《Antioxidants》：Optimization of Emerging Extraction Techniques for Phenolic Compounds from Pinus radiata Bark: Antioxidant, Thermal Stability and Antibacterial Properties
Danilo Escobar-Avello,
Tomás O?ate-Valdés,
Víctor Ferrer,
Cecilia Fuentealba,
Sergio Benavides-Valenzuela,
Gustavo Cabrera-Barjas,
Gastón Bravo-Arrepol,
Ady Giordano,
Beatriz Gullón and
Jorge Santos
编辑推荐：
研究人员针对辐射松（Pinus radiata）树皮中酚类化合物（PCs）的回收需求，对比研究了常规提取与新兴提取方法的效能，旨在为生物复合材料及生物基材料应用提供原料支持。采用基于Box-Behnken设计的响应面法（RSM），考察了提取时间（20–100
研究人员针对辐射松（Pinus radiata）树皮中酚类化合物（PCs）的回收需求，对比研究了常规提取与新兴提取方法的效能，旨在为生物复合材料及生物基材料应用提供原料支持。采用基于Box-Behnken设计的响应面法（RSM），考察了提取时间（20–100 min）、温度（20–80 °C）、水/乙醇-水溶剂体系，以及β-环糊精（βCD）或氢氧化钠（NaOH，0.5–1.5% w/v CD/db）对提取过程的影响。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、液相色谱-线性离子阱-轨道阱质谱（LC-LTQ-Orbitrap-MS）及基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）对提取物多酚谱进行表征；利用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估粉末提取物的热稳定性与降解行为；采用分光光度法（DPPH、FRAP、ABTS）测定抗氧化能力，通过琼脂扩散法评估对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌活性。结果显示，碱性提取（14.32%）和超声辅助提取（UAE，13.86%）的提取率最高，其次为乙醇提取（12.74%）。β-环糊精提取物的P-βCD对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC）为0.04 mg/mL，最低杀菌浓度（MBC）为0.32 mg/mL，表明其在低浓度下具有强抑制能力，可潜在用于生物基抗菌材料的开发。
研究背景与意义
全球每年产生约50亿吨农林食品行业生物质废弃物，对应33亿吨二氧化碳排放，其中森林工业产生的树皮、枝桠等残余物因处置不当造成经济与环境负担。辐射松作为智利、新西兰等国重要商用树种，其树皮富含黄酮类、酚酸类及缩合单宁等多酚类物质，具备抗氧化、抗菌等功能特性，是极具开发价值的生物质资源。现有研究多采用水、乙醇等常规溶剂提取松树皮酚类化合物，但提取效率与产物功能受方法、溶剂极性及工艺条件限制，且针对辐射松树皮的β-环糊精（βCD）辅助提取尚未见报道。本研究首次对同一批次辐射松树皮同步开展传统与新兴提取技术的系统性对比，结合提取-包封一体化策略，关联提取方法与生物复合材料功能表现，为该类生物质的资源化利用提供理论与技术支撑，相关成果发表于《Antioxidants》。
主要技术方法
研究人员以智利阿劳科公司提供的辐射松树皮为原料，经除杂、粉碎、筛分后获得粒径0.60–4.73 mm的样本。采用响应面法（RSM）结合Box–Behnken设计优化提取参数，设置常规水提、常规80%乙醇提取、超声辅助水提（UAE-W）、超声辅助80%乙醇提取（UAE-E）、NaOH辅助提取、βCD辅助提取6种工艺，以提取率、总酚含量（TPC）、抗氧化能力为响应值优化条件。通过FTIR、LC-LTQ-Orbitrap-MS、MALDI-TOF-MS表征酚类组成与结构；采用TGA与DSC分析热稳定性；通过琼脂扩散法与宏稀释法测定对大肠杆菌（E. coli ATCC 25922）和金黄色葡萄球菌（S. aureus ATCC 6538）的抗菌活性。所有实验均设三次重复，数据经单因素方差分析与Tukey事后检验，显著性水平设为p < 0.05。
研究结果
3.1 酚类化合物提取优化
3.1.1 提取率（EY）
