微波与超声辅助提取欧芹和芫荽加工副产物中抗氧化剂的比较评价

《Foods》：Comparative Evaluation of Microwave- and Ultrasound-Assisted Extraction of Antioxidants from Parsley (Petroselinum crispum (Mill.) Fuss) and Coriander (Coriandrum sativum L.) Processing By-Products

　　

摘要 芳香草本植物加工会产生大量残渣，这些残渣仍富含生物活性化合物，但很少被加以利用。本研究在完全交叉设计下，结合两种提取方法（微波辅助提取；超声辅助提取）、两种温度（60和80 °C）、两个时间（15和30 min）和三种溶剂（水、50%乙醇和80%乙醇（v/v）），比较了欧芹和芫荽加工副产物中酚类化合物的回收率及抗氧化能力。每种条件下进行四次独立提取并合并为单一混合提取物，每个混合提取物进行三次重复分析；因此，所报告的值反映的是分析重复性，条件间比较应据此解读。每个物种的24种条件均以总酚含量（TPC）、DPPH和ABTS进行表征。溶剂组成是两种基质的主导因素，但极性方向相反：芫荽的TPC在水中达到峰值（最高达49.71 ± 0.73 mg GAE/g DW），而欧芹的TPC在80%乙醇中最高（7.18 ± 0.29 mg GAE/g DW），这与可提取成分的极性差异一致。使TPC最大化的条件与使自由基清除活性最大化的条件并不重合，且DPPH和ABTS提供的是互补而非冗余的信息。在实际应用中，芫荽残渣以水提取可获得最高酚类含量，而其最强抗氧化能力（ABTS）则需在超声辅助下以50%乙醇获得；欧芹残渣则需要80%乙醇结合超声辅助。因此，最佳条件取决于目标是酚类回收率还是抗氧化能力。这些发现表明，植物学上相近的物种需要不同的、基质特异性的提取策略，并支持在循环生物经济框架内对芳香草本植物残渣进行针对性利用。

论文解读

一、研究背景与意义

随着循环生物经济理念的推进，农产品加工副产物的高值化利用已成为食品科学领域的研究热点。食品加工环节约占欧洲食品废弃物总量的19%，这些生物质在化学上具有重要价值，植物源残渣通常保留了大量的酚类化合物、类胡萝卜素、生育酚及其他植物化学物质，其回收可产生食品、营养保健品和化妆品等高附加值产品。芳香和药用植物是园艺部门中残渣产生量相对于可销售部分特别高的一个类别，修剪、分选、干燥和鲜切包装等加工操作通常会丢弃茎、粗叶和不合格材料，这些材料在形态上不适合商业化，但在化学上却与市售产品相当。然而，与果蔬副产物相比，芳香草本植物残渣的研究明显不足。

欧芹（Petroselinum crispum (Mill.) Fuss）和芫荽（Coriandrum sativum L.）是伞形科（Apiaceae）中两种广泛栽培的芳香草本植物，二者植物学上的接近却掩盖了其组成上的显著差异。欧芹以苯丙烷类为主的精油（以芹菜脑和肉豆蔻醚为主）以及以黄酮芹菜素及其糖苷芹菜苷为主的酚类组分为特征；芫荽则积累更广泛范围的亲水性成分，包括绿原酸、咖啡酸、槲皮素、山柰酚和鼠李素衍生物，以及生育酚、类胡萝卜素、抗坏血酸和花青素。这些生物活性库极性分布的差异为预期两种基质对相同提取条件的不同响应提供了机制基础，但此前尚未在统一的多因素设计下进行系统检验。

传统的固液萃取方法正逐步被微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）等绿色提取技术所取代。UAE通过声空化作用产生强烈的局部剪切力及瞬时温度和压力极端条件，机械性地破坏植物细胞壁并促进溶剂渗透；MAE则依赖微波辐射与基质内极性分子的直接相互作用，产生快速体积加热和内部压力积累，从而导致细胞破裂。然而，两种技术的性能强烈依赖于操作参数的选择，且这些参数并非独立作用。溶剂极性决定植物化学库中哪一部分被溶解，温度和时间同时作用于溶质溶解度增加与热不稳定成分降解两个相反过程，因此必须联合优化而非顺序优化。

