基于深共熔溶剂的Pterocaulon属植物酚类与香豆素类化合物超声辅助提取优化及扩散模型构建

《Molecules》：Optimization and Mathematical Modeling of Biocompound Extraction from Pterocaulon Species Using Deep Eutectic Solvents

　　

Pterocaulon属物种因含有香豆素（coumarins）以及黄酮类（flavonoids）和酚酸类（phenolic acids）等酚类化合物（phenolic compounds）而具有药理学相关性。本研究旨在通过Box–Behnken实验设计优化利用深共熔溶剂（deep eutectic solvents, DES）提取上述化合物。针对Pterocaulon属物种（P. polystachyum、P. balansae和P. lorentzii），研究人员评价了提取时间、超声功率和超声探头预处理循环次数。所得回归模型对P. lorentzii表现出良好拟合（R² = 96.09%），而对P. polystachyum和P. balansae的模型预测能力较低，反映了各植物基质特性的影响。在所考察范围内，各物种的最优提取条件不同，值得注意的是，所研究的Pterocaulon属物种在固定温度40 °C和固液比0.05（g/mL）条件下，涉及最大超声功率（275 W）和90 min提取时间。总酚含量（total phenolic content, TPC）采用紫外-可见分光光度法（UV-Vis spectrophotometry）定量。色谱分析（超快速液相色谱-二极管阵列检测，UFLC-DAD）显示存在先前报道于所研究物种中的香豆素，这些化合物根据保留时间和紫外吸收光谱被初步鉴定。初步鉴定的主要化合物包括P. lorentzii中的sabandinol；P. polystachyum中的prenyletin-methyl-ether和5-methoxy-6,7-methylenedioxycoumarin；以及P. balansae中的5,6-dimethoxy-7-(2′,3′-epoxy-3-methylbutyloxy)coumarin，其次为5-methoxy-6,7-methylenedioxycoumarin。在三个物种的提取物中，检测到具有酚酸类紫外吸收特征的化合物。提取动力学可由具有时变边界条件的扩散模型充分描述（P. balansae的R² = 0.954–0.960，P. lorentzii的R² = 0.953，P. polystachyum的R² = 0.918–0.923），该边界条件与由不同吸附等温线所代表的界面条件相关。这些发现表明，采用DES（betaine:ethylene glycol 1:3）的超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction, UAE）是一种高效且可持续的策略，可用于获得富含具有潜在药学与化妆品应用价值的生物活性化合物的提取物。

Pterocaulon属（Asteraceae）包含26个物种，主要分布于巴西南部、巴拉圭、阿根廷东北部和乌拉圭，部分物种传统用于治疗皮肤疾病和肝脏疾病。该属含香豆素、黄酮类、萜类、酚酸类和聚乙炔类等成分，其中香豆素被认为是与药理学活性相关的重要次生代谢产物。已报道的香豆素中，5-methoxy-6,7-methylenedioxycoumarin对胶质瘤和白血病细胞显示细胞毒作用，prenyletin methyl ether具有抗真菌活性，二者混合物在6–12 μg/mL浓度下可降低T24膀胱癌细胞活力。传统上，P. polystachyum、P. balansae和P. lorentzii提取采用Soxhlet提取、浸渍和渗漉等方法；这些方法提取能力较强，但使用甲醇、己烷和二氯甲烷等有机溶剂，选择性较低，且涉及对人类健康和环境有害的溶剂，因而需要发展符合绿色化学原则的可持续替代方法。深共熔溶剂（DES）可在较低温度下操作，依据所用氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）不同而具有环境友好和安全性优势，但其提取性能受温度、提取时间、固液比、粒径和溶剂选择性等因素影响，因此需借助实验设计进行优化。已有针对P. polystachyum的研究表明，超声辅助提取（UAE）可提高酚类化合物提取效率，betaine:ethylene glycol 1:3的DES提取物总酚含量最高，并显示化妆品配方应用潜力；但提取时间、超声探头预处理功率和预处理循环次数对三种Pterocaulon属植物的影响尚需系统评价，且DES固液提取动力学的数学描述仍有待深化。本研究据此假设上述参数会影响提取效率，优化后可改善化合物回收，并创新性地采用结合界面吸附等温线的扩散模型评价DES提取过程。研究人员对三种植物地上部分开展Box–Behnken设计优化，以总酚含量（TPC）为响应，采用UFLC-DAD对香豆素进行定性分析，并建立提取曲线数学模型。结果表明，DES-UAE是回收酚类化合物和香豆素的有效策略；最优条件具有种间特异性，三种物种在考察范围内均以90 min和275 W为共同最优点，P. polystachyum的TPC最高；P. lorentzii模型统计性能较强，而P. polystachyum和P. balansae的二次模型解释和预测能力有限；探头预处理效果依赖植物基质；基于有效扩散的模型可描述提取动力学，线性平衡关系最简约。该研究为药物和化妆品相关应用提供了绿色、可持续的提取依据，但实验仅为实验室规模，后续仍需补充针对性分析和放大验证。

