粉酒椰(Raphia farinifera)果实酚类化合物与抗氧化活性的超声辅助提取：Box–Behnken设计优化与微观结构表征

《Food Chemistry Advances》：Ultrasound-Assisted Extraction of Phenolic Compounds and Antioxidant Activities from Raphia farinifera Fruit: Box-Behnken Design Optimization and Microstructural Characterization

　　

粉酒椰(Raphia farinifera)果实在当地有使用习惯，但其生物活性化合物研究不足。本研究通过4因素Box–Behnken设计(BBD)优化了果实、果肉(pulp)与核(kernel)提取物中酚类化合物、黄酮类化合物和抗氧化活性的超声辅助提取(UAE)条件，考察因素包括时间、超声温度、乙醇百分比和液固比(L/S ratio)，并分析了超声处理对不同基质形貌的影响。结果表明，粉酒椰果实部位性质对上述各响应值影响显著。在多响应优化下，果肉的酚类化合物含量(TPC)、黄酮类化合物含量(TFC)、自由基清除活性和FRAP分别为10.10 mg GAE/g DM、6.58 mg QE/g DM、74.07%和2821.19 μmol TE/L；果壳(shell)相应为47.22 mg GAE/g DM、10.11 mg QE/g DM、91.69%和1396.99 μmol TE/L；核相应为69.58 mg GAE/g DM、33.24 mg QE/g DM、99.63%和1198.65 μmol TE/L。扫描电子显微镜(SEM)显示超声处理改变了植物基质的表面形貌，产生孔隙从而促进溶剂渗透并将胞内物质转移至溶剂。粉酒椰果实提取物具有显著抗氧化特性，在医药、化妆品、食品保鲜和功能食品中具多种潜在应用。

研究背景方面，植物可产生大量次生代谢产物，其中酚类化合物是一类分布广、生物活性突出的类群，包括酚酸、黄酮、单宁、木质素和二苯乙烯等，具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗真菌和胃保护作用，因而被广泛用作食品、药品和化妆品配方中的天然成分。但工业化利用仍受限于溶剂消耗大、经济性差的提取工艺。超声辅助提取(UAE)凭借声空化增强传质、减少溶剂用量与时间、兼容食品级溶剂（如乙醇/水）而成为绿色提取技术。粉酒椰(Raphia farinifera，Arecaceae)是分布于非洲与马达加斯加热带湿地的棕榈物种，果实由果肉、核和果壳组成，后两者常占果实总质量约60%并作为加工残渣废弃；已有研究报道其核含儿茶素、薯蓣皂苷元、鞣花酸等，各部位均含酚类、黄酮、单宁、皂苷等植物化学物，且果壳与核提取物表现出显著抗氧化与抗炎活性。由于提取条件不能从不同植物基质直接类推，每种原料都需专门优化研究，而目前尚无针对粉酒椰各果实部位酚类化合物超声辅助提取优化的报道。该研究通过开展Box–Behnken设计(BBD)优化果肉、果壳、核的UAE条件，以总酚含量(TPC)、总黄酮含量(TFC)、DPPH自由基清除活性和FRAP(ferric reducing antioxidant power)为响应，并结合SEM与傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征超声诱导的结构与化学修饰，旨在为粉酒椰果实副产物作为天然抗氧化原料在食品、营养品和药品中的应用提供科学依据。论文发表于《Food Chemistry Advances》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：样本为2023年8月采自喀麦隆西部Bafoussam I公社Batoukop村的粉酒椰果实，经鉴定为Raphia farinifera (Gaertn) Hylander，果实分成果肉、果壳、核三部分，45±2°C烘干72 h后粉碎过筛至粒径<500 μm备用；采用4因素3水平Box–Behnken设计(BBD)安排实验，因素为温度(30、55、80°C)、时间(10、35、60 min)、乙醇浓度(0、48、96%)、液固比(5、20、35 mL/g)，响应为TPC(Folin–Ciocalteu法，mg GAE/g DM)、TFC(硝酸铝法，mg QE/g DM)、DPPH自由基清除(%)、FRAP(μmol TE/L)；UAE使用40 kHz、60 W超声浴装置；结构表征采用扫描电子显微镜(SEM，JEOL-JSM-6390A，10 kV)对比优化条件下处理前后形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR，Nicolet IS5，4000–400 cm^?1)分析官能团变化；统计建模采用Design Expert软件拟合二次模型，进行方差分析(ANOVA)、模型质量评价（R²、调整R²、预测R²、Adeq Precision等），开展单目标和多目标优化及Pearson相关性分析，实验三次重复，p<0.05为显著。

