I-最优与Box-Behnken设计在胡萝卜渣NADES绿色提取果胶中的评估：优化策略与结构特性研究

《Carbohydrate Polymers》：Evaluation of I-optimal and Box–Behnken designs for green extraction of pectins using NADES from carrot pomace

本研究针对传统果胶提取方法的环境负担问题，采用天然低共熔溶剂（NADES）结合两种响应面法（BBD和IOD）优化胡萝卜渣果胶绿色提取工艺。结果表明IOD模型在预测精度（产率R2=0.95）和参数范围适用性方面更具优势，获得的果胶具有高半乳糖醛酸含量（80.7%）和低甲酯化特性，为农业废弃物高值化利用提供了新范式。

　　

在食品加工产业链中，每年全球会产生数以亿吨计的植物加工副产物，这些富含生物活性成分的废弃物往往被直接丢弃或简单转化为饲料肥料，不仅造成资源浪费，更带来环境压力。其中，胡萝卜渣作为果汁产业的典型副产物，含有丰富的果胶类多糖——这种具有凝胶性、乳化性和生物活性的天然高分子，在食品、医药和化妆品领域具有广阔应用前景。然而传统果胶提取多采用强酸、强碱或有机溶剂，存在环境污染大、能耗高、产物纯度低等痛点，与绿色化学理念背道而驰。

近年来，天然低共熔溶剂（NADES）作为一种新兴绿色溶剂体系崭露头角，它由天然存在的氢键供体（如有机酸、糖类）和氢键受体（如胆碱盐）通过氢键网络形成，具有可生物降解、低毒性、制备简单等优势。但如何精准优化NADES提取工艺参数（如组分比例、提取时间），使其在保证高果胶产率的同时获得理想结构特性（如高半乳糖醛酸含量、特定酯化度），仍是研究者面临的挑战。常规的单因素优化法效率低下且难以捕捉参数间的交互作用，而响应面法（RSM）等多元统计工具虽能系统优化过程，但不同设计策略（如Box-Behnken设计BBD与I-最优设计IOD）在预测精度和适用范围上存在差异，其对比研究尚属空白。

在此背景下，波兰弗罗茨瓦夫理工大学化学系的Aleksandra Mazurek-Ho?ys等人在《Carbohydrate Polymers》发表研究，系统比较了BBD和IOD两种设计在胡萝卜渣NADES提取果胶中的表现。研究人员设计了三元NADES体系（胆碱氯化物/葡萄糖/柠檬酸，ChCl/Glc/CA），以提取时间、三种组分摩尔比为自变量，以果胶产率、多糖含量、半乳糖醛酸（UA）含量等为响应值，通过25组实验构建数学模型。结果显示IOD模型在预测果胶产率（R2=0.95）和UA含量（R2=0.81）方面均优于BBD，且在整个设计空间内预测方差分布更均匀。在最优条件下，IOD提取的粗果胶产率达20.1%，UA含量73.5%；BBD则分别为20.4%和71.0%。经离子交换色谱纯化后，IOD主要果胶组分（IO F1）得率72.7%，半乳糖醛酸（GalA）含量80.7%；BBD组分（BB F1）得率93.3%，GalA含量80.9%。

为深入解析果胶结构，研究团队综合运用动态光散射（DLS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、傅里叶变换拉曼光谱（FT-Raman）、凝胶渗透色谱（GPC）及核磁共振（NMR）等技术。DLS显示纯化后果胶粒径分布更均一；单糖组成分析证实两种果胶均以GalA为主（>80%），伴有一定比例的鼠李糖（Rha）、半乳糖（Gal），提示存在同型半乳糖醛酸（HG）主链和少量鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I（RG-I）区域。FT-IR和Raman谱图在1746 cm^-1处未发现明显甲酯特征峰，表明果胶为低甲酯化类型；NMR进一步确认了→4)-α-D-Gal pA-(1→重复单元的主导地位，以及RG-I区Gal侧链的存在。扫描电镜（SEM）显示两种果胶均形成致密层状网络结构，与其高亲水性相符。

