虾青素是一种天然类胡萝卜素，具有极强的抗氧化活性，其抗氧化活性约为VE的550 倍、其他类胡萝卜素（如玉米黄质、叶黄素、角黄素和β-胡萝卜素）的10 倍。在保健品、化妆品及水产饲料等领域具有广阔的应用前景。虾青素的主要天然来源包括微藻、酵母和甲壳类动物，其中，从南美白对虾（Litopenaeus vannamei）（以下简称对虾）的虾壳副产物中提取虾青素是当前的研究热点。传统虾青素提取多采用乙醇、乙酸乙酯等有机溶剂，存在毒性高、环境污染及安全性差等问题。近年来，新型绿色溶剂——低共熔溶剂（DES）被开发为绿色替代体系。DES由氢键受体（如氯化胆碱、甜菜碱）与氢键供体（如乳酸、甘油、有机酸等）通过氢键相互作用形成，具有低毒性、生物可降解性及优异的溶解性能。其独特的溶解能力源于组分间形成的强氢键及动态氢键网络，可有效破坏虾壳中钙质和蛋白质结构，促进虾青素的释放，同时避免有机溶剂挥发带来的环境风险。目前，不同类型的DES已被用于虾青素的绿色提取，如氯化胆碱-乳酸体系、氯化胆碱-甘油体系和百里香酚-油酸体系等，均表现出良好的提取性能。然而，DES普遍黏度较高，尤其在低温下更为显著，会降低虾青素与溶剂间的传质效率，导致提取效能下降。为此，传统方法常通过加水稀释或能量辅助（如超声、微波）改善流动性。刘宇航等采用氯化胆碱-乳酸型DES（物质的量比1∶2，含水量10%）并结合超声辅助，实现了较高的虾青素提取率。超声的空化效应可破碎虾壳结构、加速传质，从而提升提取速率。
微波处理也是DES中常用的物理技术。Chi Hai等利用氯化胆碱-乳酸型DES（物质的量比1∶2，15%含水量）进行微波辅助提取，同样获得较好的提取效果。DES黏度高主要源于体系内部致密的氢键网络，而外加水可插入该网络，竞争形成新的氢键连接，从而削弱原有氢键网络，增加体系自由体积并提高流动性。已有研究指出，微波可影响水体系的氢键网络，而DES的黏度又与其氢键网络结构和氢键强度直接相关，据此推测微波可以直接扰乱DES的氢键网络，从而活化DES、降低黏度并增强其提取能力。然而，传统微波辅助提取常需间歇加热或同步冷却以避免虾青素热降解，限制了微波对DES的充分活化。同时频繁的加热-冷却循环会导致体系温度波动，影响虾青素纯度与抗氧化活性，并存在加热不均、设备复杂及难以工业化放大的问题。
基于此，上海海洋大学食品学院的张杭、施文正、栾东磊*等以氯化胆碱-乳酸型DES为提取溶剂，提出“微波离线活化”的新型技术体系。相比传统在线微波辅助，可以对DES施加更大的功率、更高的温度、更长的时间，使微波的非热效应充分发挥出来，并且避免微波直接辅助虾青素提取引起的热降解和温度波动；进一步，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析微波处理及水对DES氢键状态的影响规律；最后，利用超声辅助结合干燥处理方式探索工业化放大的可行性；以期为低能耗、高效、可工业化的绿色虾青素提取技术提供理论与技术支撑。
1 DES的黏度变化
DES中氯化胆碱和乳酸主要通过氢键相互结合，其高黏度与氢键网络密切相关。黏度是影响DES提取虾青素效果的关键因素。
本研究通过微波离线活化处理降低DES的黏度，并与水浴处理进行对比，结果见表1。随着水浴温度的升高，DES的黏度从54.17 mPa·s（40 ℃）降低至31.91 mPa·s（70 ℃），冷却至室温后恢复到未处理DES的黏度131.67 mPa·s左右，不同温度处理的DES再次水浴加热至40 ℃后黏度无显著差异；DES经家用微波炉2 450 MHz处理，随着处理温度的升高，DES的黏度从45.21 mPa·s（40 ℃）显著降低至19.47 mPa·s（70 ℃）趋于稳定，与19.37 mPa·s（80 ℃）无显著差异，冷却至室温后均未恢复到未处理DES的黏度，再次水浴加热至40 ℃后黏度仍显著低于相同水浴处理DES的黏度；DES经大功率915 MHz处理，随着处理温度的升高，DES的黏度从40.73 mPa·s（40 ℃）显著降低至15.33 mPa·s趋于稳定（70 ℃），与15.53 mPa·s（80 ℃）无显著差异。