关键技术方法如下：采用三因素三水平Box–Behnken响应面设计（Minitab? 19）优化提取时间（30、60、90 min）、探头超声功率（165、220、275 W）和预处理循环（4、8、12次）；DES为betaine:ethylene glycol 1:3，固定40 °C和固液比0.05 g/mL，以UAE提取。Folin–Ciocalteu法结合UV-Vis测定TPC；UFLC-DAD于327 nm根据保留时间和UV光谱初步鉴定香豆素；批式提取曲线用基于Fick第二定律的一维有效扩散模型，耦合时变边界及线性、Langmuir、Freundlich、Sips和Redlich–Peterson等温线，Python数值求解，并以校正赤池信息准则（AICc）比较模型。植物地上部分采自巴西南部Nova Santa Rita和Xangri-lá，凭证号ICN 157762、ICN 140005、ICN 136584，采集在SISGEN登记。

2.1. Extraction Optimization：通过Box–Behnken三因素设计，以TPC为响应评价三种植物。总体而言，P. polystachyum在所有条件下酚类化合物含量最高，其次为P. balansae和P. lorentzii。模型R²为70.89%–96.09%；P. lorentzii模型显著（R² = 96.09%，p = 0.005，R²_adj = 89.06%，R²_pred = 60.38%，变异系数CV = 9.62%，失拟p = 0.565）；P. polystachyum（R² = 74.67%，p = 0.305，CV = 18.77%）和P. balansae（R² = 70.89%，p = 0.387，CV = 34.69%）模型预测力有限，应谨慎解释。响应面优化显示，三物种在考察范围内均以90 min和最大功率275 W获得最高提取效率；预处理循环最优值分别为P. polystachyum 7.15次（后续取7次）、P. balansae 12次和P. lorentzii 12次，预测TPC分别为35.17、26.51和7.40 mg GAE/g。提取曲线在90 min达到最高TPC：P. polystachyum为37.56 ± 7.01 mg GAE/g，P. balansae为22.63 ± 1.60 mg GAE/g，P. lorentzii为7.69 ± 0.67 mg GAE/g；90与120 min的TPC经Tukey检验无显著差异。无探头预处理对照的TPC分别为32.01 ± 0.01、6.75 ± 2.82和5.44 ± 0.93 mg GAE/g；P. balansae经预处理后TPC显著增加，但其中心点变异较大，故其条件优化应视为探索性结果，并建议在新批次植物材料和更多中心点重复中验证。

