超分子三元低共熔溶剂协同超声-涡旋提取川党参中党参炔苷：产率优化与抗氧化活性评价

《Ultrasonics Sonochemistry》：Synergistic ultrasound- and vortex-assisted extraction of lobetyolin from Codonopsis tangshen using a supramolecular ternary deep eutectic solvent: yield optimization and antioxidant activity evaluation

　　

研究人员开发了一种超分子三元低共熔溶剂（supramolecular ternary deep eutectic solvent, STDES）耦合原位超声辅助提取（in-situ ultrasound-assisted extraction, ISUSE）技术（STDES-ISUSE），用于提取川党参（Codonopsis tangshen）中的党参炔苷（lobetyolin, LBT）。在测试的二十种配方中，羟丙基-β-环糊精:乳酸:甘油（HP-β-CD: LA: Gly）体系表现突出。通过响应面方法-人工神经网络-遗传算法（response surface methodology-artificial neural network-genetic algorithm, RSM-ANN-GA）混合范式确定最佳提取条件：水含量46%（v/v）、液固比29 mL/g、超声时间34 min、超声功率240 W、涡旋时间10 min。在此条件下，LBT产率达到0.613 ± 0.011 mg/g，显著超过常规方法。通过超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱（ultra-high performance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry, UHPLC-Q-TOF-MS）鉴定出20种化合物，包括两种酚酸、两种多炔糖苷、五种脂肪酸、两种糖苷、一种环烯醚萜和一种生物碱；同时，定制的高效液相色谱（high performance liquid chromatography, HPLC）方法实现LBT精确定量。机制研究结合傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR）证实STDES制备、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）可视化和分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟，共同揭示STDES-ISUSE方法通过协同细胞壁崩解和增强LBT增溶来强化提取。体外抗氧化测试进一步证实提取物的生物活性。总之，该工作为从C. tangshen中提取生物活性目标物提供绿色、高效提取方案，为可持续植物化学回收及绿色提取实践在天然产物研究中的更广泛实施提供实用路径。

