基于RSM与ANN-GA优化根柄膜马勃提取工艺及其生物活性评价

《Scientific Reports》：Optimization of Hymenopellis radicata extracts using RSM and ANN-GA and evaluation of biological activities

本研究针对天然产物提取工艺优化问题，通过响应面法（RSM）和人工神经网络-遗传算法（ANN-GA）对药用真菌根柄膜马勃（Hymenopellis radicata）进行提取参数优化，发现RSM优化提取物在抗氧化（TAS 6.308 mmol/L）、抗胆碱酯酶（AChE IC5080.98 μg/mL）和抗增殖（MCF-7细胞抑制）活性方面均优于ANN-GA法，LC-MS/MS分析显示其酚类物质含量更高，为药用真菌的高效开发利用提供了新策略。

　　

在天然产物研究领域，药用真菌因其丰富的生物活性成分成为功能食品和药物开发的重要资源。然而，如何高效提取这些活性成分并最大化其生物功效，一直是研究者面临的挑战。特别是对于根柄膜马勃（Hymenopellis radicata）这类研究较少的担子菌，其最佳提取工艺和生物活性谱尚未明确。传统提取方法往往无法精准平衡温度、时间和溶剂比例等参数的交互影响，导致活性成分提取效率低下。为此，研究人员尝试将现代优化算法应用于天然产物提取过程，但不同优化策略对最终生物活性的影响机制仍需深入探讨。

本研究首次将响应面法（RSM）和人工神经网络-遗传算法（ANN-GA）结合，系统优化根柄膜马勃的提取工艺，并综合评价其抗氧化、抗胆碱酯酶和抗增殖活性。论文发表于《Scientific Reports》，通过对比两种优化方法的效能，揭示了提取参数与生物活性之间的内在关联，为药用真菌的高值化利用提供了新见解。

研究采用超声波辅助提取技术，以温度（30-60°C）、时间（30-60分钟）和乙醇比例（0-100%）为变量，以总抗氧化状态（TAS）为响应值，通过27组实验构建优化模型。通过LC-MS/MS分析酚类成分，并采用MTT法评价对A549（肺腺癌）、MCF-7（乳腺癌）和DU-145（前列腺癌）细胞的抗增殖活性，同时通过Ellman法测定乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）抑制活性。

提取优化

通过三维响应面分析发现，45°C、45分钟、50%乙醇比例时TAS值达最高（6.158 mmol/L），而高温（60°C）和长时间（60分钟）会导致抗氧化成分降解。RSM二次模型确定最优参数为42.786°C、40.93分钟、71.789%乙醇比例，模型决定系数R²=0.984。ANN-GA模型采用3-4-1网络结构，预测最优参数为38.435°C、50.286分钟、52.317%乙醇比例，其均方误差（MSE）为0.0028，相关性系数R=0.982。

抗氧化活性

RSM优化提取物显示出全面优势：FRAP值（160.047 mg TE/g）和DPPH自由基清除率（122.997 mg TE/g）显著高于ANN-GA提取物，总氧化状态（TOS）和氧化应激指数（OSI）更低，表明其氧化负荷更低、抗氧化平衡更优。与文献中其他药用蘑菇（如猴头菇TAS 5.426 mmol/L）相比，根柄膜马勃的TAS值高出16.3%，证实优化工艺可显著提升其抗氧化潜力。

抗胆碱酯酶活性

RSM提取物对AChE和BChE的抑制活性（IC₅₀分别为80.98 μg/mL和121.93 μg/mL）均优于ANN-GA提取物，虽低于阳性药加兰他敏（6.60 μg/mL），但表明其多组分协同作用可能更适合长期神经保护应用。

抗增殖活性

在25-200 μg/mL浓度下，两种提取物均呈现剂量依赖性抑制癌细胞增殖，其中RSM提取物对MCF-7细胞的抑制效果最显著。与既往研究认为根柄膜马勃对MCF-7无效的报道相反，本研究表明优化提取可激活其潜在抗癌机制。

酚类成分分析

LC-MS/MS定量显示RSM提取物中没食子酸（15297.67 mg/kg）、原儿茶酸（4363.78 mg/kg）和2-羟基肉桂酸（694.41 mg/kg）含量显著更高，这些酚类物质与抗氧化、抗增殖活性呈强正相关，解释了RSM提取物生物活性更优的原因。

研究结论表明，RSM优化策略更适用于根柄膜马勃的功能成分提取，其在维持酚类化合物稳定性和生物活性方面优于ANN-GA算法。该研究不仅首次揭示了该物种的酚类组成与生物活性关联，更证明了优化方法的选择直接影响天然产物的药理功效，为后续靶向开发神经保护剂或抗癌辅助制剂提供了理论基础。值得注意的是，尽管ANN-GA在非线性建模上具有优势，但其追求全局最优解的特性可能导致部分易氧化成分的溶出，反而降低生物功能性。这一发现对天然产物提取工艺的策略选择具有重要启示意义。