基于生物表面活性剂稳定空气纳米气泡联合超声破碎绿色提取柑橘果皮总黄酮的新策略

《Future Foods》：Green extraction of total flavonoids (TF) from Citrus pericarp using novel air nanobubbles (NBs) stabilized with biosurfactants assisted by ultrasonic disruption (UD)

本研究针对传统柑橘果皮黄酮提取方法有机溶剂用量大、效率低等问题，开发了一种利用阿拉伯胶（AG）和甜菊糖苷（STE）复合生物表面活性剂稳定空气纳米气泡（NBs），并联合超声破碎（UD）的绿色提取新工艺。通过响应面法优化，在135 W超声功率、4.1 C溶剂浓度、30.5°C水浴温度和31 min超声时间下，陈皮苷（Chazhigan）果皮总黄酮（TF）提取量达20.82 mg/g DW，显著优于80%乙醇提取法（12.22 mg/g DW）。该技术为柑橘加工副产物高值化利用提供了环保、高效的新途径。

　　

在全球柑橘加工产业蓬勃发展的背景下，大量柑橘果皮作为副产物常被废弃，不仅造成资源浪费，还可能引发环境问题。然而，研究表明柑橘果皮富含黄酮类化合物、多酚等天然活性物质，其含量甚至高于果肉。这些成分具有抗氧化、抗肥胖、抗抑郁等多种生物活性，在功能性食品、医药和保健品领域展现出巨大潜力。传统提取方法（如有机溶剂浸提、热回流）虽能有效获取目标成分，但往往需要高温或大量使用乙醇、甲醇等有毒溶剂，存在安全风险和环境污染隐患。因此，开发高效、环保的绿色提取技术成为当前研究的重点。

为应对这一挑战，浙江大学的研究团队在《Future Foods》上发表了一项创新性研究，旨在建立一种基于生物表面活性剂稳定空气纳米气泡（NBs）并结合超声破碎（UD）辅助的柑橘果皮总黄酮（TF）绿色提取新方法。该研究聚焦于具有药食同源价值的柑橘品种“茶枝柑”（Citrus reticulata 'Chachiensis'），其干燥果皮即为中药材“陈皮”的原料，具有重要的健康产业关联性。

研究人员首先自主设计了一套纳米气泡发生装置，该装置利用陶瓷纳米气盘，结合伯努利流体动力学原理，在生物表面活性剂（阿拉伯胶，AG；甜菊糖苷，STE）存在下生成并稳定空气纳米气泡。他们系统表征了不同浓度混合溶剂（mix-sol）中纳米气泡的稳定性、粒径分布、Zeta电位等基础指标。通过单因素试验和Box-Behnken响应面法，优化了影响“茶枝柑”果皮总黄酮提取的关键工艺参数（超声功率、溶剂浓度、水浴温度、超声时间）。最终，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术对提取物进行了形貌和结构表征，并通过超高效液相色谱（UPLC）和高效液相色谱（HPLC）对黄酮类成分进行了定性分析，同时评估了提取物的体外抗氧化活性（DPPH法、ABTS法）。

关键技术方法

研究选取了7种代表性柑橘果皮（包括茶枝柑、贡川、红美人等）的冻干粉末作为样本。核心技术包括：利用新型装置生成并由AG/STE复合溶剂稳定的空气纳米气泡（NBs）；采用超声破碎（UD）技术辅助提取；通过单因素试验和响应面法（RSM）系统优化提取工艺（功率、浓度、温度、时间）；运用FT-IR、SEM、TEM对提取过程和产物形貌、结构进行表征；采用UPLC-MS/MS和HPLC对黄酮类成分进行定性与分析；并通过DPPH和ABTS法评价提取物的化学抗氧化能力。

3.1. 纳米气泡的表征

通过接触角、粒径分析等手段，证实了AG/STE混合溶剂能有效稳定纳米气泡，其中4 C浓度溶剂效果最佳，气泡粒径可稳定在纳米级别（约36-61 nm），Zeta电位表明体系稳定性良好。纳米气泡的浓度受通电时间、静置时间和储存温度影响，最佳使用时机为制备后1天内。

3.2. 传统与新型绿色提取法总酚和总黄酮含量比较

对比80%乙醇、水及不同浓度混合溶剂（含/不含NBs）对7种柑橘果皮的提取效果，发现含NBs的绿色溶剂在多数情况下能提高总酚（TP）和总黄酮（TF）的提取率，但传统乙醇法的提取量仍相对较高，提示需对绿色提取工艺进行优化。

3.3. 响应面优化与验证

单因素试验表明，超声功率、溶剂浓度、水浴温度和超声时间均显著影响“茶枝柑”果皮TF提取率。通过响应面法建立模型并优化，得到最佳条件为：超声功率135 W，溶剂浓度4.1 C，水浴温度30.5°C，超声时间31 min。在此条件下，TF提取量达20.82 ± 0.85 mg/g DW，显著高于80%乙醇提取（12.22 ± 0.90 mg/g DW）。体外抗氧化实验显示，生物表面活性剂本身具有抗氧化活性，其混合溶剂及由此提取的黄酮提取物抗氧化能力均优于传统乙醇提取物。

3.4. 提取过程中相关物质的表征

UPLC和HPLC分析表明，“茶枝柑”果皮黄酮提取物中主要含有橙皮苷（Hesperidin）、川陈皮素（Nobiletin）和桔皮素（Tangeretin）等成分。SEM和TEM观察显示，绿色提取溶剂能更均匀地包裹提取物，超声破碎辅助有助于破坏样品表面结构，促进溶出；纳米气泡在绿色溶剂中具有更稳定的“壳层”结构。FT-IR分析表明，提取物与溶剂间主要通过氢键等物理作用结合，未发生化学反应。

讨论与结论

本研究成功构建了一种环保、高效的柑橘果皮总黄酮提取新技术。其重要意义在于：

1. 1.
   绿色环保：以食品级生物表面活性剂（AG、STE）和水为主要溶剂，替代了传统有毒有机溶剂，降低了环境与安全风险。
2. 2.
   高效提取：结合纳米气泡（增大接触面积、产生空化能量）和超声破碎（破坏细胞结构）的协同效应，显著提高了黄酮类化合物的提取效率。
3. 3.
   机制探讨：研究初步揭示了生物表面活性剂可能通过其两亲性结构（亲水外壳、疏水空腔）封装黄酮分子，并通过氢键作用增强其在水中的溶解度，纳米气泡的稳定存在及破裂能量也促进了提取过程。
4. 4.
   应用潜力：提取物与溶剂形成的混合物本身可能具有协同增效作用，为开发兼具提取与递送功能的柑橘源功能性产品提供了新思路。

该研究为柑橘加工副产物的高值化、资源化利用提供了切实可行的绿色技术方案，对推动食品、医药领域的可持续发展具有积极意义。未来研究可进一步深入探讨生物表面活性剂与特定黄酮单体的相互作用机制，并探索提取物在体内的生物利用度。