微波辅助提取（MAE）结合响应面法优化 Musa balbisiana 球茎富含多酚和皂苷提取物及光谱表征与槲皮素初步鉴定

《Food Chemistry: X》：Extraction and spectroscopic characterization of polyphenol- and saponin-rich extracts from musa balbisiana corm with tentative identification of quercetin

　　

从 Musa balbisiana 球茎中提取富含多酚和皂苷的提取物并进行光谱表征，并初步鉴定槲皮素。微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）通过响应面法（response surface methodology, RSM）优化，以从 M. balbisiana 球茎中提取多酚和皂苷。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和 Raman 分析证实提取物中存在多酚和皂苷的典型官能团。槲皮素（quercetin）被预测为纯化提取物中的主要多酚化合物，支持 M. balbisiana 球茎作为生物活性化合物来源的价值。

近年来，天然疗法在慢性病预防与辅助治疗中受到关注，植物生物活性植物化学物在生物医学和药学研究中日益重要。多酚和皂苷因具有抗氧化、抗炎、免疫调节、抗菌和抗癌等广泛药理潜力而受到重视。多酚可中和自由基、抑制脂质过氧化并保护细胞膜，有助于预防癌症、心血管疾病和阿尔茨海默病等退行性疾病；皂苷则可通过与细胞膜相互作用、减少胆固醇吸收、抑制炎症和激活先天免疫系统发挥多种生物效应。Musa balbisiana 是东南亚尤其是越南、老挝和泰国常见的本土香蕉种，其部位在民间医学中用于治疗胃溃疡、肾结石、代谢紊乱和糖尿病。M. balbisiana 球茎含有 polyphenols（多酚）、saponins（皂苷）和 flavonoids（黄酮类）等活性成分，表现出抗氧化、体内外降血糖以及抗酪氨酸酶、黄嘌呤氧化酶和脂肪酶等与皮肤疾病、痛风和肥胖相关代谢酶的作用。尽管如此，该球茎常作为农业副产物被丢弃，造成潜在原料浪费。因此，开发其活性提取物并用于健康相关应用具有重要意义。微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）因高效、绿色和环境友好而日益受到关注，其利用微波局部加热破坏细胞壁，使化合物释放到溶剂中，并较传统静态浸提和 Soxhlet 提取显著减少时间和溶剂用量。已有研究对 Myrtus communis L. 叶和 Vitis vinifera L. 葡萄皮等基质的 MAE 参数进行了优化，也用于 Musa sapientum 废弃物和 Musa sp. 果皮等，但获得富含多酚和皂苷的 M. balbisiana 球茎提取物所需条件尚未确定。研究人员认为，本研究首次通过 Box-Behnken（BBK）设计同时优化该球茎中化学性质不同的两类代谢物——多酚和皂苷，并用互补的 FT-IR、Raman 和 nuclear magnetic resonance（NMR，核磁共振）分析表征所得提取物。其新颖性在于靶基质为农工副产物且此前未报道 MAE 条件，以及双响应优化策略提供了一套适于同时回收两类化合物的操作条件。前期研究用溶剂提取获得 M. balbisiana 球茎富含多酚提取物；本研究则考察 MAE 作为强化提取方法，用 Raman 和 FT-IR 评估特征官能团模式，并对纯化多酚馏分进行 NMR 初步结构归属。

方法概述：研究人员采集越南同塔省三农村安和坊的 M. balbisiana 球茎，经清洗、切片、60 °C 干燥至水分低于 10%、粉碎至小于 80 目后于 4 °C 保存。以甲醇水溶液为溶剂，按 1:30（w/v）混合。先以单因素实验考察甲醇浓度、微波功率、提取时间和辐照周期，再用 Minitab 19 进行四因素筛选；随后以 BBK 三因素三水平设计优化甲醇浓度、微波功率和辐照周期，提取时间固定为 40 min，响应为总多酚含量（total polyphenol content, TPC）和总皂苷含量（total saponin content, TSC），用 JMP 10 进行方差分析。提取物经旋转蒸发、n-butanol-water 液液分配、氯仿-甲醇硅胶柱层析和 thin-layer chromatography（TLC，薄层色谱）纯化，纯化馏分用 500 MHz 核磁共振测定 ¹H NMR 和 ¹³C NMR，溶于 DMSO-d₆。TPC 采用 Folin-Ciocalteu 法，TSC 采用比色法。数据设 3 个重复，以 mean ± SD 表示，并用 SPSS 20、Minitab 19、JMP 10 和 Excel 2019 分析。

