜素（Carotenoids）是一类重要的天然色素，不仅帮助微生物耐受极端温度、干旱和高盐等环境胁迫，还在人类健康中发挥关键作用，部分类胡萝卜素（如β-胡萝卜素和隐黄质）是维生素A的前体，并具有抗氧化活性，有助于预防动脉硬化、白内障、癌症等疾病。在真菌界，红酵母属（*Rhodotorula*）酵母是合成特定类胡萝卜素（如torulene和torularhodin）的主要微生物，其中torularhodin在清除超氧自由基方面比β-胡萝卜素更高效。通过真菌发酵生产类胡萝卜素具有成本低、可规模化、环境友好等优势。然而，当前从微生物中回收类胡萝卜素主要依赖传统有机溶剂萃取法，存在选择性低、溶剂消耗高、提取时间长、易导致类胡萝卜素降解以及环境问题等局限性。新兴的绿色提取技术，如超声辅助提取（UAE，Ultrasound-Assisted Extraction）和微波辅助提取（MAE，Microwave-Assisted Extraction），已被提出作为更高效和可持续的替代方案。UAE通过声空化（acoustic cavitation）增强细胞破碎和传质，而MAE通过快速体积加热提高溶剂渗透性和溶质扩散性。尽管二者各有优势，但UAE可能因空化产生的自由基引发氧化反应和结构修饰，MAE则在高温下导致类胡萝卜素热降解。目前大部分研究集中于植物或微藻基质，对于酵母系统中这些机制如何影响类胡萝卜素回收效率、化合物稳定性和异构化现象的了解仍十分有限。因此，研究人员开展了系统比较UAE和MAE在可控条件下从红酵母（*Rhodotorula glutinis*）中可持续回收类胡萝卜素的研究。该论文发表于《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》。

研究人员为开展研究主要采用了以下几种关键技术方法：采用2²中心复合旋转设计（CCRD）优化UAE和MAE的功率及溶剂:生物量比；运用Meireles提出的三段样条模型（spline model）进行提取动力学建模；通过高效液相色谱-二极管阵列检测器（HPLC-DAD）分析类胡萝卜素谱；利用扫描电子显微镜（SEM）观察提取前后酵母细胞的形态变化；使用AGREEprep软件基于10个参数进行可持续性评估。酵母菌株为*R. glutinis*（CCT 2182，来自巴西坎皮纳斯André Tosello基金会）。

关于研究结果，论文分为以下几个部分进行阐述：

**3.1 常规类胡萝卜素提取**：通过浸提（maceration）比较乙酸乙酯/甲醇混合溶剂与乙醇的提取效果。研究发现，两种溶剂获得的类胡萝卜素总量在统计学上无显著差异（分别为41.48 μg β-胡萝卜素/g bm dw和39.20 μg β-胡萝卜素/g bm dw），表明乙醇可作为绿色溶剂替代传统有机混合溶剂。All-E-β-胡萝卜素是主要类胡萝卜素，分别占两种提取物色谱峰的67%和76%。

**3.2 超声和微波辅助提取的优化**：采用CCRD优化UAE和MAE工艺。UAE的类胡萝卜素含量范围为7.10–31.78 μg β-胡萝卜素/g bm dw，MAE范围为5.67–17.51 μg β-胡萝卜素/g bm dw。最高产率条件下，UAE达到76.60%（31.78 μg β-胡萝卜素/g bm），MAE为42.21%（17.51 μg β-胡萝卜素/g bm）。帕累托图显示，功率对UAE影响最大，而溶剂:生物量比对MAE影响最大。响应面分析表明，UAE最佳区域为功率>450 W、溶剂:生物量比45–55 v/w；MAE最佳区域为功率200–350 W、溶剂:生物量比>65 v/w。方差分析（ANOVA）显示模型显著，UAE的决定系数R²=0.828，MAE的R²=0.670。在优化条件下，UAE获得22.24 μg β-胡萝卜素/g bm dw（相对误差20.05%），MAE获得12.57 μg β-胡萝卜素/g bm dw（相对误差28.85%）。类胡萝卜素谱分析表明，MAE更高效地回收了all-E-β-胡萝卜素和all-E-torulene，而UAE则产生了更多的顺式异构体，说明空化效应更易诱导异构化。抗氧化活性测试显示，乙酸乙酯/甲醇浸提液活性最高（ABTS法7.60 μmol Trolox/g bm，DPPH法3.86 μmol Trolox/g bm），但UAE和MAE的乙醇提取物活性高于常规乙醇浸提。

