《Microchemical Journal》：Comparing DES-based ultrasound-assisted and conventional heat-assisted extraction of bioactive compounds from
Quercus infectoria galls using response surface methodology
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该研究比较了超声波辅助提取（UAE）与常规热提取（CE）结合胆碱盐-尿素深共熔溶剂（DES）在提取槲皮素感染树（QI）坚果中抗氧化代谢物的效率。结果显示UAE在更短时间内以更低能耗获得更高的生物活性物质，如总酚（TP）、总黄酮（TF）、自由基清除活性（RSA）、铁螯合活性（ICA）和α-淀粉酶抑制活性（AIA）。研究强调了绿色DES结合现代提取技术如UAE的可持续性和高效性。
Mehlil Hafeez | Dildar Ahmed
巴基斯坦拉合尔Forman Christian学院化学系
摘要
从天然来源（如Quercus infectoria（QI）虫瘿）中提取抗氧化代谢物面临多个挑战，包括效率、成本效益和可持续性。本研究比较了使用氯化胆碱-尿素深共晶溶剂（DES）结合超声辅助提取（UAE）和传统热辅助提取（CE）从QI虫瘿中回收总酚类、总黄酮类、抗氧化剂、铁螯合剂和α-淀粉酶抑制剂的效果。采用Box-Behnken设计（BBD）对这两种技术进行了基于响应面方法（RSM）的优化。对于UAE，最佳条件（20 mL/g SSR、30分钟、90% DES和50°C）下，总酚类（TP）为499.40 mg GAE/g DW，总黄酮类（TF）为192.54 mg RE/g DW，自由基清除活性（RSA）为88.17%，铁螯合活性（ICA）为73.10 mg EDTAE/g DW，α-淀粉酶抑制活性（AIA）为87.82%。而在CE条件下，最佳条件（20 mL/g SSR、120分钟、90% DES、250 rpm和30°C）下，TP为509.36 mg GAE/g DW，TF为189.44 mg RE/g DW，RSA为89.61%，ICA为75.60 mg EDTAE/g DW，AIA为73.80%。与CE相比，UAE在显著更短的时间内实现了相当的生物活性回收率，并且能耗明显更低，显示出其更高的工艺效率和可持续性。因此，本研究突显了基于绿色DES的提取系统的巨大潜力，表明将氯化胆碱-尿素与UAE技术结合使用能够高效、可持续地从QI虫瘿中回收生物活性化合物，为传统溶剂方法提供了一种有前景的环保替代方案。
引言
Quercus infectoria（G. Olivier），俗称阿勒颇橡树，是一种属于壳斗科的小型落叶树，广泛分布于地中海地区、中东以及南亚和东南亚部分地区[1]。该物种特有的虫瘿，也称为“坚果虫瘿”，是由于Adleria gallae-tinctoriae等虫瘿蜂产卵而在幼枝上形成的异常生长物[2]。这些虫瘿长期以来被用于传统医学体系（如Unani和Ayurveda）中，因其具有强大的收敛、抗菌、抗糖尿病和抗氧化特性[3]。植物化学研究表明，QI虫瘿富含可水解单宁，主要是鞣花单宁和没食子酸衍生物，可能占干重的50-70%。此外，多项研究还发现了其他酚类化合物（如没食子酸、单宁、咖啡酸、绿原酸、香草酸和鞣花酸）、黄酮类（包括槲皮素、芸香苷、儿茶素、表儿茶素、橙皮苷和柚皮苷）、β-谷甾醇以及必需矿物质，所有这些成分都为其广泛的药理作用做出了贡献[4]、[5]、[6]。由于这种丰富的生化组成，QI虫瘿被认为是多酚最集中的天然来源之一，越来越多地被研究其抗氧化、抗糖尿病、抗炎和抗菌活性，以及在食品保存和药物制剂中的潜在应用[7]、[8]。
已经采用多种技术从QI虫瘿中提取生物活性成分，例如使用乙醇的浸渍法、水煎法和超临界CO2提取法，后者显示出显著的自由基清除能力和显著的α-淀粉酶抑制效果，与传统抗糖尿病药物相当[9]、[10]、[11]、[12]。这些结果不仅证实了QI虫瘿的传统药用价值，还强调了其作为对抗氧化应激和管理糖尿病的天然治疗来源的巨大潜力。本研究比较了UAE和CE技术在从QI虫瘿中提取多酚方面的效率。
传统和现代技术可用于从植物中提取生物活性化合物。传统方法涉及在轨道振荡器或培养箱中加热作为预处理步骤以释放植物化学物质，如CE中所做的[13]。然而，这些传统方法需要更长的时间、更多的溶剂体积和更高的能耗。此外，包括UAE在内的先进提取技术作为一种高效且环保的技术出现，通过利用声空化作用破坏细胞结构、增强溶剂渗透性和加快传质速度来从植物基质中提取生物活性成分[13]、[14]、[15]、[16]。在超声波作用下微气泡的破裂会产生局部高剪切力和微喷射流，从而在较低溶剂体积和温和温度下快速释放细胞内化合物[17]。因此，与传统技术相比，UAE不仅减少了总体提取时间和能耗，还通过最小化热降解提高了提取产率并保持了化合物的完整性。其效率和适应性已在多项研究中得到验证，这些研究还结合了绿色溶剂来提高Foeniculum vulgare和Lagenaria siceraria中生物活性成分的提取效果，证实了该方法的可持续性和工艺强化潜力[13]、[18]。总体而言，这些证据支持UAE作为一种多功能且环保的提取策略，在现代天然产物研究中具有广泛应用前景。