研究结果如下。

3.1 影响 M. balbisiana 球茎提取的因素：通过单因素实验考察溶剂浓度、微波功率、辐照周期和提取时间对 TPC 和 TSC 的影响。甲醇浓度从 40% 升至 60% 时 TPC 显著增加，40% 时为 26.41 mg GAE/g DM，70% 时为 41.75 mg GAE/g DM，但与 60% 无显著差异；TSC 从 40% 的 24.53 mg/g DM 升至 70% 的 33.98 mg/g DM，80% 无进一步显著增加。微波功率 360 W 时 TPC 和 TSC 最高，分别为 49.31 mg GAE/g DM 和 39.29 mg/g DM，但 270 W 与 360 W 无显著差异，450 W 时略降。辐照周期为 4 s/min 时效率最高，TPC 为 53.99 mg GAE/g DM，TSC 为 45.97 mg/g DM；5 s/min 时略降。提取时间从 20 min 延长至 40 min 显著提高提取率，40 min 时 TPC 为 71.63 mg GAE/g DM，TSC 为 60.45 mg/g DM；50 和 60 min 时略降。研究表明，适度处理强度有利于增溶和传质，过高强度则可能导致热/氧化降解和溶剂-分析物极性匹配下降。

3.2 优化 M. balbisiana 球茎多酚和皂苷富集提取物。

3.2.1 筛选实验：采用 2 水平全因子实验设计评估溶剂浓度、微波功率、辐照周期和微波时间四个因素对 TPC 和 TSC 的影响。Minitab 19 计算表明，微波辐照周期、微波功率和溶剂浓度是对多酚和皂苷提取影响最大的三个因素，显著性水平为 5%，因此被选入优化模型。

3.2.2 最优设计——BBK 模型：采用 RSM 的 BBK 模型，以两个目标函数优化 MAE。三因素三水平分别为甲醇浓度 60、70、80%，微波功率 180、270、360 W，辐照周期 3、4、5 s/min，提取时间固定 40 min。JMP 10 方差分析显示，模型 R² 分别为 0.94 和 0.95，R²_adj 均为 0.85，模型 F 值分别为 10.1 和 10.03，失拟 F 值分别为 2.69 和 0.58。TPC 显著项包括 X₁、X₂、X₃、X₁²、X₂² 和 X₃²；TSC 显著项包括 X₂、X₁X₃、X₁² 和 X₂²。预测最大 TPC 为 72.75 mg GAE/g DM，TSC 为 61.24 mg/g DM，条件为甲醇 70%、微波功率 270 W、辐照周期 4 s/min、提取时间 40 min。验证实验中 TPC 为 71.35 ± 0.51 mg GAE/g DM，TSC 为 60.68 ± 1.23 mg/g DM，与预测值偏差低于 5%，无显著差异（p > 0.05）。响应面呈穹顶形，TPC 和 TSC 的最优条件高度重叠。

3.3 M. balbisiana 球茎提取物的 Raman、FT-IR 光谱测定：Raman 光谱中，594.56 和 1552.48 cm^?1 分别归属为芳香环变形和芳香 C=C 骨架伸缩；1600–1620 cm^?1 强带主要归因于共轭芳香 C=C 伸缩，与多酚/黄酮结构一致；709 cm^?1 归属为芳香环变形并伴面外 C-H 弯曲；1327.35 和 1462.72 cm^?1 暂归属为耦合芳香环/C–C 伸缩与面内 C-H 弯曲、以及 CH₂/CH₃ 变形。843 cm^?1 暂归为吡喃糖型糖残基的环呼吸和 C-H 变形，974 和 1100 cm^?1 与 C–C/C–O 伸缩和 C–O–C 伸缩一致。研究人员指出，这些谱带不足以诊断三萜或甾体皂苷结构，Raman 数据应作为支持而非确证证据。FT-IR 光谱中，约 3400 cm^?1 为可形成氢键的游离 –OH 振动；1666.3 cm^?1 为 γ-吡喃酮环共轭 C=O 伸缩，1611.3、1561.7 和 1520.9 cm^?1 来自芳香 C=C 环伸缩，1450.8 cm^?1 为 CH₂ 和 CH₃ 变形。1560–1465 cm^?1 归为 C 环 C=C 伸缩，1475–1400 cm^?1 与黄酮醇和花青素有关，1380–1350 cm^?1 与黄酮和异黄酮有关。3406 cm^?1 宽 OH 伸缩及 1200–1000 cm^?1 的 C=O 和 C–O–C 伸缩与羟基丰富的碳水化合物和糖苷部分相容，包括皂苷，但这些带并非皂苷特异，不能单独确认三萜或甾体皂苷结构。