研究结果部分，MODELING EXTRACTION CONDITIONS（提取条件的建模）：研究人员基于BBD实验数据拟合了各部位TPC、TFC、DPPH、FRAP的二次模型编码变量表达式；实验测得果肉TPC为0.24～11.36 mg GAE/g DM，果壳1.95～48.16，核5.99～71.75，核最高；TFC果肉0.07～6.58 mg QE/g DM，果壳0.006～11.70，核0.46～27.79；FRAP果肉1082.94～2778.76 μmol TE/L，果壳326.46～1213.83，核12.99～1111.81；DPPH清除果肉44.55%～99.03%，果壳与核也呈现部位依赖性；模型p值均<0.0001，无显著失拟，R²为95.93%～99.67%，调整R²为92.13%～99.36%，预测R²为79.99%～98.16%，Adeq Precision为17.44～53.00（均>4），AADM 0.005～0.8，B_f1～1.23，A_f1～1.46，符合有效性标准，表明模型可靠并可预测。

EFFECTS OF DIFFERENT EXTRACTION FACTORS ON RESPONSES（不同提取因素对各响应的影响）：液固比(D)对所有部位的TPC、TFC、DPPH、FRAP均有高度显著负线性效应(p<0.0001)和显著二次效应，解释为低溶剂下浓度梯度不足、传质受限，中等比例扩散改善，过高比例超声能量密度下降、空化减弱；乙醇浓度(C)对果肉与果壳TPC有显著线性与二次效应，对核为正的二次响应，符合“相似相溶”，水促进基质溶胀、乙醇增强酚类解吸附，过高乙醇因介电常数过低、脱水反而降低效率；温度(A)对果肉TPC有显著负二次效应，因适度升温改善溶解度与黏度但过高使空化气泡内蒸气压升高产生缓冲效应削弱崩塌强度，且>70°C可致酚热降解；时间(B)对核TFC有显著正线性效应(p=0.0233)，对果壳TFC温度有正效应(p=0.0085，30～80°C递增)，未见热降解；DPPH受时间负线性影响（核p=0.0241）及显著负二次（所有部位），说明存在最优时间窗，过长超声致氧化降解；乙醇对DPPH在核与果壳为正效应（核p=0.0008，果壳p<0.0001），果肉为负(p=0.0389)，反映溶剂极性匹配不同抗氧化剂；FRAP受乙醇正线性效应极显著(p<0.0001，所有部位)，液固比负线性显著但二次为正，时间对核与果肉FRAP正线性（核p=0.0123，果肉p=0.0022）且果肉有负二次，提示过长超声致酚氧化；温度对果壳FRAP正线性(p<0.0001)并有适度二次(p=0.0204)；交互项中液固比×乙醇、液固比×时间、温度×时间、温度×乙醇等对不同响应与部位有显著交互作用，体现传质、空化、溶剂极性耦合效应。

MONO AND MULTI-RESPONSE OPTIMIZATION（单响应与多响应优化）：单目标优化下，果肉TPC最大在80°C、59.99 min、69.46%乙醇、5 mL/g（预测11.36，实验11.01±0.27）；TFC最大在34.70°C、50.52 min、74.52%乙醇、5.02 mL/g（预测6.63，实验6.23±0.30）；DPPH最大在61.74°C、33.47 min、13.30%乙醇、25.97 mL/g（预测100.30%，实验102.01±1.50%）；FRAP最大在73.66°C、57.14 min、84.43%乙醇、5.27 mL/g（预测2792.78，实验2800.01±4.70）；果壳与核也各有特定单目标最优条件（如核TPC在80°C、59.24 min、0.34%乙醇、5 mL/g预测69.58，实验71.01±2.01）；单目标desirability为0.953～1.000。多目标优化同步最大化四个响应，得果肉：80°C、21 min、96%乙醇、5 mL/g，预测TPC 10.40、TFC 6.58、DPPH 74.07%、FRAP 2821.19，实验值接近（TPC 10.01±0.57等）；果壳：80°C、15.5 min、96%乙醇、5 mL/g，预测TPC 47.22、TFC 10.11、DPPH 91.69%、FRAP 1396.99，实验相符；核：80°C、58.5 min、32%乙醇、5 mL/g，预测TPC 63.67、TFC 27.79、DPPH 82.24%、FRAP 1103.81，实验验证无统计差异；多目标desirability为0.839～0.957，表明取得满意折衷；温度80°C与液固比5 mL/g可标准化，溶剂比例与时间需按部位调整。

