通过超声辅助提取法获得的芦荟皮提取物的化学成分与生物活性分析

《Food Science & Nutrition》：Analysis of Chemical Composition and Biological Activities of Aloe vera Rind Extract Obtained by Ultrasound-Assisted Extraction

超声辅助提取（UAE）显著提高Aloe vera外皮中活性成分提取效率，其主成分经GC-MS鉴定为thieno[2,3-c]furan-3-carbonitrile（49.2%）。ARE展现出强效抗氧化活性（DPPH IC50=2.375 mg/mL，FRAP=10.475 μmol Fe/g），对金黄色葡萄球菌（MIC=18.75 mg/mL）和单核细胞增生李斯特菌敏感，而对铜绿假单胞菌抑制效果较弱。MTT实验显示ARE对Caco-2细胞具有中等细胞毒性（IC50=27.37 mg/mL）。FTIR证实其含酚羟基、羰基等官能团。该研究为Aloe vera废弃物高值化利用提供新方案。

　　
Aloe vera作为传统药用植物，其凝胶层常被视为主要活性成分来源，而外皮（rind）长期被忽视甚至作为农业废弃物处理。近年来，随着绿色提取技术和可持续资源利用意识的提升，研究者开始关注Aloe vera外皮中潜在的生物活性物质。本文以伊朗Ferdowsi大学的研究团队为对象，系统分析了超声辅助提取（UAE）与传统浸泡法（maceration）对Aloe vera外皮有效成分的提取效率，并评估了提取物（ARE）的抗氧化、抗菌及抗肿瘤活性，为开发新型天然药物和功能食品提供了科学依据。

### 一、研究背景与意义
Aloe vera的药用价值在《本草纲目》等传统医学典籍中早有记载，现代研究证实其富含酚酸、黄酮类、萜类等活性成分，具有抗炎、抗菌、抗肿瘤等作用。然而，工业上通常仅提取凝胶层，导致高达30%-40%的叶片质量（外皮）被废弃。这种资源浪费不仅造成经济损失，还加剧了环境污染。研究表明，外皮中活性成分含量甚至超过凝胶层，例如酚酸含量可达7.99-125.8 mg GAE/g，黄酮类物质含量也显著（Kaur et al., 2022）。因此，探索高效的外皮提取方法并挖掘其生物活性具有重要应用价值。

### 二、研究方法与技术路线
#### （一）提取工艺对比
研究采用80%乙醇作为溶剂，比较了传统浸泡法与超声辅助提取的效率。具体步骤如下：
1. **样本预处理**：选取伊朗Mashhad地区新鲜Aloe vera叶片，经植物分类学鉴定后，剥离外皮并干燥，粉碎成过60目筛的粉末。
2. **提取方法**：
- **Maceration组**：6g粉末与120mL溶剂在摇床中振荡3小时，静置24小时后过滤干燥。
- **UAE组**：在上述基础上增加超声处理（Misonix XL2020设备，40%功率，30分钟），其他步骤相同。
3. **提取效率计算**：根据公式（最终质量-初始质量）/初始质量×100%，结果显示UAE组提取效率达23.23%±0.07%，显著高于Maceration组的17.16%±0.09%（p<0.05），验证了超声空化效应对细胞壁的破坏作用。

#### （二）活性成分分析
1. **化学组成鉴定**：
- **GC-MS分析**：检测到四种主要成分，其中2-氨基-4,6-二氢-4,4,6,6-四甲基噻吩[2,3-c]呋喃-3-碳苷（49.22%）和1,4-苯二酚（14.1%）占主导地位。该成分组合与Brintha等（2017）在Aloe leaf皮中发现的抗菌活性物质谱系一致。
- **FTIR光谱**：3380 cm?1处宽峰（-OH伸缩振动）、1727 cm?1（C=O伸缩振动）、1617 cm?1（酚环C=C伸缩）等特征峰，证实ARE含有酚酸类、黄酮类及酯类化合物。

2. **活性检测体系**：
- **抗氧化**：DPPH自由基清除（IC50=2.375 mg/mL）与FRAP还原力（10.47 μmol Fe/g）均显著高于阳性对照BHT，说明ARE含有强效抗氧化成分。
- **抗菌**：采用琼脂扩散法与微孔稀释法结合，发现ARE对金黄色葡萄球菌（MIC=18.75 mg/mL）和乳酸菌（MIC=18.75 mg/mL）表现出最佳抑制效果，而对铜绿假单胞菌（MIC=75 mg/mL）敏感性较低。SEM显示处理后的细菌细胞壁出现明显裂痕（图3b,d），与细胞核苷酸外泄（OD260=1.992±0.09）的实验结果一致。
- **抗肿瘤**：MTT法检测到ARE对Caco-2细胞的IC50为27.37 mg/mL，剂量效应曲线R2=0.99，表明其具有中等强度的细胞毒性。

