超声辅助提取技术能够提高从混合微藻中提取富含抗氧化剂的碳水化合物成分的效率

《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted extraction enhances recovery of antioxidant-rich carbohydrate fraction from mixed microalgae species

研究探讨了超声辅助提取（UAE）参数对微藻脱脂生物质中碳水化合物的产率、组成及抗氧化活性的影响。结果表明，优化条件（25分钟，100%振幅，1:15固液比）下UAE提取的碳水化合物产率较传统热水提取（HWE）提高138.5%，且DPPH自由基清除率提升35%，主要归因于尿onic酸、硫酸基团及酚类物质含量的增加。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实UAE提取物中多糖结构更完整，扫描电镜（SEM）显示超声处理显著破坏微藻细胞壁，增强溶剂渗透。尿onic酸与抗氧化活性呈最强正相关（r=0.82）。该研究为微藻多糖作为功能性食品原料的工业化生产提供了理论依据。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了超声波辅助提取（UAE）对微藻碳水化合物的提取效果及其功能特性的影响。微藻是一种重要的生物资源，具有快速生长和高效固碳的能力，同时能合成多种具有生物活性的分子，包括脂质、蛋白质、碳水化合物、维生素和植物营养素。其中，碳水化合物因其多种功能特性，如抗氧化、抗炎、抗肿瘤和抗菌等，而受到广泛关注。然而，关于超声波处理参数如何影响微藻碳水化合物的功能特性，尤其是其抗氧化活性和相关的理化性质，如硫酸盐、尿素酸含量，目前的研究仍显不足。

传统的碳水化合物提取方法，如热水提取和酸碱提取，虽然已被广泛应用，但它们往往需要较长的提取时间，并且依赖于有害的化学物质，这不仅增加了生产成本，还对环境造成一定负担。因此，寻找更环保、高效且经济的提取技术成为研究的重点。近年来，绿色技术如超声波、微波、高压均质和脉冲电场等被广泛用于微藻碳水化合物的提取，这些方法不仅减少了化学试剂的使用，还降低了能耗和废物产生。

超声波辅助提取是一种通过高频超声波产生空化效应的机械提取方法。空化效应可以导致微泡在溶剂中形成并最终破裂，从而产生高温、高压和冲击波，有助于破坏微藻细胞壁，提高溶剂的渗透性和质量传递效率。这一过程能够在较低的温度下实现较高的提取效率，同时避免对热敏性成分的破坏，使得提取的碳水化合物保留其原有的生物活性。

研究团队使用了单因素分析法，测试了不同的提取时间（10–30分钟）、超声波振幅（20–100%）和固液比（1:10–1:30 g/mL）对碳水化合物提取的影响。结果显示，提取时间对提高抗氧化活性具有最大的影响。在最优超声波提取条件下（25分钟，100%振幅，1:15 g/mL），提取物中尿素酸、硫酸盐和纤维含量显著高于热水提取的提取物。这些成分的增加与更强的抗氧化活性（DPPH自由基清除能力提高了约35%）相一致。进一步的关联分析还表明，尿素酸对抗氧化活性的影响最为显著。

此外，研究团队还对不同提取条件下的碳水化合物提取物进行了化学特性分析，包括总酚含量（TPC）、硫酸盐含量、尿素酸含量以及纤维含量。结果表明，随着提取时间的延长，TPC呈现出先增加后减少的趋势，这可能是因为长时间的超声波作用会导致自由基的生成，从而加速酚类化合物的降解。然而，尿素酸和硫酸盐的含量随着提取时间的增加而上升，这可能与细胞壁的破裂和功能成分的释放有关。

研究还比较了超声波提取（UAE）和传统热水提取（HWE）的提取效果。在最优条件下，UAE提取物的碳水化合物和蛋白质含量分别比HWE提取物高出138.5%和178.5%。同时，尿素酸和硫酸盐的含量也显著增加，表明UAE能够更有效地释放这些具有生物活性的成分。此外，UAE提取物的总酚含量略高于HWE提取物，这进一步支持了其在抗氧化方面的优势。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究团队确认了提取物中尿素酸和硫酸盐的存在。FTIR光谱显示，UAE提取物的吸收峰比HWE提取物更强烈，这表明其提取效率更高。扫描电子显微镜（SEM）分析也揭示了UAE和HWE对微藻细胞结构的不同影响。UAE处理后，细胞表面出现更多的裂纹和碎片，这表明其在细胞破坏方面更为有效，从而提高了提取效率。

研究团队还分析了提取物的抗氧化能力，包括DPPH自由基清除能力、羟基自由基（OH•）清除能力、ABTS自由基清除能力和FRAP值。结果显示，UAE提取物的抗氧化活性普遍高于HWE提取物，尤其是在较低浓度下，其抗氧化能力更为显著。这表明，UAE能够在较低的提取浓度下实现更高的抗氧化效果，可能是因为其更有效地释放了具有生物活性的成分。

通过皮尔逊相关系数分析，研究团队发现尿素酸含量与抗氧化活性之间存在显著的正相关关系，而总酚含量与所有抗氧化活性测试也显示出正相关。这表明，尿素酸和总酚是影响微藻提取物抗氧化能力的主要因素。同时，蛋白质含量也与抗氧化活性密切相关，这可能是因为蛋白质中的一些功能基团，如叶绿素和芳香族残基，能够有效清除自由基。

研究的结论指出，超声波辅助提取在优化条件下能够显著提高微藻碳水化合物的提取率和抗氧化活性，比传统热水提取更具优势。尿素酸被确认为影响抗氧化活性的主要成分，这为未来研究提供了方向，即通过进一步纯化和优化提取条件，提高微藻碳水化合物的生物活性。此外，研究建议未来可以探索将超声波技术与其他可持续加工方法结合，以进一步提升微藻碳水化合物作为功能性食品成分的潜力。

该研究不仅为微藻碳水化合物的提取和应用提供了科学依据，也为绿色技术在食品工业中的推广和应用提供了参考。通过优化提取参数，可以实现更高的提取效率和更好的生物活性保留，从而满足现代食品工业对可持续性和经济性的需求。未来的研究可以进一步探讨不同微藻种类的提取效果，以及如何通过不同的提取条件来最大化其功能特性，以开发更多具有健康益处的食品产品。