在最近几十年中，深共晶溶剂（DESs）作为一类创新的绿色溶剂，在科学界受到了广泛关注，为传统有机溶剂和离子液体提供了可持续的替代方案[19]。DESs通过氢键供体和氢键受体的复合形成，相对于其单独组分表现出显著的熔点降低[20]。这种独特的相互作用使得这些溶剂具有生态友好性、无害性和经济性。通过改变组成化合物的类型和比例，可以精确调节其可调的物理化学参数（如粘度、极性和氢键结合能力[21]、[22]。可调且低挥发性的DES介质能够高效且选择性地从复杂基质中提取目标分析物。它们的可调极性提高了溶解和预浓缩效率，同时减少了有害有机溶剂的使用。通过提高分析灵敏度和减少环境影响，DESs已成为现代样品制备和微提取技术中的重要绿色替代品[23]、[24]、[25]。在DESs中，氯化胆碱-尿素（ChCl-urea）因其低毒性、环保性和强氢键结合能力而被最广泛使用。ChCl-urea是通过将氯化胆碱与尿素以特定摩尔比结合而成的透明稳定液体，在室温下表现优异的溶解能力，适用于极性生物活性化合物（如单宁和酚类），同时减少了环境影响并确保了比传统溶剂系统更好的提取稳定性[26]、[27]。
当超声辅助提取与DESs结合使用时，效果更加显著，能够在温和条件下实现选择性和高产量的提取，同时最小化环境影响。如UAE-ChCl-urea DES这样的组合方法已成功应用于从Aronia melanocarpa、Searsia tripartite和Zizania latifolia中回收多酚[28]、[29]、[30]。
过程优化对于最大化提取效率和化合物产率至关重要。RSM提供了一种统计方法来评估多个变量及其相互作用的影响。Box–Behnken设计是一种流行的RSM设计，允许高效建模因素以确定最佳条件，同时减少实验次数。这种方法确保了生物活性化合物的可重复性和高产率提取[31]、[32]。
本研究旨在建立一种从QI虫瘿中提取抗氧化代谢物的最佳和可持续方法。为此，将基于ChCl-urea的DES与UAE和CE结合使用，以评估它们在回收具有抗氧化、铁螯合和抗糖尿病潜力的多酚方面的有效性。当前研究是首次使用ChCl-urea DES系统与UAE和CE结合进行QI虫瘿优化的研究。这项工作的新颖之处在于将DES与现代提取方法集成在一个优化的协议中。这项工作推进了绿色和可持续化学的原则，为控制氧化损伤和调节糖尿病提供了有前景的天然干预方法。
化学品
在本研究中使用了多种分析试剂，包括尿素、氯化胆碱、乙醇、甲醇、EDTA、芸香苷、没食子酸、氢氧化钠、氯化钠、铁氰化物、DPPH、l-抗坏血酸、七水合硫酸亚铁、四水合酒石酸钾、3,5-二硝基水杨酸、磷酸钠盐（一碱性和二碱性、无水）、淀粉以及来自Aspergillus oryzae的α-淀粉酶（≥150单位/mg）。所有这些化学品均由Sigma Aldrich（Steinheim）提供
单因素实验结果
为了考察特定提取变量对从QI虫瘿中获得的TP的影响，使用UAE和ChCl-urea DES进行了一系列单因素实验。每个测定结果重复三次，结果及其对应的误差条显示在图1中。
如图1(a)所示，TP在SSR达到20 mL/g时增加，之后随着比例的增加而略有下降。这种行为归因于高效的空化和增强的溶剂渗透
结论
在本研究中，使用基于ChCl-urea的DES结合UAE和CE从QI虫瘿中分离出了生物活性化合物。主要目标是获得具有强抗氧化和α-淀粉酶抑制活性的提取物，以用于管理氧化应激和代谢紊乱，这一目标已成功实现。水基ChCl-urea DES被证明是一种强大的、环保的溶剂，可用于从虫瘿中回收多酚和其他有价值的代谢物。
AI使用声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT和Grammarly来改进语言。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Mehlil Hafeez：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证、方法学、调查、数据分析、数据管理。
Dildar Ahmed：写作——审阅与编辑、可视化、监督、软件使用、项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
