提升从强化苹果皮副产品中提取酚类化合物的效率：超声辅助回收、生物可及性及体外生物活性研究

《Food Chemistry》：Enhancing the extraction of phenolic compounds from biofortified apple peel by-products: ultrasound-assisted recovery, bioaccessibility, and in vitro bioactivity

　　

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  UV-A照射和生物强化处理可提升“格兰尼史密斯”苹果皮中的酚类物质合成。
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  超声提取技术有助于从苹果皮废料中高效提取酚类物质。
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  Peleg动力学模型可确定实现高TPC产量的最佳超声提取条件。
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  模拟消化实验表明，超声提取物中的酚类物质更易被人体吸收。
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  这些提取物具有抗癌、抗氧化、抗炎以及抗肥胖的功效。

引言

苹果（Malus domestica Borkh.）是全球范围内种植和消费最广泛的核果类水果之一。据估计，全球人均每年苹果消费量可达22公斤，由于其良好的口感、营养价值以及便捷性，苹果已成为许多国家人们日常饮食中的重要食物（Kaeswurm等，2022）。苹果的主要成分是水（85%）、碳水化合物（12–14%），还有约1%的其他成分，包括矿物质以及酚类等生物活性物质，这些成分正是决定苹果功能性特点的关键因素（Vasile等，2021）。长期食用苹果被认为有多种健康益处，比如帮助控制体重、保护心血管系统、改善呼吸功能，还有可能预防肝癌、肺癌和前列腺癌等多种癌症（Davis等，2015；Kalinowska等，2014）。不过，苹果的营养价值和功能性会因品种、成熟度、种植方式、产地、环境条件以及采后处理方式的不同而有所差异。在众多苹果品种中，“格兰尼史密斯”因其独特的口感和多样的加工用途而广为商业化应用（Spengler，2019；Vasile等，2021）。

由于苹果消费量巨大，相关农业产业得以快速发展，由此产生了果汁、软饮料、酒精饮品、果浆、零食以及经过简单加工的苹果制品等多种产品。与此同时，也产生了大量不可避免的副产品，比如苹果皮、果核以及果肉组织，这些副产品占苹果总质量的16–36%（Garcia-Amezquita等，2018；Piagentini & Pirovani，2017）。这些副产品中含有大量高价值成分，比如果胶、酚类物质、有机酸、单糖以及类胡萝卜素（Massini等，2016）。因此，提取、回收并稳定这些成分被视为提升苹果产业链价值、实现循环利用的重要策略，有助于构建零废物生产体系（Salimi等，2024）。然而，目前产生的废弃物数量已经超出了现有回收技术的处理能力，尤其是在发展中国家，很多废弃物只能被填埋，这就凸显出需要更加可持续的利用方法（Abdel-Shafy & Mansour，2018）。正因如此，人们越来越关注在循环型生物经济框架下，寻找新的途径和方法，从苹果农业加工副产品中获取高价值成分。苹果皮尤其富含儿茶素、绿原酸、槲皮素和原花青素等生物活性酚类物质（Kalinowska等，2014；Mourtzinos & Goula，2019），这类物质被认为对预防慢性非传染性疾病有积极作用。在这样的背景下，人们正在探索能够充分利用苹果残渣的新方法。其中一种颇具前景的思路是通过非生物胁迫诱导的生物强化作用来增加酚类物质的积累（Cisneros-Zevallos等，2023）。这种策略能够激活植物残渣组织内的内在防御机制和代谢途径，使植物在受到可控的非生物胁迫时加速酚类物质的合成与积累（Villamil-Galindo等，2025）。非生物胁迫诱导的生物强化能否取得成功，不仅取决于酚类物质的积累程度，还取决于能否开发出高效的提取技术，从而从富含酚类的物质中有效分离出目标成分。

酚类物质的提取效率会受到提取技术、溶剂类型、基质特性以及目标成分种类等多方面因素的影响（Alara等，2021）。在各类新兴技术中，超声辅助提取技术因为能够在提高提取产率的同时减少处理时间、能耗以及溶剂使用量而备受关注（Tamminen等，2022）。此外，该技术符合绿色化学理念，其环境危害也远低于传统提取方法。例如，Chemat等人（2017）的研究表明，与传统索氏提取法和浸提法相比，采用超声辅助提取时，每100克样品的二氧化碳排放量可从6400克和3600克分别降至200克。

