利用超声波辅助提取（UAE）技术优化仙人掌（Opuntia ficus-indica）果实中生物活性化合物和植物化学物质的提取过程

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Optimization of Bioactive Compound and Phytochemical Extraction From Prickly Pear (Opuntia ficus-indica) Fruit Through Ultrasound-Assisted Extraction (UAE)

采用响应面法与中心复合设计优化超声波辅助提取（UAE）仙人掌果中的总酚（TPC）、总黄酮（TFC）及总甜菜红素（TBC）含量，研究乙醇浓度、柠檬酸浓度及超声功率的影响。最佳条件为乙醇31.5%、柠檬酸0.074%、功率400W，此时TPC 1.97mg GAE/g，TFC 3.75mg quercetin/g，TBC 1.05mg/100g，DPPH自由基清除率55.35%，FRAP值5.60mg Fe2?/g。UAE显著提高提取效率，产物可作天然抗氧化剂和色素应用于食品。

　　本研究聚焦于一种名为 *Opuntia ficus-indica* 的仙人掌果（PPF）中天然抗氧化物和色素的提取优化。通过响应面法（RSM）和中心组合设计（CCD）结合超声波辅助提取（UAE）方法，对三个关键独立变量——乙醇浓度（0%、24%、48%、72%、96%）、柠檬酸浓度（0%、0.25%、0.50%、0.75%、1%）以及超声波功率（0、100、200、300、400 W）的影响进行了系统分析。研究的主要目标是评估这些变量如何影响PPF提取物（PPFE）的总酚类物质（TPC）、总黄酮类物质（TFC）、总类黄酮物质（TBC）、DPPH自由基清除活性（RSA）以及铁还原抗氧化能力（FRAP）等指标。最终确定了最佳提取条件，并验证了该提取物在食品工业中的应用潜力。

PPF是一种广为人知的水果，其丰富的营养价值和独特的风味使其在食品和农业领域具有广泛应用。它不仅可用于制作各种食品产品，还被用作牲畜饲料、工业原料，例如生产胶合剂、胶水和肥皂等，还被应用于制药和化妆品行业。此外，其嫩茎叶可以作为蔬菜和沙拉食材，未成熟的果实可用于制作仿腌制品。这种水果富含维生素C、钾、钙和磷等营养成分，同时含有大量的类黄酮化合物，这些化合物具有抗氧化和抗炎特性。PPF的高糖低酸特性，使其在低酸食品中可作为天然色素添加剂使用。而其果肉呈碱性，总可溶性固形物（TSS）含量较高，为食品加工提供了良好的基础。

在提取方法方面，传统浸泡法虽然是一种常用手段，但存在溶剂和能源消耗大、提取时间长等问题。为了提高提取效率，近年来许多研究提出了新型的辅助提取技术，例如微波辅助提取（MAE）和超声波辅助提取（UAE）。这些技术通过优化参数，显著缩短了提取时间并降低了溶剂使用量，从而提升了提取物的产量和质量。特别是UAE，因其对细胞壁的破坏性作用，可以加速提取过程，提高生物活性物质的提取效率。此外，研究还发现，酸化提取介质对酚类、黄酮类和类黄酮化合物的提取具有积极影响，表明酸性环境有助于这些物质的溶解和释放。

为了系统研究PPFE的提取条件，本研究采用RSM和CCD方法，设计了一系列实验，并通过HPLC-DAD-ESI-TOF-MS技术对提取物中的类黄酮化合物进行了定性和定量分析。实验结果表明，随着超声波功率的增加，TPC、TFC和TBC均显著提高。然而，乙醇浓度对TPC和TFC呈现负相关关系，即高浓度的乙醇会导致这些物质含量下降。同时，柠檬酸浓度的增加也促进了提取物中酚类、黄酮类和类黄酮化合物的提取，但其影响因其他变量的协同作用而有所变化。在DPPH RSA和FRAP测定中，乙醇浓度与超声波功率之间的交互作用对抗氧化活性有负面影响，而柠檬酸与超声波功率的交互作用则显示了不同的趋势。

通过分析实验数据，研究发现最佳提取条件为：乙醇浓度31.50%、柠檬酸浓度0.074%、超声波功率400 W。在这些条件下，PPFE的TPC为1.97 mg GAE/g鲜果，TFC为3.75 mg槲皮素/g鲜果，TBC为1.05 mg/100 g鲜果，DPPH RSA为55.35%，FRAP值为5.60 mg Fe2?/g鲜果。这一结果表明，PPFE在营养和健康方面具有显著潜力，并可作为天然抗氧化剂和色素用于食品配方，以延长食品的保质期并提升其营养价值。

进一步的分析显示，不同提取条件对TPC、TFC和TBC的影响具有不同的趋势。对于TPC，超声波功率和柠檬酸浓度的二次效应均对提取物的总酚类含量有显著影响，而乙醇浓度的线性效应则表现出负面影响。这说明在提取过程中，高浓度的乙醇可能会破坏一些敏感的酚类化合物，从而降低其含量。然而，当乙醇浓度降低时，超声波功率的增加能够有效提升TPC，表明适度的乙醇浓度配合较高的超声波功率可以实现高效的提取。对于TFC，柠檬酸浓度的二次效应和超声波功率的线性效应均表现出正向影响，说明酸化环境有助于黄酮类化合物的释放，而高功率的超声波则进一步促进了其提取效率。TBC则主要受到柠檬酸浓度和超声波功率的正向影响，表明酸化和超声波处理对于类黄酮化合物的提取具有协同作用。

在实际应用中，PPFE的抗氧化活性（如DPPH RSA和FRAP）不仅取决于提取条件，还与提取物中各种化合物的协同作用有关。实验结果显示，DPPH RSA和FRAP值在最佳条件下均达到较高水平，这表明PPFE在食品工业中具有潜在的应用价值。同时，研究还通过HPLC-DAD-ESI-TOF-MS技术对提取物中的类黄酮化合物进行了识别，包括多种氨基酸与类黄酮的结合物，如组氨酸-类黄酮（muscarine）、谷氨酰胺-类黄酮（vulgaxanthin）等。这些化合物的分子式、保留时间、紫外-可见光吸收特性以及质谱数据均被详细记录，以确保提取物的准确性和一致性。

研究还发现，不同溶剂和酸化条件对提取物中类黄酮化合物的含量有显著影响。例如，使用水和乙醇的混合溶剂可以提高酚类化合物的提取效率，而单独使用乙醇可能由于其较高的极性，导致部分水溶性物质的流失。因此，为了实现高效的提取，溶剂的选择和酸化条件的优化显得尤为重要。此外，超声波功率的增加能够破坏植物组织的细胞壁，从而促进物质的释放，但过高功率可能会对提取物中的敏感成分产生负面影响。

综上所述，PPFE的提取优化不仅有助于提升其抗氧化活性，还为食品工业中天然色素和抗氧化剂的开发提供了新的思路。研究通过系统分析提取条件，揭示了乙醇浓度、柠檬酸浓度和超声波功率之间的复杂关系，为实际应用中的工艺优化提供了科学依据。此外，研究还强调了酸化和超声波辅助提取技术在提升植物提取物中生物活性成分提取效率方面的重要作用。未来的研究可以进一步探索不同植物材料中类似成分的提取规律，并结合其他提取技术（如超临界流体提取）来提升提取效率和产品稳定性。