超声波辅助提取玉米须抗炎活性成分的工艺优化与机器学习筛选及互作机制研究

本研究针对玉米须(Zea mays L.)资源利用率低、传统抗炎药物副作用大等问题，通过响应面法优化超声波辅助提取(UAE)工艺获得1.26 mg/g异荭草素(isoorientin)，结合QSAR模型(R2 =0.9582)和SHAP可视化筛选出电荷/脂溶性关键分子特征，经分子对接与动力学模拟验证异荭草素对COX-2的强抑制作用(IC50 =18.38 μg/mL)，为食品源抗炎成分开发提供新策略。

　　

研究背景
炎症是机体对抗外界刺激的重要防御机制，但过度炎症反应会引发类风湿性关节炎、炎症性肠病甚至癌症。目前临床广泛使用的非甾体抗炎药(NSAIDs)虽能通过抑制环氧合酶(COX)缓解症状，但长期使用会导致胃肠损伤和心肾毒性。玉米须作为年产量超2000万吨的农业副产品，富含异荭草素等黄酮类化合物，其抗炎潜力尚未充分开发。传统提取方法效率低且易破坏热敏成分，而计算机辅助药物筛选存在实验周期长、成本高等瓶颈。

研究设计与方法
中国研究人员通过四因素三水平Box-Behnken设计优化超声波提取参数，采用HPLC-DAD定量分析；构建包含270个化合物的COX-2抑制剂数据库，运用随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和XGBoost算法建立QSAR模型；结合SHAP值解析分子特征重要性；对FooDB数据库筛选的食品源化合物进行分子对接(结合能计算)和100 ns分子动力学模拟(RMSD/Rg分析)；通过COX-2抑制剂筛选试剂盒和DPPH/ABTS⁺
实验验证活性。

研究结果
3.1 RSM优化提取条件
响应面模型(R²
=0.9672)确定最佳工艺为超声功率430.82 W、时间15.25 min、乙醇浓度65.32%，异荭草素得率达1.26 mg/g。提取物在200 μg/mL时COX-2抑制率达64.632%。

3.2 QSAR模型
XGBoost回归模型预测性能最优(R²
=0.9582，RMSE=0.01823)，SHAP分析揭示Q_VSA_FNEG(电荷描述符)和BCUT_SMR_3(形状描述符)为关键特征。从FooDB筛选出126种潜在COX-2抑制剂。

3.3 分子对接
异荭草素与COX-2结合能(-7.92 kcal/mol)优于阳性药塞来昔布(-7.77 kcal/mol)，通过Gly221/Gln227等5个氢键和His212/Leu224等疏水作用稳定结合。

3.4 分子动力学模拟
100 ns模拟显示复合物RMSD<0.25 nm，氢键数稳定在1-3个，半径回旋(Rg)逐渐减小证实结构紧密度提升。

3.5 体外活性验证
异荭草素IC₅₀
=18.38 μg/mL，虽略高于白藜芦醇(4.535 μg/mL)，但ProTox-II预测其无肝毒性/心脏毒性，且DPPH/ABTS⁺
清除率均>60%。

结论与意义
该研究建立"超声提取-机器学习-生物验证"一体化技术体系，首次阐明玉米须异荭草素通过稳定结合COX-2活性口袋发挥抗炎作用的分子机制。相较于传统NSAIDs，食品源抑制剂具有安全性优势，为开发功能性抗炎食品提供理论依据。未来可结合纳米递送系统进一步提高生物利用度，该策略也可拓展至其他植物活性成分的高效挖掘。论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，展示了多学科交叉在天然产物开发中的创新应用。