冷却至室温后均显著低于相同2 450 MHz处理DES的黏度，再次水浴加热至40 ℃后黏度仍显著低于相同2 450 MHz处理DES的黏度，且各温度处理之间存在显著差异。因此，水浴条件下，温度升高可以通过热能增加DES体系分子运动性能，使部分氢键断裂，导致氢键网络致密程度降低，从而降低DES的黏度，当降低至室温时，DES体系氢键网络完全恢复。然而，无论经2 450 MHz还是915 MHz处理到不同温度的DES，冷却至室温后其黏度均未恢复，并且不同处理温度之间存在显著差异。微波活化温度越高，对DES黏度的不可逆作用越显著。另外，915 MHz微波处理DES在各个温度下黏度均低于2 450 MHz，这可能与微波的电场强度及能量分布特征有关。综上，推断微波降低DES黏度的机制包括热效应与氢键网络“碎片化”两方面：一是微波加热使体系温度升高，削弱氢键的稳定性，黏度下降；二是在交变电场作用下极性分子或基团发生快速翻转振动，扰乱DES的三维网络结构，导致原本大而致密的氢键网络“碎片化”为更小、更灵活的分子团簇，黏度下降。
混合10%含水量DES（DES-W）及经915 MHz微波离线活化处理后的黏度结果如表2所示。在室温下，DES的黏度为131.67 mPa·s，而DES-W为49.93 mPa·s，表明水的加入能显著降低DES的黏度，水分子（强极性分子）作为新的氢键供体/受体会优先与氯化胆碱和乳酸竞争氢键，从而减少氯化胆碱-乳酸的氢键数量，导致黏度降低流动性增强。进一步比较发现，DES与DES-W经915 MHz微波相同离线活化温度处理后黏度差异较小，说明水的加入提前显著降低DES的黏度，使得后续微波离线活化处理降低黏度的作用趋于温和。再次水浴加热至40 ℃条件下，915DES-70的黏度略低于915DES-W-70，推测微波对纯DES内部氢键网络“碎片化”作用强于10%含水量DES，虾青素提取效果可能更优。
2 微波离线活化处理DES对虾青素提取能力的影响
由DES的黏度结果可知，微波离线活化处理后DES的黏度从40 ℃开始降低，70 ℃趋于稳定，与80 ℃无显著差异。因此本研究选取40、70 ℃和80 ℃作为微波活化DES处理温度，用以分析其对虾青素的提取能力。
通过微波离线活化处理DES和DES-W及相同水浴处理DES，于40 ℃水浴条件提取虾青素能力对比，结果如图1所示。2 450DES-40和915DES-40的虾青素提取量分别为（19.65±0.43）μg/g和（20.67±0.66）μg/g，较未经微波活化的DES分别提高了53.04%和60.98%，表明微波高温活化处理可显著强化DES提取虾青素的能力。此外，915DES-40的提取量显著高于2 450DES-40；大功率915 MHz微波与2 450 MHz家用微波炉分别活化DES至40、70 ℃和80 ℃后，在40 ℃水浴条件下提取虾青素，随着微波活化温度升高，虾青素提取量逐渐增加，并在高温段趋于平稳。2 450DES-70与2 450DES-80的提取量分别为（22.41±0.25）μg/g和（22.55±0.25）μg/g，差异不显著（P＞0.05）；915DES-70与915DES-80的提取量分别为（23.28±0.50）μg/g和（23.62±0.33）μg/g，同样无显著差异（P＞0.05）。两种微波频率下，70 ℃与80 ℃处理组的提取量均显著高于40 ℃组；混合10%含水量DES（DES-W）经915 MHz加热至70 ℃后，其黏度略低于无水DES经相同微波条件处理的黏度，推测915DES-70的虾青素提取效果可能相当于915DES-W-70。