超声技术是基于频率高于20千赫的声波来工作的。电能转化为机械能后会产生机械振荡，这些振荡会在液体、气体或固体弹性介质中传播，形成压缩-减压的循环，进而改变超声处理所作用介质的结构（Chatel，2018）。在减压阶段产生的负压会在介质中形成带有空化泡的分子间隙，这些空化泡会通过合并不断变大。而在压缩阶段，这些气泡又会破裂，从而使植物基质微空间内的温度和压力上升。这一现象既促进了溶剂与植物基质之间的物质传递，又减少了提取所需的时间和溶剂用量（Kumar等，2021）。功率、频率、强度、溶剂性质、温度、植物基质类型、颗粒大小以及提取比例等诸多参数都会显著影响超声辅助提取的效率。Petigny等人（2013）在试验规模上优化了从波尔多叶中提取酚类物质的过程，与传统的浸提法相比，超声辅助提取法的提取效率提升了22%。在橙子皮的处理中，Khan等人（2010）也发现，采用超声辅助提取法可将提取时间缩短三分之二。

数学建模是描述和优化超声辅助提取过程的重要工具。在现有的建模方法中，Peleg模型因其能够准确描述快速初始提取阶段以及随后通过两个与初始提取速率和平衡提取能力相关的经验参数逐步达到平衡的状态，而被广泛用于描述从植物基质中提取酚类物质的过程动力学（Vetal等，2013）。该模型结构简单且具备较强的预测能力，因此成为优化和控制提取过程的宝贵工具（Galván D’Alessandro等，2014；Gerke等，2018）。

虽然非生物胁迫诱导的生物强化技术和超声辅助提取技术各自都展现出在提高植物基质中酚类物质提取效率方面的巨大潜力，但将二者结合作为一种利用苹果加工副产品的增值策略，目前还几乎未被研究过。据我们所知，目前还没有任何研究同时评估过这种整合策略，即同时考虑酚类物质的富集、提取过程的优化、提取物在人体肠道中的吸收效率以及这些提取物的生物活性。因此，本研究的目的是通过运用Peleg模型对提取动力学进行建模，利用响应面分析法优化超声辅助提取过程，进而分析所得提取物在酚类成分组成、肠道吸收效率以及生物活性等方面的表现，从而评估经生物强化的“格兰尼史密斯”苹果皮作为可持续且高附加值的生物活性酚类物质来源的潜力。

章节要点

试剂

聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）、Folin-Ciocalteu试剂、2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）、来自猪胃黏膜的胃蛋白酶、来自猪胰腺的胰酶、α-淀粉酶、胰岛素、地塞米松（Dex）、油红O（ORO）、荧光素、2,2′-偶氮双（2-氨基丙烷）二盐酸盐（AAPH）、二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）以及脂多糖（LPS），还有乙腈和甲醇（HPLC级）、阿魏酸、没食子酸、鞣花酸、原花青素、槲皮素、山柰酚等。

苹果皮中酚类物质超声辅助提取的动力学研究

数学建模是用于模拟、优化、设计以及控制提取过程的宝贵工程工具。在固液提取系统中，建模有助于更高效地利用能源、时间、原材料以及溶剂（Setford等，2019）。针对改良后的Peleg模型，我们确定了在不同实验条件下的两个动力学参数（K1和$$和K2），相关数据见表1。在整个实验设计过程中，这两个动力学常数（$K1$）会发生变化。

结论

苹果工业加工过程中产生的废弃物，尤其是“格兰尼史密斯”苹果皮，是农业食品加工业中获取酚类物质的重要来源。本研究证明，Peleg模型能够很好地描述在不同乙醇浓度、提取比例以及超声功率条件下的超声辅助提取过程动力学。经过优化后的最佳提取条件为原料与溶剂的重量比为1:36，乙醇浓度为76%，超声功率为52%（202瓦），在此条件下得到的冻干提取物中酚类物质的含量为10%，总酚含量为23.3克/千克。

CRediT作者贡献说明

Esteban Villamil-Galindo：负责撰写文章的初稿、方法部分、实验研究、正式分析、数据整理以及概念构思工作。Andrea Piagentini：负责文章的审阅与编辑、方法部分以及概念构思工作。Alejandro Gastelúm-Estrada：负责撰写文章的初稿、正式分析以及数据整理工作。Cristina Chuck-Hernandez：负责文章的审阅与编辑、方法部分以及概念构思工作。Marilena Antunes-Ricardo：负责文章的审阅与编辑、正式分析以及概念构思工作。Edwin E. Reza-Zaldivar：

资金支持

本研究得到了滨海国立大学（UNL，CAID 2024项目）以及蒙特雷科技学院肥胖研究机构的资金支持。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

Esteban Villamil-Galindo|Andrea Piagentini|Alejandro Gastelúm-Estrada|Cristina Chuck-Hernandez|Marilena Antunes-Ricardo|Edwin E. Reza-Zaldivar|José A. Guerrero-Analco|Juan L. Monribot-Villanueva|Daniel A. Jacobo-Velázquez