《Scientific Reports》：Green approach in saponin extraction from Acanthophyllum caryophyllaceae root based on ultrasonication coupled with solvent extraction method and its lyophilization
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本研究针对传统皂苷提取方法效率低、溶剂消耗大等问题，开发了一种结合超声辅助萃取与冷冻干燥的绿色工艺。研究人员通过响应面法优化了乙醇浓度和超声时间，成功从刺叶草根中高效提取了皂苷，并制备出具有高比表面积和良好乳化性能的纳米级冻干粉末。该研究为天然乳化剂在食品和医药领域的应用提供了新思路。
在追求健康与天然成分的今天，食品、化妆品和医药行业对天然乳化剂的需求日益增长。皂苷作为一种非离子型表面活性剂，因其两亲性结构（一端亲水，一端亲油）而备受关注，被广泛应用于冰淇淋、巧克力、蛋黄酱等食品中，起到稳定、起泡和抗菌的作用。然而，传统的皂苷提取方法往往依赖高能耗的热回流或索氏提取，且使用大量有机溶剂，不仅效率低下，还对环境不友好。因此，开发一种高效、环保的绿色提取技术迫在眉睫。
石竹科刺叶草（Acanthophyllum caryophyllaceae）的根，在伊朗被称为“Chubak”，是皂苷的丰富来源，传统上被用作肥皂和洗发水。为了从这种植物中高效获取皂苷，并为其在工业中的应用铺平道路，来自伊朗萨汉德理工大学的Sama Yavarzadeh、Hoda Jafarizadeh-Malmiri和库尔德斯坦大学的Omid Ahmadi组成的研究团队，在《Scientific Reports》上发表了一项研究。他们开发了一种结合超声辅助萃取与冷冻干燥的绿色工艺，成功从刺叶草根中提取了皂苷，并系统地表征了其理化性质，为天然乳化剂的开发与应用提供了新策略。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）中的中心复合设计（Central Composite Design, CCD）来优化提取工艺，考察了乙醇浓度和超声时间两个关键变量对皂苷提取效果的影响。其次，他们采用超声辅助萃取技术，利用超声空化效应破坏植物细胞壁，提高皂苷的溶出效率。最后，他们通过冷冻干燥（Lyophilization）技术将提取的皂苷胶体溶液制备成易于储存和运输的粉末，并利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、高效液相色谱（HPLC）、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热法（DSC）、比表面积分析（BET）和X射线衍射（XRD）等多种分析手段，对提取物和冻干粉末的浓度、乳化性能、抗氧化活性、化学结构、形貌、热稳定性、比表面积和晶体结构进行了全面的表征。
模型生成
研究人员首先通过响应面法建立了预测模型，以评估乙醇浓度和超声时间对皂苷提取效果的影响。他们发现，乙醇浓度的主效应和二次项对乳化指数、吸光度和抗氧化活性均有显著影响，而超声时间的主效应对吸光度和抗氧化活性影响不显著。所建立的三个模型（预测乳化指数、吸光度和抗氧化活性）均具有较高的决定系数（R2> 90%），且失拟项的P值均大于0.05，表明模型拟合良好，能够准确预测提取过程。
提取因素对含ES溶液乳化指数的影响
研究结果表明，提取物的乳化指数在0.270至0.667之间变化。在超声时间恒定的情况下，随着乙醇浓度的增加，乳化指数先升高后降低。这可能是由于低浓度的乙醇能增强皂苷的溶解性，而高浓度的乙醇则因极性过低而降低了皂苷的活性。此外，乙醇浓度和超声时间之间存在显著的交互作用，表明两者共同影响着皂苷的乳化性能。
提取因素对含ES溶液吸光度的影响
吸光度是衡量皂苷浓度的指标，其值在0.071至0.406% a.u.之间。研究发现，在超声时间恒定的情况下，随着乙醇浓度的增加，溶液的吸光度显著降低。这表明低浓度的乙醇更有利于皂苷的溶出。此外，乙醇浓度和超声时间的交互作用对吸光度的影响不显著。
提取因素对含ES溶液抗氧化活性的影响
提取物的抗氧化活性在20.3%至26.7%之间。结果表明，在低至中等超声时间下，随着乙醇浓度的增加，抗氧化活性先升高后降低；而在高超声时间下，抗氧化活性则随乙醇浓度的增加而增加。乙醇浓度和超声时间之间存在显著的交互作用，表明在优化条件下，两者协同作用可以最大化皂苷的抗氧化能力。
工艺优化与验证
研究人员通过图形和数值优化，确定了最佳提取条件：乙醇浓度为34%，超声时间为13分钟。在此条件下，预测的乳化指数、吸光度和抗氧化活性分别为0.588、0.157% a.u.和25.55%。通过验证实验，实验值与预测值无显著差异，证明了模型的可靠性。通过高效液相色谱（HPLC）分析，确定在此最佳条件下提取的皂苷浓度为1.4% (W/V)。
采用最佳提取工艺条件制备的冻干皂苷的规格
研究人员对最佳条件下提取的皂苷进行了冷冻干燥，并对所得粉末进行了全面的表征。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示，冻干皂苷含有O-H、C-H、C=O、C=C、C-O-C和C-O等官能团，证实了其皂苷结构。差示扫描量热法（DSC）分析表明，冻干皂苷的熔点为123.7°C。比表面积分析（BET）结果显示，其比表面积高达72.14 m2g-1，这得益于冷冻干燥过程。X射线衍射（XRD）图谱显示，冻干皂苷具有半结晶结构，主要以无定形态存在。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，冻干皂苷呈球形团聚体。动态光散射（DLS）分析表明，冻干皂苷的粒径（Z-平均）为7 nm，多分散指数（PDI）为0.341，Zeta电位为-15.3 mV，表明其具有良好的分散稳定性。
本研究成功开发了一种结合超声辅助萃取与冷冻干燥的绿色工艺，用于从石竹科刺叶草根中提取皂苷。通过响应面法优化，确定了最佳提取条件，并成功制备出纳米级的冻干皂苷粉末。该粉末具有高比表面积、良好的乳化性能和抗氧化活性，为其在食品、医药和化妆品等领域的应用奠定了基础。该研究不仅提供了一种高效、环保的皂苷提取方法，也为其他植物活性成分的提取与开发提供了有益的借鉴。