温度升高普遍提升提取率，常规提取最优条件为80 °C、100 min，超声辅助提取最优时间为25 min。碱性提取（14.32%）与UAE-E（13.86%）产率最高，显著高于乙醇提取（12.74%）、水提（8.70%）、UAE-W（8.24%）及βCD提取（7.81%）。NaOH浓度对提取率影响显著（p < 0.05），1.5% w/w时效果最优，归因于碱处理破坏木质纤维素结构、促进结合态提取物释放；βCD浓度无显著影响，其通过主客体包合作用选择性回收酚类而非提升总产率。
3.1.2 总酚含量（TPC）
常规水提与碱性提取在80 °C时TPC下降，源于高温下儿茶素、表儿茶素等酚类的热降解或氧化；乙醇与βCD体系对酚类结构稳定作用更强。碱性提取在1.5% w/w NaOH时TPC较高，但过高碱浓度会加剧酚类降解。βCD提取TPC达18866 mg GAE/100 g db，显著高于其他方法，体现其对酚类的选择性增溶与稳定效果。
3.1.3 抗氧化能力
抗氧化能力总体与TPC趋势一致，但受检测方法机制影响：FRAP法下βCD提取抗氧化能力最高（5369 mg GAE/100 g db），超声辅助提取优于常规提取；ABTS法中UAE-E、乙醇提取、碱性提取无显著差异，βCD提取活性最低，可能与ABTS•+和βCD空腔形成包合物有关；DPPH法中碱性、乙醇、UAE-E、βCD提取无显著差异，水提与UAE-W活性最低。
3.1.4 条件优化与模型验证
基于响应面模型确定各方法最优参数，实验值与预测值吻合，证实模型可靠性。
3.2 最优条件下提取物表征
3.2.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
所有提取物均在1607 cm?1、1516 cm?1、1443 cm?1处出现缩合单宁特征峰。碱性提取1516 cm?1峰增强，1155 cm?1与1035 cm?1峰减弱，提示木质素溶出与单宁降解；βCD提取指纹区酚类特征峰保留完整，1146 cm?1与1031 cm?1信号显著，反映βCD对酚类结构的保护作用。
3.2.2 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）
检测到聚合度2–7的原花青素类寡聚体：水提与UAE-W以五聚体、六聚体、七聚体等高聚合度单宁为主；乙醇提取与UAE-E以二聚体为主；碱性提取三聚体信号较强；βCD提取四聚体信号突出，表明其可提升中等分子量酚类的溶解度与稳定性。
3.2.3 液相色谱-线性离子阱-轨道阱质谱（LC-LTQ-Orbitrap-MS）
共鉴定出16种酚类，包括奎宁酸、没食子酸等酚酸，（表）儿茶素、（表）没食子儿茶素等黄烷-3-醇，槲皮素、落新妇苷二聚体等黄酮类，以及原花青素二聚体、原翠雀素二聚体、三聚体与四聚体等寡聚原花青素。碱性提取检出化合物最多（16种），其次为UAE-E（14种）与常规乙醇提取（13种）。
3.3 提取物热稳定性
3.3.1 热重分析（TGA）
热降解分两阶段：25–130 °C为吸附水与挥发物蒸发，150–400 °C为缩合单宁、酚类结构与碳水化合物的分解。碱性提取热稳定性最高，600 °C时保留50%–55%初始质量；常规水提次之；乙醇提取稳定性最差，600 °C仅保留10%质量，与其含热不稳定非极性组分有关；βCD提取在300 °C出现特征降解峰，证实其与酚类形成包合物。
3.3.2 差示扫描量热法（DSC）
所有样品在100–150 °C出现玻璃化转变（Tg），与单宁分子量与水分含量相关；碱性提取Tg较低，对应其低分子量寡聚体占比更高。βCD在220 °C与275 °C以上的特征转变在提取物谱图中均有体现。
3.4 抗菌活性
多数提取物对金黄色葡萄球菌有抑制作用，仅UAE-E与UAE-W对大肠杆菌有效，与革兰阳性菌无外膜屏障、更易受酚类穿透有关。βCD提取对金黄色葡萄球菌抗菌活性最强，MIC为0.04 mg/mL，MBC为0.32 mg/mL，且浓度与抑菌效果相关性高（R2=0.66）；UAE-E对大肠杆菌MIC为0.05 mg/mL。
讨论与结论
研究证实提取策略显著影响辐射松树皮酚类的回收率与功能特性：碱性提取适合高产率需求场景，βCD辅助提取可实现酚类的高效富集与稳定，超声辅助乙醇提取兼具高提取率与广谱抗菌性。该成果为辐射松树皮的高值化利用提供了技术路径，所制提取物可作为天然抗氧化剂和抗菌剂应用于活性食品包装、生物复合材料等领域。
结论指出，响应面法可有效优化酚类回收工艺，温度与溶剂组成是关键影响因素。碱性提取产率达14.32%，βCD体系显著提升总酚含量与FRAP抗氧化能力；碱性提取物热稳定性最优，600 °C时保留50%–55%质量；βCD提取物对金黄色葡萄球菌MIC与MBC分别为0.04 mg/mL与0.32 mg/mL，UAE-E对大肠杆菌MIC为0.05 mg/mL。研究凸显了βCD与超声辅助提取在制备生物活性提取物中的潜力，未来可聚焦于将此类多酚提取物掺入聚合物基体，开发兼具抗氧化与抗菌功能的活性食品包装材料。