**3.3 动力学研究**：在优化条件下进行提取动力学实验，应用Meireles模型拟合。MAE的恒速提取期（tCER）为1.12 min，降速提取期（tFER）为4.75 min；UAE的tCER为1.80 min，tFER为6.40 min。MAE过程中，温度在5 min后超过80°C，导致类胡萝卜素含量下降，而UAE在冰浴控制下最高温度仅52.7°C，未出现降解。动力学曲线显示，两种技术在降速提取期结束时（约6 min）均可获得超过90%的类胡萝卜素产率。

**3.4 形态学观察**：扫描电子显微镜（SEM）图像显示，未处理的冻干酵母细胞呈典型卵圆形。浸提后细胞完全破碎。MAE处理后，细胞保持形状但尺寸减小、变平，部分破裂，这是由电磁波引起的高内压所致。UAE处理后，细胞壁出现明显的切割状破裂，这是空化气泡塌陷的机械效应，说明UAE对细胞壁的破坏更彻底，与其更高的提取产率一致。

**3.5 超声和微波辅助提取的可持续性评估**：基于AGREEprep软件评估，UAE和MAE的最终得分均高于0.5，表明实验室规模下具有较好的可持续性。两项技术在样品制备位置（参数1）得分较低（非原位）、在有害材料使用（参数2）、材料可持续性（参数3）和操作者安全（参数10）方面获得满分（使用乙醇作为GRAS溶剂）。MAE在样本量（0.43 g）、样品通量（12.3 样本/h）和能耗（15.83 W·h）方面优于UAE（0.61 g、9.4 样本/h、42.67 W·h）。两种技术均需提取、过滤、蒸发三个步骤，并进行后续色谱分析。研究指出规模化时能耗和溶剂管理会影响可持续性，但乙醇作为GRAS溶剂可回收利用，有望降低环境影响。

总结讨论部分，研究人员指出，UAE和MAE在类胡萝卜素回收中表现出不同特征：UAE产率更高但伴随更多异构化，MAE则因热降解限制产率但保留更多all-E-异构体。两种技术均比常规法更可持续，主要得益于提取时间缩短和避免有毒溶剂。研究结论部分翻译如下：

**结论**：本研究证明了UAE和MAE技术从酵母*R. glutinis*中回收类胡萝卜素的可行性。在所评估的方法中，UAE在类胡萝卜素回收方面表现出更高的效率，产率超过76%。最高产率区域为UAE：功率>450 W、溶剂:生物量比45–55 v/w；MAE：功率200–350 W、溶剂:生物量比>65 v/w。两种提取技术在结果中显示出不同特征，不仅体现在类胡萝卜素浓度和谱图上，还体现在提取后基质的结构上。从结构上看，浸提导致细胞完全破裂（摩擦和溶剂作用），MAE导致细胞变平并部分破裂（高内压），而UAE因超声空化气泡塌陷引起更明显的细胞壁破裂。此外，空化促进了all-E-类胡萝卜素向all-Z的异构化；MAE中体积加热导致的温度升高则引起类胡萝卜素降解。因此，当需要高类胡萝卜素产率且希望使用低温和较长提取时间时，UAE是更优选择；而当需要更高抗氧化活性和更低异构体含量的提取物时，MAE更为推荐。总体而言，UAE和MAE可被视为有前景的提取策略，在实验室规模下相比常规方法具有改善的可持续性指标，特别是溶剂和生物量可重复利用、使用乙醇作为GRAS溶剂以及提取时间缩短直接降低了能耗。这些结果有助于开发更可持续和高效的从微生物源生产类胡萝卜素的提取工艺，降低后续加工中有机溶剂去除成本，拓宽在食品、化妆品、保健品和医药领域的应用前景。未来研究应关注这些非常规方法的中试放大，包括全面的生命周期评估和经济效益可行性研究，并探索溶剂回收与再利用策略以充分支持提取过程的可持续性主张。