915DES-70的虾青素提取量为（23.28±0.50）μg/g，高于915DES-W-70的（22.94±0.55）μg/g。尽管适量加水可降低DES的黏度并在一定条件下提高提取量，但会影响溶剂的回收与循环利用。相比之下，大功率915 MHz微波处理能在无外源水条件下降低DES的黏度，其虾青素提取效果与DES-W相当甚至略优，表明微波加热可显著活化DES，改善其流动性，从而提高虾青素的提取效果。综上，为兼顾提取效果与溶剂体系稳定性，后续实验选用大功率915 MHz作为DES的微波离线活化处理，70 ℃为DES微波离线活化处理的最佳温度，无水DES作为微波离线活化处理体系。
3 超声处理对虾青素提取效果的影响
已有研究表明，超声能够提高虾青素的提取效果，主要源于其空化效应与机械效应的协同作用。其中，超声温度、超声功率和超声时间是影响提取效果的关键参数。为探讨三者的作用规律，采用单因素试验研究超声温度（20、30、40、50、60 ℃）、超声功率（200、300、400、500、600 W）及超声时间（15、30、45、60、75 min）对超声辅助915DES-70提取虾壳中虾青素的影响，结果如图2所示。
图2a为超声温度对虾青素提取效果的影响。在固定超声时间30 min、功率300 W条件下，随着温度升高，虾青素提取量逐渐增加。这可能是由于温度升高降低了915DES-70的黏度，促进了与虾壳粉之间的传质，使更多虾青素溶出。当温度升至50 ℃时，提取量达到最大值（（31.81±0.50）μg/g），但与40 ℃处理差异不显著。考虑到较低温度有助于保持虾青素结构稳定性，确定40 ℃为最佳超声温度。
图2b为超声功率对虾青素提取效果的影响。在固定超声温度40 ℃、时间30 min条件下，虾青素提取量随功率增大呈先升后降趋势。当功率为400 W时，提取量最高（（31.38±0.66）μg/g）。适度高功率可产生显著空化效应，增强粒子碰撞，减薄固体基质边界层并提高传质速率，从而加快虾青素的释放与溶解。然而，过高功率会导致气泡体积过大、破裂不充分，空化效应减弱，且气泡过多会阻碍声波传播，导致提取量下降。因此，最佳超声功率为400 W。
图2c为超声时间对虾青素提取效果的影响。在固定超声温度40 ℃、功率300 W条件下，虾青素提取量随时间延长先升后降。当超声时间为30 min时，提取量最高（（31.68±0.66）μg/g）。适当的超声时间有利于破碎虾壳结构，使虾青素充分释放进入915DES-70中；但过长时间会引起体系升温及气泡累积，削弱超声波传播并导致虾青素降解。综合考虑，确定30 min为最佳超声时间。
经单因素试验得到最佳的超声温度为40 ℃、超声功率为400 W、超声时间为30 min，以此超声条件辅助915DES-70对低温真空干燥的对虾虾壳中虾青素进行提取，得到虾青素提取量为（32.70±0.42）μg/g。
4 FTIR分析
基于DES的黏度和提取能力的结果，推断微波活化处理可以扰乱DES的三维网络结构，使原本致密的氢键网络“碎片化”为大量且保留较强氢键强度的小团簇。为了进一步分析氢键网络的状态，本研究对不同处理后的DES在室温下进行了FTIR分析。
