将人工神经网络（ANN）与遗传算法（GA）优化方法相结合，并结合多尺度机理分析，用于超声辅助从桑树皮中提取黄酮类化合物的过程

《Ultrasonics Sonochemistry》：Integration of ANN-GA optimization and multi-scale mechanistic analysis for ultrasound-assisted enzymatic extraction of flavonoids from Cortex Mori

　　

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摘要

桑树皮（Cortex Mori, CM）是一种富含黄酮类化合物的珍贵药用植物，具有多种生物学和药理学活性。本研究旨在开发一种环保且高效的超声辅助酶法提取（UAEE）技术，用于从桑树皮中提取黄酮类化合物，并阐明该过程的机制，鉴定主要黄酮类化合物并评估其生物活性。首先，采用UAEE方法进行黄酮类化合物的提取，并通过Plackett-Burman设计（PBD）确定关键参数，随后结合响应面方法（RSM）和人工神经网络（ANN）-遗传算法（GA）进行优化。此外，还利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和分子动力学模拟（MDS）来阐明提取机制。采用超高效液相色谱-质谱联用仪（UHPLC-HRMS）鉴定桑树皮提取物中的黄酮类化合物，并评估其抗氧化和抗增殖活性。结果表明，ANN-GA优化模型的效果优于RSM模型，在优化条件下（超声浴系统、超声频率40 kHz、功率200 W、固液比1:24 g/mL、超声温度55 ℃、乙醇体积分数67%以及超声时间60 min），总黄酮含量（TFC）达到最大值21.18 ± 0.94 mg/g。机制分析表明，超声作用破坏了细胞壁结构，改变了分子间相互作用，提高了溶剂的渗透性，从而促进了酶辅助下的黄酮释放。共鉴定出桑树皮提取物中的41种黄酮类化合物。这些提取物具有抗氧化作用，表现为ABTS⁺清除活性（0.8940 ± 0.0010 mmol/L）、DPPH清除活性（96.78 ± 4.28%）和铁还原抗氧化能力（FRAP，1.3074 ± 0.1234 mmol/L）。此外，桑树皮提取物还对SW620、4T1、A2780、LOVO和MCF-7细胞系表现出抗增殖活性。总体而言，本研究为UAEE过程提供了多尺度优化策略和机制见解，为桑树皮及其他植物资源的有效利用提供了理论指导。