超声微波辅助低共熔溶剂提取芹菜茎酚类与萜类化合物的工艺优化及机理研究

本研究针对传统提取方法效率低、易导致活性成分降解的问题，采用响应面法优化了低共熔溶剂（DES）结合超声-微波辅助提取（UMAE）技术从芹菜茎中同步提取酚类（TPC）和萜类化合物（TTC）的工艺。结果表明，以1,2-丙二醇-氯化胆碱（2:1）为溶剂，在最优条件下TPC达30.3 mg GAE/g，TTC达19.1 mg UE/g，并阐明了扩散与增溶协同的提取机制，为植物资源高值化利用提供了绿色高效的新策略。

　　

芹菜（Apium graveolens L.）作为越南广泛种植的药用植物，其茎部富含酚酸和萜类等生物活性物质，具有显著的抗氧化特性。然而，传统提取方法存在耗时过长、有机溶剂污染及热敏成分降解等问题。为解决这些瓶颈，研究人员开发了低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）结合超声-微波辅助提取（Ultrasound-Microwave-Assisted Extraction, UMAE）的绿色高效技术，旨在实现芹菜茎资源的高值化利用。

本研究采用越南胡志明市市售芹菜茎为原料，通过干燥粉碎制备精细粉末（FDCSP）。核心实验技术包括：① 设计15种DES溶剂并进行FTIR表征与物化性质分析；② 通过单因素实验考察固液比（SLR）、含水量（WC）、超声功率（USP）、超声温度（USTe）、超声时间（USTi）、微波强度（MWI）和微波时间（MWTi）对提取效率的影响；③ 采用Plackett-Burman设计（PBD）筛选关键参数，再通过Box-Behnken设计（BBD）优化提取工艺；④ 借助二级动力学模型和Arrhenius方程解析提取机理；⑤ 利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析细胞结构破坏与结晶度变化；⑥ 采用ABTS、DPPH、羟自由基（·OH）和FRAP四种方法评价抗氧化活性。

3.1. DES表征与筛选

通过FTIR分析证实DES中氢键的形成是降低熔点的关键。在15种DES中，1,2-丙二醇-氯化胆碱（DES 10）对TPC和TTC的提取效率最高，分别达7.30 mg GAE/g和2.41 mg UE/g，归因于其适宜的极性和氢键相互作用能力。

3.2. 单因素实验

单因素实验表明，TPC和TTC的提取效率受多参数协同影响：

• •

  固液比（SLR）：1/40 g/mL时达到峰值，过高比例导致 cavitation 效应过强引发降解；

• •

  含水量（WC）：30% (w/w) 时TPC最高，20% (w/w) 时TTC最优，过量水破坏DES氢键网络；

• •

  超声功率（USP）：600W时TPC最佳，300W时TTC最高，过强功率导致气泡 coalescence 降低效率；

• •

  超声温度（USTe）：30°C为最适温度，高温导致热降解；

• •

  微波强度（MWI）与时间（MWTi）：102 W/mL和4分钟时TTC最高，123 W/mL和4.73分钟时TPC最优，过度微波照射引发成分分解。

3.3. 模型优化与验证

PBD分析显示MWI、MWTi、SLR和USTe对TPC影响显著（p<0.05），而USTe、USTi和MWI主导TTC提取。BBD模型进一步优化后，TPC和TTC的实验值（30.3 mg GAE/g、19.1 mg UE/g）与预测值误差仅5.28%和3.66%，证实模型可靠性。

3.4. 提取动力学与机理

二级动力学模型表明，TPC提取的活化能（E_a）为12.41 kJ/mol，属扩散控制机制；TTC的E_a为39.38 kJ/mol，受扩散与增溶协同作用。SEM和XRD显示UMAE处理后的样品细胞壁破碎严重，结晶度指数（CCI）从28%升至38.4%，证实超声波空化与微波热效应协同破坏了纤维素-木质素结构。

3.5. 抗氧化活性与提取方法对比

UMAE提取物的抗氧化能力全面优于单一超声（UAE）、微波（MAE）和常规提取（CE）：

• •

  TPC优化提取物中：ABTS⁺清除能力达16.1 mg TAE/g，FRAP为2.62 mg TAE/g；

• •

  TTC优化提取物中：羟自由基清除活性为0.31 mg TAE/g，DPPH抑制率达0.82 mg TAE/g。

4. 结论与意义

该研究首次将DES与UMAE技术结合用于芹菜茎活性成分提取，明确了1,2-丙二醇-氯化胆碱体系的高效性，揭示了扩散-增溶双机制主导的提取动力学，并通过结构表征证实了细胞层破坏与成分溶出的关联性。该技术为植物酚类和萜类化合物的绿色提取提供了新范式，在功能性食品、天然防腐剂和膳食补充剂开发中具有广泛应用前景。论文发表于《Journal of Agriculture and Food Research》，对促进农业废弃物高值化和绿色化学工艺发展具有重要意义。