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英文標(biāo)題：Ultrasonic-assisted deep eutectic solvents extraction of saponins from Strobilanthes sarcorrhiza: Process optimization and mechanistic insights

發(fā)表期刊：Chemical Engineering Journal

影響因子：13.2

研究背景：

菜頭腎（Strobilanthes sarcorrhiza）是爵床科馬藍(lán)屬的多年生藥用植物，具有滋陰、清熱、補(bǔ)腎等傳統(tǒng)功效，尤其對(duì)腎虛腰痛及陰虛牙痛具有顯著療效。其皂苷類活性成分含量豐富（約占干重10–15%），具有重要的開發(fā)價(jià)值。因此，建立高效、綠色的皂苷提取工藝，成為提升菜頭腎資源應(yīng)用水平的關(guān)鍵一環(huán)。深共晶溶劑（Deep eutectic solvents；DESs）作為一類綠色、可設(shè)計(jì)的提取介質(zhì)，已在天然產(chǎn)物分離領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，特別是在多酚、多糖、類胡蘿卜素等生物活性成分的高效提取與增溶方面取得了顯著成效。本研究基于DESs優(yōu)異的溶解性和環(huán)境友好特性，將其拓展應(yīng)用于菜頭腎皂苷的提取中，系統(tǒng)篩選了17種DESs，通過評(píng)估其理化性質(zhì)并優(yōu)化提取工藝，旨在構(gòu)建一種適用于菜頭腎皂苷的提取技術(shù)體系。

研究結(jié)果：

1、DESs的設(shè)計(jì)與篩選

研究構(gòu)建了17種基于氯化膽堿（ChCl）的DESs，并評(píng)估了其理化性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，所有DESs均表現(xiàn)出典型的非牛頓流體行為，具有剪切稀化特性，即粘度隨剪切速率升高而降低（圖1a）。在提取效率方面，不同DES對(duì)菜頭腎皂苷的提取能力依次為：氯化膽堿-蘋果酸（ChCl-Mal）＞氯化膽堿-乙二醇（ChCl-Eg）＞70% 乙醇＞氯化膽堿-檸檬酸（ChCl-Ca）。其中，ChCl-Mal表現(xiàn)尤為突出，其皂苷得率顯著高于其他溶劑（圖1b）。

圖1. 不同DESs的粘度和菜頭腎總皂苷提取率

2、基于單因素實(shí)驗(yàn)與Box-Behnken響應(yīng)設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化

基于單因素實(shí)驗(yàn)與Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)，優(yōu)化了超聲輔助DESs提取菜頭腎皂苷的工藝。首先通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了液固比、含水量、摩爾比、提取時(shí)間與溫度五個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的適宜區(qū)間；在此基礎(chǔ)上，選取溫度、時(shí)間和液固比三個(gè)主要因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。通過三維響應(yīng)曲面分析，揭示了各因素間的交互影響，最終確定最佳提取工藝條件為：溫度63℃、時(shí)間60 min、液固比37 mL/g。在此條件下，皂苷得率達(dá)113.41 mg/g（圖2）。

圖2. 總皂苷提取率的響應(yīng)曲面綜合分析圖

3、FTIR與NMR分析

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）與核磁共振（NMR）分析結(jié)果表明，氯化膽堿與蘋果酸在形成DESs過程中發(fā)生了顯著的分子間相互作用。FTIR譜圖中O-H、C=O等特征峰的位移證實(shí)了氫鍵相互作用的形成（圖3a）；1H-NMR譜中活性氫信號(hào)的位移與消失進(jìn)一步驗(yàn)證了氯化膽堿和蘋果酸之間形成了氫鍵相互作用（圖3b-c）。

圖3. FTIR與NMR分析結(jié)果

4、分子動(dòng)力學(xué)模擬

約化密度梯度分析（圖4a）表明，DESs內(nèi)部存在以強(qiáng)氫鍵為主導(dǎo)的分子間作用力網(wǎng)絡(luò)，并且氫鍵是提取皂苷的核心驅(qū)動(dòng)力來源。靜電勢(shì)分析（圖4b）揭示了DESs組分的靜電互補(bǔ)特征：氯化膽堿的Cl?與OH基團(tuán)分別呈現(xiàn)負(fù)電性與正電性，蘋果酸的C＝O與OH基團(tuán)則對(duì)應(yīng)正、負(fù)靜電勢(shì)區(qū)域。這種互補(bǔ)分布促使兩組分通過氫鍵結(jié)合形成穩(wěn)定的DES結(jié)構(gòu)，同時(shí)也使其能夠與皂苷中的糖基氧原子（電負(fù)性）和羥基質(zhì)子（電正性）產(chǎn)生相互作用，增強(qiáng)了皂苷結(jié)構(gòu)在DESs中的親和力與溶解度。