3.4 M. balbisiana 球茎提取物的 NMR 光谱测定：纯化馏分 CC 的 ¹H NMR 在 δ_H 6.00–8.00 区域显示五个质子信号，其中两个为间位偶合芳香质子：δ_H 6.18（1H，d，J = 2.1 Hz，H-6）和 6.40（1H，d，J = 2.0 Hz，H-8）；三个为三取代芳香环质子：δ_H 7.67（1H，d，J = 2.2 Hz，H-2′）、7.53（1H，dd，J = 8.5, 2.2 Hz，H-6′）和 6.88（1H，d，J = 8.5 Hz，H-5′）。此外，δ_H 12.49（1H，s，5-OH）为碱性羟基信号。¹³C NMR 显示 15 个碳信号，包括 δ_C 161.3（C-5）、98.7（C-6）、164.4（C-7）、93.8（C-8）、156.6（C-9）、103.5（C-10）、122.4（C-1′）、115.5（C-2′）、147.3（C-3′）、145.5（C-4′）、116.1（C-5′）、120.5（C-6′），以及羰基碳 δ_C 176.3（C-4）和两个烯碳 δ_C 148.2（C-2）、136.2（C-3）。两个可交换信号 δ_H 9.35 和 9.31，连同与 C-4 羰基氢键合、强烈去屏蔽的 5-OH 单峰，与黄酮醇的 3,5,7,3′,4′-五羟基取代模式一致。CC 化合物的 ¹H 和 ¹³C 化学位移与已发表槲皮素值相差分别不超过 0.15 ppm 和 0.3 ppm，多重性和偶合常数也一致。但本研究未获得 high-resolution mass spectrometry（HRMS，高分辨质谱）或 LC-MS 数据，未验证分子式，也未进行二维相关实验（HSQC、HMBC），因此槲皮素鉴定为 tentative identification（初步鉴定），仅基于一维 NMR 数据与已发表值的一致。研究人员亦未分离或结构表征任何单个皂苷，皂苷证据限于比色 TSC 测定、TLC 茴香醛-硫酸阳性反应和前述振动谱带。

讨论与结论部分总结：MAE 可有效获得 M. balbisiana 球茎中富含多酚和皂苷的提取物，BBK 双响应优化得到一套同时适用两类化合物的条件。FT-IR 和 Raman 光谱揭示了多酚的特征官能团以及与糖基化三萜特征相容的信号，但均不能确证单个皂苷结构；一维 NMR 支持纯化馏分中主要化合物为槲皮素，但仍需 HRMS 或 LC-MS 确认。研究结论翻译如下：该研究表明，MAE 可有效从 M. balbisiana 球茎中获得富含多酚和皂苷的提取物。FT-IR 和 Raman 光谱揭示了多酚的特征官能团以及与皂苷相容的糖基化三萜特征，一维 NMR 光谱有助于初步鉴定纯化馏分中的主要化合物为槲皮素。未分离或结构鉴定任何单个皂苷，槲皮素的鉴定仍需 HRMS 或 LC-MS 确认。这些结果支持 M. balbisiana 球茎作为生物活性天然材料来源的潜在用途，并强化了 MAE 提取药用材料的高效性和环境友好性。仍需更多研究评估其生物活性及其在功能食品或药物中的应用。