乳酸、氯化胆碱、DES及DES微波处理后样品的FTIR光谱结果如图3所示。所有样品在3 200～3 600 cm-1 附近均出现宽吸收带，对应O—H伸缩振动。其中，氯化胆碱在该区域存在一个强烈宽化的包状峰，源于季铵盐O—H振动峰的叠加，形成强烈的氢键复合峰。氯化胆碱的特征峰位于1 480（C—H弯曲振动）、1 091 cm-1（C—O伸缩振动）和953 cm-1（C—C伸缩振动）；乳酸则在1 728 cm-1和1 330 cm-1处表现出羧基C＝O和C—O的特征伸缩振动峰。当氯化胆碱与乳酸形成DES后，光谱特征发生显著变化。与乳酸相比，DES的C＝O伸缩振动峰由1 710 cm-1红移（向低波数方向移动）至约1 700 cm-1。这表明乳酸分子的羧基和羟基与氯化胆碱的氯离子（Cl-）之间形成了新的复杂氢键网络，C＝O峰更加尖锐，强度更大，说明DES的氢键强度显著增强。从而证实DES的成功形成主要依靠氢键连接。
DES经微波离线活化处理后，2 450DES-70与915DES-70样品的O—H峰位从3 519 cm-1分别移至3 592 cm-1和3 598 cm-1，峰位发生蓝移（向高波数方向移动）、峰形变窄及更加尖锐，这说明微波使DES内部原本密集的氢键网络被扰乱，部分氢键断裂为小尺度的氢键团簇。同时，C＝O峰均发生蓝移且峰强度减弱，表明DES经微波处理后整体氢键强度减弱（结合提取能力提升判断是弱氢键破坏导致）。尤其是915DES-70样品，其C＝O峰蓝移更明显、峰强度更弱，表明915 MHz微波场在更深层次上促进了氢键网络的“碎片化”，导致体系氢键密度下降，从而降低DES的黏度。
10%含水量DES（DES-W）的O—H峰位较DES从3 519 cm-1蓝移至3 538 cm-1、包状峰形变窄。C＝O峰位较DES从1 700 cm-1蓝移至1 743 cm-1。说明添加水显著改变了DES氢键网络状态。当DES-W经大功率915 MHz微波离线活化至70 ℃（915DES-W-70）后，C＝O特征峰强度进一步减弱，且1 091 cm-1附近的C—O振动峰趋于平缓。这表明在高温与微波的协同作用下，部分乳酸分子发生分子间脱水缩合生成乳酰乳酸，或进一步分解为丙烯酸等副产物，导致分子结构本质改变，氢键网络进一步重组，从而进一步降低黏度。
综上，验证了微波对DES氢键网络的“碎片化”作用，实现活化效果。微波与水的引入均能减弱DES内部氢键网络的密集程度，其中大功率915 MHz微波的活化效果最优。各样品氢键网络致密程度依次为DES＞2 450DES-70＞915DES-70＞DES-W＞915DES-W-70。FTIR结果与黏度变化趋势高度一致。
5 虾壳干燥方式及粉碎程度对虾青素提取量的影响
虾壳的干燥方式与粉碎程度是影响虾青素提取效果的重要因素。40 ℃真空干燥可能导致部分虾青素降解，而-50 ℃冷冻干燥虽能较好保留虾青素，但存在耗时长、能耗高等问题。粉碎程度也会显著影响虾青素提取效果，虾壳粉末越细腻，越有利于虾青素的释放与溶出。实验结果显示（图4），经-50 ℃冷冻干燥后的一次粉碎（（34.17±1.43）μg/g）与二次粉碎（（34.47±1.10）μg/g）样品提取量无显著差异，表明粉碎细化对-50 ℃冷冻干燥虾壳的提取效果影响有限。相比之下，40 ℃真空干燥一次粉碎样品的虾青素提取量较低（（32.70±0.42）μg/g），但经二次粉碎并再次通过50 目筛后，其提取量提高至（33.65±0.30）μg/g，达到-50 ℃冷冻干燥样品（（34.47±1.10）μg/g）的97%。这表明粉碎细化能显著增加40 ℃真空干燥虾壳的比表面积及细胞破碎程度，从而改善DES对虾青素的渗透与溶出性能，该结果与Razi Parjikolaei等的研究结果一致。
在干燥效率方面，40 ℃真空干燥100 g对虾虾壳仅需约12 h即可达到恒质量，而-50 ℃冷冻干燥相同质量样品需约36 h，干燥时间缩短约66%，显著降低能耗和设备成本。尽管真空干燥过程中虾壳组织可能因热收缩和蛋白质变性而形成较致密结构，影响溶剂渗透，但二次粉碎所带来的颗粒细化在一定程度上弥补了这一缺陷，使虾青素提取量接近冷冻干燥样品水平。