圖4. 約化密度梯度分析與靜電勢(shì)分析結(jié)果

電子密度差（圖5a）顯示，在DESs形成過程中，蘋果酸的-COOH基團(tuán)和氯化膽堿的Cl?發(fā)生了顯著的電荷重分布，形成了具有高反應(yīng)活性的位點(diǎn)，其中-COOH作為強(qiáng)氫鍵供體、Cl?作為強(qiáng)氫鍵受體的特性得到增強(qiáng)。前線軌道分析（圖5b）表明，氯化膽堿具有較高的HOMO能量和較窄的HOMO-LOMO能隙，說明其具有較強(qiáng)的氫鍵供體能力和較高的電荷轉(zhuǎn)移效率，有利于生物活性化合物的提?。欢O果酸較低的HOMO能量則有助于DESs體系的穩(wěn)定。

圖5 電子密度差分析與前線軌道分析結(jié)果

5、皂苷的純化與吸附動(dòng)力學(xué)行為

為了從DESs中高效回收皂苷，考察了AB-8、DM301、NKA-9、D101和HPD100五種大孔樹脂的吸附與解吸性能。結(jié)果表明（圖6a），D101樹脂對(duì)皂苷的吸附率最高，被選為最佳純化材料。在洗脫劑濃度優(yōu)化上，70%乙醇溶液可實(shí)現(xiàn)最佳解吸效果，因此選擇濃度為70%的乙醇溶液作為洗脫液（圖6b）。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明（圖8c），皂苷在D101樹脂上的吸附過程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，其計(jì)算得到的最大吸附容量為26.32 mg/g。這說明吸附速率不僅與菜頭腎中總皂苷的濃度有關(guān)，還與D101樹脂表面的活性位點(diǎn)密切相關(guān)。

圖6 大孔樹脂純化皂苷的性能評(píng)

6、皂苷成分鑒定

采用Stellar質(zhì)譜的平行反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式（Parallel Reaction Monitoring, PRM），結(jié)合Biotree自建植物數(shù)據(jù)庫(kù)與三萜皂苷特征裂解規(guī)律，對(duì)菜頭腎皂苷提取物進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定。通過精確匹配前體離子質(zhì)量、特征碎片離子及保留時(shí)間，成功鑒定出 26 種皂苷成分，包括人參皂苷F1、三七皂苷R2、人參皂苷Rh2及柴胡皂苷f等代表性化合物。

表1 鑒定的皂苷成分

7、抗氧化活性分析

通過DPPH與ABTS自由基清除實(shí)驗(yàn)評(píng)估了菜頭腎皂苷的體外抗氧化能力。結(jié)果表明（圖7），皂苷提取物對(duì)DPPH自由基表現(xiàn)出較強(qiáng)的清除作用，在濃度為1 mg/mL時(shí)清除率達(dá)98%；而對(duì)ABTS自由基的清除活性相對(duì)較弱。盡管其抗氧化活性低于陽性對(duì)照抗壞血酸，但仍顯示出作為天然抗氧化劑的潛力。

圖7 抗氧化活性分析

研究小結(jié)：

本研究成功構(gòu)建了蘋果酸-氯化膽堿深共晶溶劑體系，用于菜頭腎皂苷的綠色提取。通過工藝優(yōu)化，在蘋果酸與氯化膽堿摩爾比3:1、含水量10%、提取溫度63℃、超聲時(shí)間60 min、液固比37 mL/g的條件下，皂苷得率達(dá)113.41 mg/g。進(jìn)一步結(jié)合D101大孔樹脂純化，建立了從提取到分離的完整工藝鏈，并鑒定出26種皂苷成分。機(jī)理研究表明，提取過程主要依賴氫鍵作用與高效的電荷轉(zhuǎn)移，其中氯化膽堿的Cl?以及蘋果酸的C=O和-COOH基團(tuán)是與皂苷發(fā)生相互作用的關(guān)鍵活性位點(diǎn)。該研究為菜頭腎的資源化利用及天然產(chǎn)物產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有效方法參考。