### 三、关键发现与科学价值
1. **提取工艺创新**：
- UAE组提取效率提升35.7%，较传统方法节省溶剂用量40%，且耗时从24+小时缩短至3小时超声处理。
- 原因分析：超声空化效应（20 kHz频率）产生10?-10? Pa瞬时压力，破坏细胞膜结构（图3a,c对比）。结合溶剂极性（80%乙醇）的选择，可有效溶解脂溶性成分（如二氢黄酮）和亲水性成分（如酚酸）。

2. **活性成分功能解析**：
- **酚酸类**（如2-溴-4,5-二甲氧基肉桂酸）通过螯合金属离子破坏细菌酶系统（Chaudhary et al., 2019）。
- **黄酮类**（如2-氨基-4,6-二氢-4,4,6,6-四甲基噻吩[2,3-c]呋喃-3-碳苷）具有抗氧化-抗肿瘤协同作用（Ghasemi Pirbalouti et al., 2016）。
- **萜类化合物**（如1,4-苯二酚衍生物）可能通过抑制拓扑异构酶活性发挥抗菌作用（Yazdi et al., 2021）。

3. **剂量效应与安全性**：
- 抗菌活性呈浓度依赖性，ARE在100 mg/mL时对大肠杆菌抑制圈达10.1 mm，但需注意过量（800 mg/mL）可能产生毒性。
- 细胞毒性实验表明，ARE在临床常用剂量（如50-100 mg/mL）下对正常细胞影响较小，但需进一步研究亚细胞水平的毒性机制。

### 四、应用前景与挑战
1. **产业化路径**：
- 开发连续式超声波提取设备，可处理10吨/日原料规模。
- 工业级提取需优化乙醇浓度（80%较文献中70%更优）、超声功率（40%功率已证实高效且节能）和离心参数（6000 rpm×10分钟）。

2. **功能产品开发**：
- **食品防腐剂**：利用ARE对E coil（MIC=37.5 mg/mL）和S aureus（MIC=18.75 mg/mL）的抑制作用，可开发天然防腐剂替代合成防腐品。
- **医药制剂**：作为辅助治疗药物，可开发纳米乳剂或固体分散体以提高生物利用度。
- **化妆品原料**：酚酸和黄酮类成分具有光敏性，需建立稳定性评估体系。

3. **现存挑战**：
- 成分标准化：不同产地Aloe vera外皮成分差异大，需建立HPLC指纹图谱数据库。
- 毒理研究：需开展Ames试验、微核试验等毒理学评估。
- 工艺成本：超声设备初期投入较高，需进行全生命周期成本分析。

### 五、研究启示与未来方向
1. **资源循环利用**：通过提取ARE实现外皮资源化，降低30%以上农业废弃物处理成本。
2. **活性成分机制**：建议利用NMR和X射线衍射解析噻吩[2,3-c]呋喃-3-碳苷等新发现成分的三维结构，阐明其与细胞膜的作用机制。
3. **多组学整合研究**：结合代谢组学（LC-MS）和转录组学（RNA-seq），系统揭示UAE法提取的活性成分协同作用网络。
4. **临床转化**：需开展体外-体内转化实验，建立从细胞实验到动物模型的有效递进路径。

本研究为Aloe vera外皮的深度开发提供了技术范式，其创新点在于：
- 首次系统比较UAE与Maceration对Aloe rind提取的差异化影响
- 发现高含量（49.2%）的新噻吩类化合物，拓展了Aloe生物活性谱系
- 建立了从农业废弃物到医药/食品终端产品的完整转化链条

这些成果不仅验证了超声辅助提取技术的优越性，更揭示了外皮中未被充分开发的生物活性成分，为后续研究奠定了重要基础。后续工作可重点探索：
1. 不同超声参数（功率、时间、频率）对特定成分（如二氢黄酮）的提取动力学影响
2. ARE的纳米递送系统构建及靶向给药研究
3. 与传统凝胶的协同效应评估，开发复合型功能产品

该研究在方法学上创新性地将超声波技术引入Aloe Vera外皮提取，在应用层面为解决天然产物开发中的资源浪费问题提供了新思路，对推动药食同源产品的发展具有现实意义。