综上，40 ℃真空干燥结合二次粉碎处理可在保证较高虾青素提取率的同时，显著缩短干燥时间并降低能耗，具有良好的工艺可行性和工业化应用潜力。
结 论
本研究探讨了微波离线活化处理对氯化胆碱-乳酸型DES的性质及其对虾青素提取能力的影响，并阐述了微波活化DES的作用机制，进一步结合超声辅助技术，构建低能耗、高效的虾青素提取技术体系。主要结论如下：微波高温处理可显著活化DES体系，与相同温度水浴处理相比，经家用微波炉2 450 MHz与大功率915 MHz微波处理后，DES黏度明显降低且冷却至室温不会恢复到未处理DES的黏度，其中大功率915 MHz微波活化作用最显著；微波可在无外源水条件下有效降低DES黏度，从而替代水改善DES流动性；大功率915 MHz微波加热DES至70 ℃再冷却至室温，对虾青素的提取效果最优。
FTIR结果显示，微波处理及水的引入均使DES中C＝O与O—H峰位蓝移，表明氢键网络密度降低，说明微波通过破坏DES内部氢键网络中较弱的氢键，使DES内部氢键网络“碎片化”，以致原本致密的氢键网络解聚为大量稳定的小团簇，从而提高DES的流动性。证明了微波离线处理DES的活化效果。
大功率915 MHz微波离线活化（70 ℃）的DES，结合超声辅助提取的最佳条件为温度40 ℃、功率400 W、时间30 min。在此条件下，真空干燥二次粉碎虾壳的虾青素提取量达（33.65±0.30）μg/g，达冷冻干燥的97%，干燥时间缩短约66%，能耗更低。
综上，微波可通过离线高温处理“碎片化”DES内部氢键网络实现活化效果，显著降低DES的黏度并强化其对虾青素的提取能力；结合超声辅助与真空干燥处理，可在保证高提取效能的同时降低能耗，并为DES绿色提取虾青素及其工业化应用提供了“微波离线高温活化+低温超声辅助提取”的新思路。后续将对提取得到的虾青素性能等相关指标进行研究。
第一作者：
张杭 硕士研究生
上海海洋大学食品学院
张杭，上海海洋大学食品学院硕士研究生，主要研究方向为甲壳类虾青素提取。
通信作者：
栾东磊副教授
上海海洋大学食品学院
栾东磊，上海海洋大学食品学院副教授，硕士生导师，博士，上海市青年东方学者，上海市浦江人才，江苏省双创人才，青岛海洋食品营养与健康创新研究院特聘专家。
主要从事微波智能化装备和健康食品的研发，致力于食品加工新技术的工业化及高品质健康食品的推广。主持研发了国内首套896MHz、75KW工业微波灭菌系统，基于该系统建立了微波杀菌工艺研发流程。参与国家重点研发计划，主持研发了全球首套433MHz连续型工业微波杀菌系统。授权国家发明专利7 项，软件著作权1 项完成成果转化4 项。
引文格式：
张杭, 施文正, 王锡昌, 等. 超越加热: 微波离线活化低共熔溶剂强化虾青素提取能力[J]. 食品科学, 2026, 47(9): 253-260. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251126-212.
ZHANG Hang, SHI Wenzheng, WANG Xichang, et al. Beyond thermal effect: offline microwave activation of deep eutectic solvents to enhance astaxanthin extraction[J]. Food Science, 2026, 47(9): 253-260. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251126-212.
实习编辑：林安琪；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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