在关键实验方法方面，研究首先通过真空加热法制备ChCl/Glc/CA三元NADES，并以1:9质量比加水稀释。以干燥胡萝卜渣为原料，在100°C下进行回流提取，通过醇沉、透析、真空干燥获得粗果胶。采用离子交换色谱（DEAE-Sephadex A-50柱）对粗品进行分级纯化，利用NaCl梯度洗脱获得主要果胶组分。化学表征包括酚-硫酸法测总糖、间羟基联苯法测UA、Folin-Ciocalteu法测多酚；结构分析涉及DLS测粒径、GC-MS分析单糖组成、振动光谱和NMR解析官能团与链结构，GPC评估分子量分布，SEM观察表面形貌。

3.1. 提取工艺优化

通过比较BBD和IOD的实验矩阵发现，IOD模型能更全面覆盖参数空间，其预测方程对产率和UA含量的拟合优度（R2）显著高于BBD。关键影响因素分析表明：氯化胆碱（ChCl）用量增加和提取时间延长会提升UA含量，但过长提取时间（如6小时）会导致多糖降解，反而降低产率；葡萄糖（Glc）的加入虽提高溶剂亲水性，但过量会增加粘度，不利于目标物溶出。响应面三维图清晰显示，在ChCl用量2 mol、CA用量1-3 mol、时间4小时的区域可获得产率与UA含量的最佳平衡。

3.2. 优化产物及其果胶组分的化学表征

离子交换纯化后，BBD和IOD粗果胶分别获得主组分BB F1和IO F1。化学分析显示纯化组分的中性糖、多酚和蛋白含量显著降低，纯度提高。单糖组成中GalA占比均超80%，Rha/GalA比值约0.07-0.08，提示RG-I区域占比有限；(Ara+Gal)/Rha比值较高（>2.0），表明RG-I区侧链以半乳糖为主。GC-MS结合羧基还原技术准确定量了GalA及其衍生中性糖，避免了酚-硫酸法对UA响应的低估问题。

3.2.1. FT-IR和FT-Raman光谱

红外光谱中，粗产物在1746 cm^-1处的弱吸收峰（酯羰基）在纯化组分中消失，取而代之的是1614 cm^-1和1417 cm^-1的羧酸盐特征峰，证实果胶以钠盐形式存在且甲基酯化度极低。拉曼光谱在1322 cm^-1、1103 cm^-1等处的信号与HG骨架振动吻合，两谱联合印证了果胶以非酯化HG为主的结构特点。

3.2.2. NMR光谱

一维和二维NMR（COSY、HMQC、HMBC）谱图明确指认了果胶的结构单元：主要信号归属为→4)-α-D-Gal pA-(1→（化学位移δ_H 5.06-5.12, δ_C 99.63），以及少量→2)-α-L-Rha p-(1→（δ_H 5.30）和→4)-β-D-Gal p-(1→侧链。未检测到甲酯信号，再与RG-I区交替连接的Rha残基信号微弱，进一步支持了低甲基酯化HG主导的结论。

3.3. 扫描电子显微镜

SEM图像显示BB F1和IO F1均呈现不规则颗粒聚集形貌，表面粗糙多孔，这种结构有利于水分子结合，与高亲水性果胶的特性一致。干燥过程中水分均匀挥发形成致密网络，但高度带电的GalA残基间的静电排斥限制了分子链移动，导致微孔结构得以保留。

本研究通过系统比较BBD和IOD两种实验设计在NADES提取胡萝卜渣果胶中的应用，证实IOD在建模精度和空间探索能力上更具优势。所得果胶具有高GalA含量（>80%）、低甲基酯化度和规整的HG主链结构，其理化特性适宜作为功能性生物聚合物用于食品胶凝剂或药物载体。研究不仅为农业废弃物资源化提供了绿色提取新方案，更通过多维度结构解析阐明了NADES-果胶相互作用机制，为后续定向修饰与应用开发奠定了理论基础。值得注意的是，IOD模型展现的优越性提示其在复杂生物聚合物提取工艺优化中具有广泛推广潜力，特别是在需要平衡多指标响应、参数交互作用显著的体系中。