CORRELATION BETWEEN TPC, TFC, DPPH, AND FRAP（TPC、TFC、DPPH、FRAP间的相关性）：Pearson分析显示所有部位TPC与TFC极显著强正相关（果肉r=0.9750，果壳r=0.9699，核r=0.8753，p<0.05），说明黄酮是酚类主要组成；DPPH与TPC、TFC在果肉（r=-0.9035，-0.8934）和果壳（r=-0.5843，-0.6019）呈显著负相关，核弱不显著，表明DPPH活性不只取决于酚总量，还受非酚还原物或结构特异性影响；FRAP与TPC、TFC在所有部位呈显著强正相关(r=0.6032～0.8088，p<0.05)，说明酚类尤其是具邻二酚结构与共轭体系的黄酮能有效通过电子转移还原Fe³⁺；DPPH与FRAP在果肉呈中度负相关(r=-0.5888，p=0.0006)，其余不显著，反映两 assay 机制差异（电子转移为主与氢原子转移）。

SCANNING ELECTRON MICROSCOPY（扫描电子显微镜）：未处理果壳呈致密层状结构、表面平滑、孔隙有限；超声后出现明显破碎、分层，归因于空化微射流与冲击波破坏细胞壁、提高溶剂通达性；核未处理为平滑球形紧密颗粒无孔隙，超声后彻底破坏成不规则碎片与无定形团聚体，利于胞内酚释放；果肉未处理为多孔层状，超声后高度碎片化、具细胞残片与微粒，表明组织崩解与角质层脱离；各基质超声后微结构变化证实空化驱动的组织破坏与生物可及性提高直接相关。

FT?IR Spectra（傅里叶变换红外光谱）：所有部位3200～3500 cm^?1宽峰（O–H伸缩、多糖羟基、结合水、N–H）超声后强度一般降低（尤其果壳、核），说明氢键网络部分断裂；2800～3000 cm^?1（脂肪链C–H伸缩）在果肉处理后增强，示细胞破裂释放脂类，果壳与核变化不大；1000～1100 cm^?1（多糖C–O–C伸缩）果壳与核超声后峰值略降低，提示部分多糖水解或溶出，果肉相对富集；1600～1750 cm^?1（C=O伸缩，酯、酸、木质素羰基）均保留，说明木质素未完全降解但构象/官能团暴露改变；整体FTIR变化与细胞壁破裂、结合酚释放相符。

讨论部分总结：研究人员指出，Box–Behnken设计结合UAE可有效优化粉酒椰不同部位酚提取与抗氧化活性，所建二次模型解释度高、预测可靠；液固比是跨部位最具影响力的因素，温度过高（>70°C）对酚有热降解风险，乙醇浓度需匹配目标化合物极性（核酚宜低醇、黄酮宜高醇，果肉与果壳多酚需较高醇），时间存在最优窗口以防过长超声致氧化；多目标优化给出折衷条件（80°C，果肉与果壳约15.5～21 min、96%乙醇，核58.5 min、32%乙醇，液固比5 mL/g），desirability接近1，验证实验与预测无显著差异；SEM与FTIR从微观与官能团水平证实超声空化破坏组织、产生孔隙、断裂氢键与部分多糖链，从而促进溶剂渗透与胞内酚转移；相关性分析表明TPC与TFC强相关，FRAP与酚/黄酮强相关，DPPH则与酚总量不一定正相关，提示抗氧化机制assay依赖性；核酚与黄酮含量最高，果壳DPPH较高，果肉FRAP突出，说明部位间生物活性轮廓不同；研究结论为粉酒椰果实特别是废弃的果壳与核是可再生天然抗氧化资源，UAE-BBD策略可持续高效获得高活性提取物，支撑循环生物经济；这些提取物在食品防腐剂、营养制品、化妆品活性物、药品抗氧化剂方面具应用潜力。结论部分原文总结：本研究利用Box–Behnken设计优化粉酒椰果实各部位超声辅助提取生物活性物与抗氧化活性，证明UAE结合BBD是获得果肉、果壳、核富抗氧化提取物的高效可持续策略；所建模型可靠描述温度、时间、乙醇浓度、液固比的影响并提供稳健预测与优化工具；生物活性与抗氧化能力具部位依赖性，核总酚、黄酮与抗氧化活性最高；液固比是所有基质最显著影响因子；SEM显示超声诱导显著结构破坏，产生多孔碎片化组织促进代谢物释放；FTIR表明羟基、羰基、多糖相关官能团修饰，证实细胞壁破裂与结合酚提取改善；结果凸显粉酒椰果实作为天然抗氧化剂的再生资源潜力，果壳与核这类通常废弃的部分转化高值产品支持循环生物经济；优化提取物可作为天然防腐剂、营养制品成分、化妆品活性物、药品抗氧化剂；未来工作应聚焦动力学建模以放大工艺，生物活性物高级结构表征，体内与临床评价确认安全与功效，稳定性研究支撑配方开发，中试提取、技术经济评估与生命周期分析验证工业可行性与环境效益。