研究背景与意义。川党参（Codonopsis tangshen Oliv.）为药食两用中药材，其根富含党参炔苷（LBT）和多糖等成分，具有抗氧化、抗炎、降血脂等生物活性。传统提取多依赖甲醇、乙醇、乙腈等溶剂，存在生态毒性、不可再生和健康风险等问题。低共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES；由氢键受体与氢键供体形成的低共熔混合物）因成本低、易合成、环境相容性较好而受到关注；三元低共熔溶剂（ternary deep eutectic solvent, TDES）通过引入第三组分强化氢键网络，可改善稳定性和提取稳健性。LBT为C₁₄多炔糖苷，具亲水糖基和疏水多炔苷元，常规RSM对提取体系非线性及高阶交互拟合不足。因此，研究人员构建STDES-ISUSE平台，结合RSM-ANN-GA优化，系统研究LBT提取、成分鉴定、机制和抗氧化活性，论文发表在《Ultrasonics Sonochemistry》。
关键技术方法（≤250字）。以采自重庆市巫溪县农坝乡、批号20250822并经Prof. Chen Shaocheng鉴定的C. tangshen干燥根为样本；构建20种TDES筛选体系，采用ISUSE耦合涡旋提取，HPLC定量LBT；以RSM-ANN-GA优化水含量、液固比、超声时间、超声功率和涡旋时间；UHPLC-Q-TOF-MS鉴定提取物成分；FT-IR、SEM和MD模拟解析提取机制；DPPH、ABTS和铁还原法评价抗氧化活性。
研究结果。3.1 最有效TDES的筛选：通过比较20种TDES在相同条件下提取，HP-β-CD:LA:Gly（DES-20）LBT产率最高，常规甲醇仅0.34 ± 0.012 mg/g，故选用DES-20。3.2 单因素实验：水含量20%–60%中40%最佳；液固比10–50 mL/g中30 mL/g最佳；超声时间10–30 min中30 min最佳；超声功率180–300 W中240 W最佳；涡旋4–12 min中10 min最佳，超过后产率下降或平台化。3.3 RSM：Box–Behnken设计建立二次模型，模型p<0.001、R²=0.9942、调整R²=0.9867，失拟不显著；水含量、超声时间和液固比交互具正协同，超声时间与液固比交互梯度最陡；推荐36.43%水、28.70 min、33.50 mL/g，预测0.578 mg/g。3.4 RSM-ANN-GA分析：建立3-9-1 BP-ANN，tansig/线性传递、trainlm训练，验证MSE=0.006245、R>0.90；混合优化理论最优为46.10%水、34.33 min、29.41 mL/g，预测0.619 mg/g，并调整为46%、29 mL/g、34 min。3.5 验证实验：RSM优化调整后平均0.576 mg/g、RSD 2.30%；RSM-ANN-GA优化后0.613 ± 0.011 mg/g、RSD 1.80%，后者准确性和稳定性更优。3.6 与传统技术基准比较：STDES-ISUSE产率高于浸提（ME），并高于ISUSE（0.34 ± 0.012 mg/g）和UAE（0.30 ± 0.019 mg/g），且处理时间更短。3.7 MS分析：UHPLC-Q-TOF-MS正负离子模式下鉴定20种化合物，涉及酚酸、多炔糖苷、脂肪酸、糖苷、环烯醚萜和生物碱等类别，为C. tangshen成分研究提供数据。3.8 方法验证：LBT线性范围20–100 μg/mL，回归方程Y=20110x+42.648，R²=0.9999；LOD 0.45 μg/mL、LOQ 1.34 μg/mL；日内、日间、12 h稳定性RSD均<2%，重复性RSD 1.82%，回收率99.94%。3.9 提取机制：3.9.1 FT-IR显示STDES形成广泛氢键网络，O–H带变宽并蓝移、C–N伸缩位移，证实TDES制备成功；3.9.2 SEM显示STDES-ISUSE处理细胞壁结构崩解最明显，HP-β-CD可与纤维素链非共价结合，削弱原有氢键框架并降低结晶度；3.9.3 MD分析显示100 ns内LBT在STDES中分散更均匀、在甲醇中聚集，STDES中LBT–溶剂氢键数量更多且寿命更长，LBT氧原子RDF第一峰约275（STDES）低于甲醇约307，配位数更低，密度约1193.76 kg/m³（STDES）和840.50 kg/m³（甲醇）；乳酸-水、甘油-水、HP-β-CD-水和LBT-水相互作用能均为负，甲醇中LBT-甲醇为负且静电主导，作者未直接比较不同体系绝对值，而以结构和动力学证据及实验产率支持STDES优势。抗氧化活性：DPPH⁺和ABTS⁺清除及Fe³⁺→Fe²⁺还原力呈剂量依赖，0.1 mg/mL时DPPH⁺清除率87.39 ± 0.055%、ABTS⁺清除率97.12 ± 1.24%，抗坏血酸>90%，还原力吸光度0.437 ± 0.0050，表明提取物具较强抗氧化能力。
讨论部分总结。讨论集中于STDES的化学溶剂化与超声/涡旋物理破坏的协同：FT-IR证明三元组分间氢键网络形成；SEM证明STDES-ISUSE造成更显著细胞壁崩解，HP-β-CD与纤维素非共价作用削弱结晶结构；MD从原子尺度说明STDES较甲醇形成更密集、更持久的LBT溶剂化环境，氢键更多且更稳定，LBT自聚集更弱，体系密度和能量稳定；抗氧化实验支持提取物体外自由基清除和还原活性。
研究结论翻译。该工作成功开发STDES-ISUSE平台，作为从C. tangshen中回收LBT的可持续高效策略。通过系统筛选二十种三元DES候选物，鉴定羟丙基-β-环糊精基体系为最佳配方，归因于其优越氢键能力和溶剂化性能。建立RSM-ANN-GA混合优化框架，较单独常规RSM显著提高预测准确性和稳健性，突显机器学习辅助方法在复杂植物化学提取中的优势。比较评价证实STDES-ISUSE显著优于常规提取技术，以更短处理时间获得更高产率。UHPLC-Q-TOF-MS全面分析可可靠鉴定多种生物活性成分，包括多炔糖苷。通过FT-IR、SEM和MD模拟的机制研究共同揭示增强提取性能源于物理破坏与化学溶剂化的协同作用。抗氧化实验进一步证实提取物强自由基清除和还原能力。总体，该研究建立绿色、可重复、高效提取方案，不仅促进C. tangshen生物活性化合物的可持续回收，也为其在功能食品和营养保健品中的扩展应用提供机制和成分基础。通过将超分子三元DES的绿色溶剂特性与ISUSE增强传输效率结合，该策略提供具有天然产物研究和植物药物开发直接相关性的实用可持续替代方案。