非离子表面活性剂协同超声辅助提取黄芪茎叶废弃物黄酮类化合物的优化研究及其抗氧化活性评价

本研究针对黄芪(Astragalus membranaceus)茎叶废弃物(AMW)中黄酮类化合物提取效率低、能耗高的问题，开展了非离子表面活性剂整合超声辅助提取(UAE)的优化研究。通过响应面法(RSM)优化获得最佳工艺条件：超声时间55 min、温度50°C、乙醇浓度70%、功率100 W，使黄酮得率提升25.60%，能耗降低59.26%。该方法绿色度评分达0.78，提取物在DPPH、ABTS、FRAP和羟基自由基清除实验中均表现出优异抗氧化活性，为植物生物质废弃物的高值化利用提供了可持续解决方案。

　　

黄芪作为传统中药材，其根部富含黄酮类化合物等生物活性成分而被广泛应用，但每年超过2万吨的种植规模产生了大量茎叶废弃物(AMW)。这些废弃物通常被丢弃，不仅造成资源浪费，还带来环境压力。传统提取方法存在溶剂毒性大、耗时长、效率低等局限，迫切需要开发高效环保的提取技术。

为应对这一挑战，绵阳市农业科学院的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》上发表论文，首次系统研究非离子表面活性剂整合超声辅助提取(UAE)技术从AMW中提取黄酮类化合物的优化工艺。研究发现Genapol X-080是最有效的表面活性剂，通过Plackett-Burman设计(PBD)筛选出液固比、超声时间、温度、乙醇浓度和功率等关键因素，再采用Box-Behnken设计(BBD)结合响应面法(RSM)进行优化。

关键技术方法包括：通过单因素实验确定各参数适宜范围；采用PBD筛选显著性因素；运用RSM建立数学模型优化工艺；通过 Analytical GREEnness metric (AGREE)评估环境友好性；采用DPPH、ABTS、FRAP和羟基自由基清除实验评价抗氧化活性。实验样本为采自内蒙古奈曼旗药材研发中心的黄芪茎叶，经ITS DNA分子测序鉴定。

3.1. 选择最佳非离子表面活性剂

研究发现非离子表面活性剂能显著提高黄酮得率，其中Genapol-X080在2.0%浓度时效果最佳，因其具有适宜的亲水亲油平衡值(HLB)和分子结构，能有效提高细胞壁通透性和降低溶剂表面张力。

3.2. 选择最佳提取方法

比较研究表明，非离子表面活性剂整合UAE的黄酮得率显著高于搅拌辅助提取(SAE)和加热提取(HRE)。超声波空化效应产生的机械力能有效破坏细胞壁结构，促进黄酮释放。

3.3. 环境影响评价

AGREE评估显示UAE绿色度得分为0.78，显著高于HRE(0.60)和SAE(0.62)。UAE方法具有自动化程度高、样品通量大(每次12个样品)和能耗低(0.225 kWh)等优势。

3.4. 单因素实验

通过系统研究液固比、超声时间、温度、乙醇浓度和功率对黄酮得率的影响，发现：液固比30 mL/g时得率最高；超声时间60 min为最佳；温度50°C时既能保证提取效率又避免黄酮降解；70%乙醇浓度最适宜；100 W超声功率可实现最佳空化效果。

3.5. Plackett-Burman设计筛选显著性因素

PBD分析确定超声时间(B)影响最显著，其次为超声温度(C)、乙醇浓度(D)和超声功率(E)，而液固比(A)影响不显著。由此建立的一阶多项式模型为：Y = 8.81 + 0.1317A + 0.9933B - 0.6100C - 0.7383D + 0.6450E。

3.6. 响应面实验结果

通过BBD建立的二次回归模型具有高度显著性(p < 0.0001)，确定最佳工艺参数为：超声时间56.65 min、温度51.05°C、乙醇浓度71.29%、功率102.46 W。经验证实验调整至超声时间55 min、温度50°C、乙醇浓度70%、功率100 W，实际黄酮得率达14.77 ± 0.05 mg/g，与预测值高度吻合。

3.7. 优化对UAE的影响

优化后UAE(OUAE)使黄酮得率从11.76 mg/g提高到14.77 mg/g，提升25.60%；能耗从810,000 J降至330,000 J，降低59.26%。与传统方法相比，该方法在更温和条件下实现了更高得率和更低能耗。

3.8. 抗氧化能力评价

OUAE提取物在0.2-1.4 mg/mL浓度范围内表现出浓度依赖性的抗氧化活性。在DPPH、ABTS、FRAP和羟基自由基清除实验中均显示强大自由基清除能力，证实其作为天然抗氧化剂的巨大潜力。

该研究成功建立了非离子表面活性剂整合UAE从AMW中提取黄酮类化合物的优化工艺，不仅显著提高得率和降低能耗，还通过多指标抗氧化评价证实提取物的生物活性。该方法环境友好性突出，为植物生物质废弃物的资源化利用提供了科学依据，在功能性食品、医药和绿色提取技术领域具有广泛应用前景。未来研究应重点关注表面活性剂-黄酮相互作用的分子机制，以及该技术在工业规模下的适用性和稳定性。