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为提升实验室规模超声提取（UAE）效率，研究人员以柑橘皮粉为对象，探究了粒径、探头类型、位置及玻璃器皿几何形状对其影响。结果表明不同因素显著影响提取效果。该研究为优化 UAE 工艺提供依据，助力天然提取物产业发展。
在食品和化妆品等行业，植物化学物质因其多样的功能而备受青睐。柑橘类水果的果皮富含具有生物活性的植物化学物质，尤其是柚（Citrus maxima）的果皮，其中的黄酮类化合物等含量丰富。传统的溶剂和蒸汽蒸馏提取方法在提取柑橘皮中的植物化学物质时存在不足，如组织和细胞穿透不充分、间质溶解不完全等。而超声辅助提取（Ultrasound-assisted extraction，UAE）技术因其独特的优势逐渐受到关注。超声波在液体介质中传播时，会引发一系列的压缩和稀疏过程，当强度超过阈值，介质会产生纳米到微米级的空洞和气泡，这些气泡在崩溃时会产生高压微射流，能够破坏细胞结构，促进溶剂扩散，提高提取效率。同时，UAE 还能通过局部快速散热，保护热敏性酚类化合物，保留提取物的生物活性。
尽管 UAE 在植物化学物质提取方面具有潜力，但在实验室规模的应用中，仍存在一些关键问题尚未得到充分解决。例如，反应器容器设计以及超声探头在容器内的放置位置对提取过程的影响尚不明确。硬件的多样性可能会影响超声在玻璃容器边界内的传播，导致介质内能量分布不均匀，进而影响提取效果。此外，不同的样品粒径、探头类型等因素也可能对提取效率和提取物的生物活性产生复杂的影响。为了深入了解这些因素，优化实验室规模的 UAE 工艺，研究人员开展了相关研究。
研究人员以成熟的 Citrus maxima 果实的外果皮（flavedo）为研究对象，该果实采自同一棵树并在同一天进行处理。在研究中，他们使用了不同类型的实验室玻璃器皿，包括试管、离心管、烧杯、锥形瓶和圆底烧瓶，以及两种不同直径的超声探头（3mm 和 13mm）。同时，研究人员将柑橘皮制成不同粒径范围（100 - 150μm、150 - 300μm 和 300 - 500μm）的粉末进行实验。
研究采用的主要关键技术方法包括：首先，将柑橘皮洗净、干燥、研磨并过筛，得到不同粒径的粉末样本。然后，使用探头式超声仪（VCX750，NEWTON，USA）进行超声提取实验，以 80% 乙醇为提取溶剂，在特定的功率（500W）、频率（20kHz）、脉冲模式（3s 开和 2s 关）、振幅（3mm 探头为 20%，13mm 探头为 50%）和温度（40℃）条件下进行提取。提取结束后，通过离心、干燥等操作处理样品。最后，利用分光光度法测定提取物的总酚含量（Total phenolic content，TPC）、总黄酮含量（Total flavonoid content，TFC），并通过 DPPH 还原活性（DPPH reducing activity，DPPHRA）和铁离子还原抗氧化能力（Ferric ion reducing antioxidant power，FRAP）实验评估提取物的抗氧化活性。此外，研究人员还运用主成分分析（Principal component analysis，PCA）研究不同 UAE 配置之间的样品差异及其对提高提取物产量和生物活性的功效。
研究结果
- 粒径的影响：较小粒径（100 - 150μm）的柑橘皮粉因表面积增加，与空化气泡和溶剂的相互作用增强，提取产量更高。然而，其提取物的生物活性却较低。这是因为过度的空化力可能会触发细胞壁内降解酶（如多酚氧化酶）的释放，降解酚类物质，且超声能量转化为热对小粒径颗粒更为不利，会导致目标酚类物质的热降解和氧化增加。相反，较大粒径（300 - 500μm）的颗粒受到超声的影响较小，提取物中 TPC、TFC 更高，抗氧化活性更强。
- 探头类型的影响：3mm 直径的探头在提取效率和提取物质量方面表现更优，其提取物的产量比 13mm 探头高约 43%，TPC 高 40%，TFC 高 38%，FRAP 高 28%。这得益于较小探头的高能量密度、更强烈的局部空化效应、更好的传质效果以及减少的热降解和氧化作用。
- 探头位置的影响：将探头置于更靠近提取容器底部的位置，能够诱导更大的空化区域，提高提取效率。例如，在试管和离心管中，探头置于 50mm 深度处，在圆底烧瓶中置于 60mm 深度处，在烧杯和锥形瓶中置于 70mm 深度处时，提取物的产量、TPC、TFC 和抗氧化活性均显著提高。此外，探头在容器内的表面积也与提取效率呈正相关，但锥形瓶的特殊形状限制了超声的有效传播，影响了提取效率。
- 容器几何形状的影响：不同玻璃器皿的提取效率存在差异，试管和离心管的提取效率较高，其次是圆底烧瓶、烧杯，锥形瓶最低。试管和离心管较小的横截面直径减少了探头与容器壁的距离，有利于超声传播和形成高压力区域，促进提取。圆底烧瓶的凹形底部能够聚焦声波，产生均匀的声压区域，提高提取效率。而烧杯的直壁会均匀反射声波，导致声压消散，锥形瓶的结构则限制了超声传播，影响提取效果。
- 主成分分析（PCA）：PCA 分析结果显示，试管、离心管和圆底烧瓶中提取物的质量优于烧杯和锥形瓶。其中，试管中具有最高探头浸没深度的样品表现出更好的提取效果。此外，在较小溶剂体积下，3mm 探头比 13mm 探头的提取效果更好，但在烧杯中，由于 3mm 探头与烧杯壁距离较大，13mm 探头的提取效果更佳。
研究结论和讨论
该研究全面地探究了超声辅助提取参数对从 Citrus maxima 外果皮中提取植物化学物质的影响。研究结果表明，粒径、探头直径、探头位置和反应器容器几何形状等因素对提取产量和生物活性有显著影响。较小粒径虽然能提高产量，但不一定能提升提取物的生物活性，而较大粒径的提取物在生物活性方面表现更优。3mm 直径的探头在提取过程中展现出更高的效率和更好的提取物质量。适当的探头位置，如较深的探头放置深度，能够增强提取效果。同时，玻璃器皿的几何形状也在提取过程中发挥着关键作用，窄体玻璃器皿和具有特殊底部形状的容器更有利于提取。
这些研究结果对于优化实验室规模的超声辅助提取工艺具有重要意义。它为研究人员在选择合适的实验条件和设备时提供了科学依据，有助于提高植物化学物质的提取效率和质量，推动天然提取物产业的发展。此外，研究还指出，未来可以进一步探索不同的能量和时间变化，结合不同的玻璃器皿和探头位置，以进一步优化提取过程，确保实验的准确性和可重复性。该研究成果发表在《Food Physics》上，为相关领域的研究提供了有价值的参考，也为超声辅助提取技术在其他领域，如食品加工、化妆品生产和医药研发等方面的应用奠定了基础。
