通过超声辅助深共晶溶剂提取的白芍根成分的工艺优化及其抗氧化活性

《Ultrasonics Sonochemistry》：Process optimization and antioxidant activity of white peony root components extracted via ultrasound-assisted deep eutectic solvents

本研究通过超声辅助深共熔溶剂（UAE-DES）优化提取白芍根中的主要活性成分（芍药苷、儿茶素、白芍苷、1,2,3,4,6-五-O- галлозил-β-д-глюкоза），采用响应面法确定最佳参数为超声时间41分钟、固液比1:40 g/mL、DES与水比例58%。相比传统溶剂，提取效率提高4-13倍，并验证了DES的高效性和可重复性，同时通过FTIR、1H NMR和DFT分析揭示了氢键作用与超声空化效应协同提取的机制。

　　本研究旨在通过一种新的绿色溶剂体系——超声波辅助的深共熔溶剂（UAE-DES）技术，从白芍根中高效提取富含抗氧化活性的成分，并通过响应面法（RSM）对提取过程进行优化，以提升其抗氧化能力。白芍根（WPR）是一种广泛用于传统中药的植物，其富含多种生物活性成分，包括单萜苷（MTGs）如芍药苷（PF）和芍药苷（Alb），以及多酚类化合物（PPs）如儿茶素（Cat）和1,2,3,4,6-五-O-没食子酰-β-D-葡萄糖（PGg）。这些成分在健康食品和营养补充剂领域具有广泛应用潜力，因此，开发一种高效、经济且对环境友好的提取方法显得尤为重要。

### 研究背景

白芍根因其抗氧化、抗炎和免疫调节等健康益处而受到越来越多的关注，尤其是在食品和保健品行业。然而，传统溶剂如甲醇、乙醇和丙酮等，虽然在提取过程中表现出一定的效率，但其高挥发性、毒性和不可再生性使得它们在大规模应用时面临环保和健康方面的挑战。为了克服这些限制，研究者开始探索更环保的替代方案，其中深共熔溶剂（DES）因其无毒、可再生和良好的溶解性能而受到关注。DES作为一种新型的绿色溶剂，能够有效提取植物中的生物活性成分，且在提取效率和生物活性方面优于传统方法。为了进一步提高提取效率，超声波辅助提取（UAE）技术也被引入，因其能够降低能耗、缩短提取时间并提高提取效果。

### 材料与方法

本研究中，采用了多种DES和传统溶剂进行比较实验，以确定最佳提取条件。所使用的DES包括二元和三元体系，而传统溶剂则为甲醇、乙醇和丙酮等。通过高效液相色谱（HPLC）方法，对提取物中的PF、Cat、Alb和PGg进行了定量分析。实验过程中，对单因素（如DES的类型、摩尔比、水含量、超声时间、固液比等）进行了系统研究，并结合响应面法优化了提取参数。此外，为了评估DES的再利用性，研究者还采用大孔树脂对提取物进行了回收实验，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（¹H NMR）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，进一步分析了提取机制和分子相互作用。

### 实验结果与讨论

通过实验筛选，发现基于胆碱溴化物和甲酸（DES17）的二元体系在提取PF、Cat、Alb和PGg方面表现出最佳效果。在优化实验中，采用Box-Behnken设计模型，确定了最优提取条件：DES与水的混合比例为58%，固液比为1:40 g/mL，超声时间为41分钟。在这些条件下，WPR的提取率达到了18.16±0.67 mg/g，比传统方法提高了4到13倍。此外，研究还发现，MQ-08大孔树脂对WPR成分的吸附和解吸效率较高，回收率达到76.38%，且DES在连续使用三次后仍能保持较高的提取效率。

在抗氧化活性评估方面，采用DPPH、ABTS⁺和FRAP三种方法，对不同溶剂提取的WPR成分进行了测试。结果显示，DES提取的WPR成分在抗氧化能力方面显著优于传统溶剂提取的成分，其IC₅₀值更低，表明其对自由基的清除能力更强。尽管DES提取物的抗氧化活性仍低于维生素C（Vc），但其表现已远超传统溶剂提取物，证明了DES在提取过程中的优势。同时，通过FTIR和¹H NMR分析，进一步揭示了DES与WPR成分之间的氢键相互作用，为理解其提取机制提供了分子层面的依据。

### 结构表征与分子相互作用分析

为了深入了解DES的提取机制，研究者利用扫描电子显微镜（SEM）观察了不同提取方法对WPR表面结构的影响。结果显示，超声波辅助的DES提取显著破坏了WPR的细胞壁，使其结构变得多孔，从而提高了成分的释放效率。相比之下，传统溶剂如甲醇和乙醇虽然也能部分破坏细胞壁，但效果不如DES。此外，FTIR和¹H NMR分析进一步证实了DES中氢键的形成，表明其能够有效促进目标成分的溶解和提取。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究者还分析了DES与WPR成分之间的分子相互作用，发现DES17与目标成分之间形成了最多的氢键，且其键长和能量变化也最为显著，这解释了其为何在提取过程中表现出更高的效率。

### 技术优势与环境意义

与传统方法相比，UAE-DES技术在多个方面展现出显著优势。首先，其提取效率更高，能够更快地释放WPR中的生物活性成分。其次，该技术的能耗较低，提取时间相对较短，符合现代绿色化学的发展趋势。此外，DES具有良好的可重复使用性，减少了溶剂的消耗和废弃物的产生，从而降低了对环境的影响。这些优势使得UAE-DES成为一种有潜力的可持续提取方法，尤其适用于天然产物的高效提取。

### 未来展望

尽管本研究已经证明了UAE-DES技术在提取WPR成分方面的有效性，但进一步的体内实验和商业化测试仍需进行，以验证其在实际应用中的可行性。此外，随着对天然产物研究的深入，未来可以探索更多类型的DES及其组合，以适应不同植物材料的提取需求。同时，开发更高效的分离和纯化技术，也是提升该技术应用价值的重要方向。本研究不仅为WPR的高效提取提供了理论支持，也为天然产物提取技术的绿色化和可持续发展提供了新的思路。