另一个常被低估的考虑因素是分析响应变量的选择。Folin–Ciocalteu法测定总酚含量（TPC）、DPPH自由基清除法和ABTS自由基阳离子脱色法是最广泛应用的植物提取物表征方法，但这些方法测定的并非同一性质。TPC量化的是可归因于酚羟基的总还原能力，且Folin–Ciocalteu试剂也与其他还原性物质反应；DPPH自由基主要溶于有机溶剂，因此反映的是更亲脂性抗氧化剂的贡献；ABTS自由基阳离子则在水相和有机相中均可溶，可在单一方法框架内评估亲水和亲脂化合物的抗氧化能力。鉴于欧芹和芫荽预期在生物活性成分极性分布上的差异，并行应用DPPH和ABTS可直接探测这种差异。

本研究旨在回答四个相互关联的问题：提取方法、温度、时间和溶剂组成如何共同影响欧芹和芫荽加工残渣中酚类化合物的回收率；这两种植物学上相近的物种是否存在共同的最优提取方案；使总酚含量最大化的条件是否与使自由基清除活性最大化的条件重合；DPPH和ABTS两种测定方法在确定最佳条件时是否收敛。

二、关键技术方法

研究人员采用了完全交叉的多因素实验设计，独立应用于欧芹和芫荽两种植物基质，组合四个提取变量：提取方法（MAE或UAE）、提取温度（60或80 °C）、提取时间（15或30 min）和溶剂组成（水、50%（v/v）乙醇或80%（v/v）乙醇），每个物种共24个实验条件。每种条件进行四次独立提取并合并为单一混合提取物，每个混合提取物对TPC、DPPH和ABTS三种测定各进行三次重复分析。植物材料为葡萄牙Viana do Castelo的Aromáticas Vivas?公司提供的欧芹和芫荽加工副产物（茎、不合格叶片和修剪物），来自单一生产批次，约50%叶片和50%茎的固定比例混合。MAE使用ETHOS X微波萃取系统（1600 W），UAE使用SONOREX DIGITEC DT 1028超声波浴（1200 W，35 kHz），固液比固定为1:20（w/v）。TPC采用Folin–Ciocalteu比色法，DPPH采用Trolox为标准品的自由基清除法，ABTS采用预生成自由基阳离子的脱色法。统计分析采用ANOVA，重点关注温度×时间和溶剂×方法的交互项，显著效应通过Tukey's HSD事后检验进行比较。

三、研究结果

3.1 芫荽的溶剂极性效应

芫荽的TPC在纯水提取物中最高，达到49.71 ± 0.73和49.65 ± 0.92 mg/g（MAE，60 °C，15和30 min），增加乙醇比例逐步降低TPC，最低值出现在50%乙醇和80%乙醇体系（低至10.14 ± 0.91 mg/g）。这表明芫荽残渣的酚类库以亲水性成分为主，最有效地被水溶解，与芫荽的植物化学特征一致。温度效应虽在统计上显著（p < 0.01），但在水体系中幅度较小，未改变最佳条件的排序；提取时间无显著主效应。

3.2 欧芹的溶剂极性效应

欧芹呈现相反的溶剂极性依赖。TPC在80%乙醇体系中最高，峰值为7.18 ± 0.29和7.15 ± 0.12 mg/g（80 °C/15 min，MAE和UAE），在水中最低，多个条件低于1 mg/g。总体TPC值比芫荽低约七倍。欧芹对更高乙醇比例的偏好与其富含芹菜素和芹菜苷等较低极性化合物的植物化学特征一致。