2.2. Coumarin Identification in the Extracts：UFLC-DAD分析用于验证DES提取物中香豆素的存在，并依据保留时间和UV光谱进行初步归属。P. polystachyum中，2.023和2.329 min检测到具有酚酸类UV特征的化合物；4.378 min检测到5-methoxy-6,7-methylenedioxycoumarin，与P. balansae中4.406 min的保留时间接近；7.333 min检测到prenyletin-methyl-ether。P. balansae中初步检出6种香豆素：sabandinol（化合物2，2.853 min）、5,6-dimethoxy-7-(3′-methyl-2′,3′-dihydroxybutyloxy)coumarin（化合物3，3.415 min）、7-(2′,3′-epoxy-3-methyl-3-butyloxy)-6-methoxycoumarin（化合物5，4.649 min）、5-(2′,3′-epoxy-3-methylbutyloxy)-6,7-methylenedioxycoumarin（化合物6，5.665 min）和5,6-dimethoxy-7-(2′,3′-epoxy-3-methylbutyloxy)coumarin（化合物7，6.330 min）；化合物1通常约2.3 min出峰，但可能被酚酸衍生物峰重叠。P. lorentzii中sabandinol（化合物2，2.851 min）与P. balansae中保留时间接近，化合物6在5.589 min检测到，与P. balansae中5.665 min行为一致；同时检测到2.025和2.351 min的酚酸类UV峰。不同物种中同一化合物的保留时间接近，支持基于色谱和UV光谱的初步鉴定。根据327 nm相对峰面积的半定量估计，P. polystachyum中化合物8与4约为70:30；P. lorentzii中化合物2与6约为80:20；P. balansae中化合物7、4、3、5、6、2约为36%、23%、13%、12%、11%和4%。

2.3. Mathematical Modeling of the Extractions：提取曲线表现为0–10 min快速洗涤阶段和随后较慢的扩散阶段。批式DES提取采用基于传质原理的模型，液体相按集总模型处理，固液界面采用随时间变化的边界条件，并比较线性、Langmuir、Freundlich、Sips和Redlich–Peterson等平衡关系。虽然多种非线性模型的R²和平均绝对百分比误差（MAPE）与线性模型相近，但AICc显示线性模型对三种植物基质均为最低；例如P. balansae线性模型R² = 0.9593、Sips模型R² = 0.9597，而AICc分别为19.42和47.34，说明非线性平衡关系引入的额外参数未得到动力学数据的充分支持，近似线性固液分配最为简约。部分Freundlich、Sips和Redlich–Peterson参数收敛至极小或极大值但提取曲线相似，提示参数间存在补偿，应主要解释为有效模型参数而非独立可识别的平衡性质。有效扩散系数D_eff约为10^?11 m²/s，估计范围约2.06 × 10^?11 m²/s（P. polystachyum）至7.85 × 10^?11 m²/s（P. balansae）；由于D_eff与平衡参数同时估计，应视为模型依赖的有效传质系数而非本征分子扩散系数。模型R²为P. balansae 0.954–0.960、P. lorentzii 0.953、P. polystachyum 0.918–0.923；模型与实验数据吻合并不证明扩散是唯一控速机制，仅表明在所研究条件下提取动力学与有效Fickian描述相容。

讨论部分指出，不同物种模型性能差异反映其化学组成和植物基质的内在差异；超声参数的实际效果受植物基质特性强烈调节，仅施加超声能量而不考虑物种结构和化学特征可能不足以确保高效提取。P. balansae中心点变异较大，其优化应视为探索性结果，需在新批次和更多重复中验证。线性平衡模型因AICc最低而被认为最简约，非线性参数的解释需谨慎。最后，研究结论部分可译为：基于所得结果，研究人员可得出结论，采用DES的UAE是从Pterocaulon polystachyum、P. balansae和P. lorentzii中回收酚类化合物以及香豆素的有效策略，香豆素经UFLC-DAD根据保留时间和UV吸收光谱初步鉴定。Box–Behnken设计优化确定了在所研究范围内最大化各植物基质TPC的特定条件，突出各物种结构和化学特性对过程的影响。基于有效扩散的数学建模充分表征了提取动力学，表明在所研究条件下观察到的行为与有效Fickian描述相容；然而，这种一致性本身并不能证明扩散是唯一控速步骤。由于所有实验均在实验室规模进行（100 mg植物材料和2 mL DES），估计参数应视为未来放大研究的初步基础，而非可直接转移的设计值。优化条件下最大TPC分别达到37.56 ± 7.01、22.63 ± 1.60和7.69 ± 0.67 mg GAE/g（P. polystachyum、P. balansae和P. lorentzii），而未经探头预处理时分别为32.01 ± 0.01、6.75 ± 2.82和5.44 ± 0.93 mg GAE/g。这些结果强调该系统在药物和化妆品应用中的潜力，前提是开展针对该用途的补充分析和测试，并符合绿色化学原则及对选择性、低环境影响过程的需求。