离心辅助块状冷冻浓缩优化以最大化巴西食用仙人掌叶片提取物中酚类物质富集

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Optimization of centrifugation-assisted block freeze concentration to maximize phenolic enrichment in ora-pro-nóbis leaf extracts

　　

专业摘要翻译 块状冷冻浓缩（Block freeze concentration, BFC）是一种非热分离技术，能够通过选择性冰晶结晶在增强溶质浓度的同时保护热不稳定化合物。本研究首次将离心辅助BFC应用于巴西非常规食用植物——巴西食用仙人掌（ora-pro-nóbis, OPN；Pereskia grandifolia）的水提物。研究人员采用面心中心复合设计（face-centered central composite design, FCCD；α = ± 1），优化离心转速（751–2351 RCF/2600–4600 rpm）和温度（15–25 °C），旨在最大化浓缩提取物的总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）、总酚含量（total phenolic content, TPC）及抗氧化活性（CUPRAC、DPPH、ABTS）。在所研究的实验域内，最优操作条件（751 RCF/2600 rpm，15 °C）同时改善了所有响应指标，相较于初始提取物，TPC提高20.9倍，TSS提高15.61倍，抗氧化活性增强（CUPRAC提高12.3倍，DPPH提高33.7倍，ABTS提高9.1倍）。TPC浓缩指数始终高于TSS浓缩指数，证实了冷冻浓缩过程中酚类化合物在未冻液中的优先保留。总体而言，离心辅助BFC是一种有前景的非热、环境友好型技术，可用于生产OPN叶片提取物的酚类富集浓缩物。该工艺在功能性食品、营养保健品和清洁标签成分方面具有潜在应用价值，通过绿色加工策略支持非常规食用植物的增值利用。

论文解读

一、研究背景与问题

随着功能性食品和天然生物活性成分需求的日益增长，非常规食用植物（unconventional food plants, UFPs）因其营养与技术潜力而受到广泛关注，但仍未被充分利用。巴西食用仙人掌（ora-pro-nóbis, OPN；Pereskia grandifolia Haw.）是巴西一种传统食用的非常规叶菜，具有高蛋白含量、具有技术功能的黏液以及多种酚类化合物。OPN叶片提取物表现出强效的抗氧化、抗菌、抗炎、神经保护和抗增殖活性，这些活性主要由酚酸和黄酮类化合物驱动，如咖啡酸、鞣花酸、对香豆酸、槲皮素和山柰酚。

然而，在加工过程中，热加工可能导致多酚降解，而膜分离过程常受膜污染现象和高能耗的制约。尽管已有微波辅助提取、超临界流体提取、热风干燥和酶解等多种方法被研究用于改善OPN生物活性化合物的提取和保留，但非热浓缩策略对于生产稳定、商业可行的配料仍至关重要。

二、研究目的与意义

块状冷冻浓缩（Block freeze concentration, BFC）是一种基于水选择性结晶为纯冰晶的非热分离方法。由于该过程在零下温度运行，BFC可最大限度地减少热不稳定化合物的热降解，并减少与热蒸发相关的挥发性成分损失。离心辅助BFC是该技术的进一步发展，离心力促进未冻液体通过冰基质内通道排出，可能提高分离效率、溶质回收率和过程可重复性。

尽管冷冻浓缩在高价值食品基质中的应用日益受到关注，但离心辅助BFC应用于OPN水提物尚未见报道。鉴于酚类化合物对加工条件的温度敏感性，BFC可能提供一种非热途径，用于生产酚类富集的OPN提取物，同时最大限度地减少生物活性化合物的降解。因此，本研究旨在利用面心中心复合设计（face-centered central composite design, FCCD）优化离心辅助BFC过程中OPN水提物的离心转速和温度。

三、主要技术方法

研究人员采用的关键技术方法包括：样品制备方面，OPN鲜叶经清洗、次氯酸钠消毒、45 °C强制通风脱水24小时、粉碎至细粉（<0.5 mm）后真空密封保存。提取物制备采用1:20（w/v）固液比、40 °C水浴搅拌2小时，随后5000 rpm离心30分钟并真空过滤。冷冻程序方面，45克提取物置于包裹8毫米弹性泡沫绝缘材料的圆柱形离心管中，确保单向自上而下冷冻，在?18 °C静态冷冻24小时。冷冻点测定依据Raventós等（2007）方法，通过冻干复溶不同浓度样品并记录温度曲线确定。离心辅助BFC在冷藏离心机中进行10分钟，离心后收集浓缩液，融化剩余冰块，测量各组分总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）。实验设计采用FCCD（α = ± 1），包含4个因子点、4个轴向点和5个中心重复，共13个实验处理，每组三次重复（共39次运行），考察离心转速（751–2351 RCF/2600–4600 rpm）和温度（15–25 °C）两个因素。

四、研究结果

4.1 过程验证结果

研究人员通过比较实验测定冰质量比（W_e）与预测冰质量比（W_p）来验证冷冻浓缩过程的有效性，以均方根偏差（root mean square deviation, RMSD）表示偏差程度。RMSD < 25%被认为对冷冻浓缩过程是可接受的。

4.2 响应面优化结果

研究人员采用二阶多项式模型拟合各响应变量，包括TSS浓缩指数（CI_TSS）、总酚含量浓缩指数（CI_TPC）以及三种抗氧化活性指标（CUPRAC、DPPH、ABTS）。在所研究的实验域内，最优操作条件确定为751 RCF/2600 rpm、15 °C，该条件同时改善了所有响应指标。

4.3 浓缩效果

在最优条件下，相较于初始提取物，总酚含量（total phenolic content, TPC）提高20.9倍，TSS提高15.61倍，抗氧化活性增强（CUPRAC提高12.3倍，DPPH提高33.7倍，ABTS提高9.1倍）。值得注意的是，TPC浓缩指数始终高于TSS浓缩指数，证实了冷冻浓缩过程中酚类化合物在未冻液中的优先保留。

五、讨论与结论

研究人员通过实验证实，离心辅助BFC是一种有前景的非热、环境友好型技术，可用于生产OPN叶片提取物的酚类富集浓缩物。该工艺在功能性食品、营养保健品和清洁标签成分方面具有潜在应用价值，通过绿色加工策略支持非常规食用植物的增值利用。本研究首次提供了BFC适用于OPN的证据，有助于开发可持续的非热技术，促进非常规食用植物的增值利用。研究结论表明，离心辅助BFC能够在保持高过程回收率的同时，提高液相中酚类化合物的浓度并改善抗氧化能力，验证了研究人员的初始假设。