3.3 欧芹ABTS的方法和时间效应

欧芹的ABTS响应中，溶剂并非主导因素，提取方法（p < 0.001）和时间（p < 0.01）主导响应，UAE条件频繁占据最高统计组（如80 °C/30 min水中31.04 ± 2.90 mg/g，60 °C/30 min 50%乙醇中33.71 ± 1.46 mg/g）。UAE的优势与其声空化机制增强细胞壁破坏和传质一致。

3.4 TPC与抗氧化活性的分离

使TPC最大化的条件与使自由基清除活性最大化的条件普遍不重合，且DPPH和ABTS对条件的排序也不总是一致。在芫荽中，富含总酚的水提物并未产生最高ABTS值，最强ABTS响应出现在50%乙醇的UAE提取物中（最高达87.22 ± 5.85 mg/g，80 °C/15 min），尽管这些条件的TPC为中等或低水平。这种分离与两种自由基的不同溶剂相容性机制一致。

3.5 交互效应分析

探索性因子ANOVA显示提取因素并非独立作用。芫荽TPC受强温度×溶剂（F = 28.4，p < 0.001）和温度×方法（F = 16.6，p < 0.001）交互作用支配；芫荽抗氧化测定中方法×溶剂交互占主导（DPPH F = 22.2；ABTS F = 27.0；p < 0.001）。欧芹DPPH受很强的方法×溶剂交互作用（F = 60.2，p < 0.001）以及显著的温度×时间（F = 12.3）、温度×溶剂（F = 9.7）和时间×溶剂（F = 13.0）项支配；欧芹ABTS受温度×溶剂交互支配（F = 47.5，p < 0.001）。温度×时间交互的显著性定量确认了温度和时间行为的耦合性。

3.6 与文献值的比较

芫荽最佳水提残渣值（最高49.7 mg GAE/g DW）约为新鲜芫荽叶报道值（约24 mg GAE/g）的两倍，表明加工残渣并非酚类耗竭的组分。欧芹80%乙醇中的最大值（最高7.2 mg GAE/g DW）落在多个欧芹叶研究汇总的约2.1–12.5 mg GAE/g范围内。两物种间约七倍的差异反映了真实的组成差异。

四、讨论与结论

综合三种测定方法与因子分析，可为每个物种定义实用的提取策略。对于芫荽，溶剂组成是决定性因素，但作用方向取决于响应目标：最高总酚含量以水获得（溶剂平均45.5 mg GAE/g DW），而DPPH和ABTS活性均以50%乙醇混合物达到峰值（ABTS溶剂平均60.0 vs. 水中26.3 mg/g DW）。温度效应显著但幅度较小，倾向于酚类含量的60 °C；提取时间从不显著；提取方法仅对ABTS重要，UAE更优。因此，芫荽的最佳条件为以酚类产量为目标时采用水、60 °C、15 min，以抗氧化能力为优先时采用50%乙醇、60 °C、30 min、UAE。对于欧芹，各因素收敛于单一策略：80%乙醇同时最大化TPC和DPPH，超声显著改善DPPH和ABTS，较高温度（80 °C）显著增加酚类产量，提取时间仅对ABTS显著且倾向于30 min。单一条件80%乙醇、80 °C、UAE接近所有三种响应的最优，提取时间按目标调整为15 min（酚类产量）或30 min（抗氧化能力）。

研究结论表明，欧芹和芫荽加工残渣是具抗氧化活性的酚类化合物的宝贵来源，但尽管两物种属同一植物科，其回收受显著不同的提取条件支配。溶剂组成是两基质中最具影响力的因素，但其最优值具有物种特异性。最大化总酚含量并不保证最大抗氧化能力，DPPH和ABTS捕获抗氧化库的互补部分而非彼此重复。提取方案不能不加批判地在相近物种间转移，基质特异性优化是实现芳香草本植物加工残渣高效可持续利用的前提。未来工作应通过色谱分析确认产生所观察活性的个别化合物，并评估优化提取物在食品或化妆品应用中的稳定性和功能性。由于仅评估了两种伞形科物种，将提取方案不可直接转移的结论外推至其他伞形科植物时应谨慎，并需在更广泛的物种集合中加以确认。