超声辅助提取条件优化用于青芒果皮中酚类含量和抗氧化活性——采用响应面法

《Food Science & Nutrition》：Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction Conditions for Phenolic Content and Antioxidant Activity in Green Mango Peel Using Response Surface Methodology

　　

青芒果皮（Mangifera indica L.）是一种丰富的农产品加工副产物，富含酚类化合物，具有强大的抗氧化潜力，使其成为食品和营养保健品应用中天然生物活性物质的理想来源。然而，最大化这些化合物的高效提取条件仍不充分。本研究旨在利用响应面法（RSM）优化超声辅助提取（UAE）条件，以提取青芒果皮中的总酚含量（TPC）、DPPH自由基清除活性（DPPH）和还原力（reducing power）。采用三因素三水平的Box–Behnken设计（BBD）来研究提取时间（10–30 min）、温度（30°C–60°C）和乙醇浓度（30%–70%）的影响。共进行了17次实验运行，并为所有响应建立了二阶多项式模型。模型的充分性通过方差分析（ANOVA）得到确认，结果显示所有自变量均显著影响TPC、DPPH和还原力（p < 0.01）。模型表现出了强大的统计性能，TPC、DPPH和还原力的R²值分别为0.9976、0.9943和0.9989，调整R²值分别为0.9754、0.9707和0.9827。预测R²值（0.8302、0.7966和0.8794）进一步表明模型可靠性良好，预测能力可接受。RSM优化确定的最佳提取条件为36.25°C、12 min和53.75%乙醇浓度。在此条件下，TPC、DPPH自由基清除活性和还原力的实验值分别为28 ± 1.5 mg GAE/g DW、58% ± 2%和46 ± 1.8 mg AAE/g DW，与预测值高度吻合，验证了所开发模型的有效性。总体而言，该研究证明UAE结合RSM是从青芒果皮中回收酚类化合物的一种高效、可靠且绿色的提取策略。优化后的工艺支持农业工业废物的可持续价值化，并凸显了芒果皮作为富含抗氧化剂的食品和营养保健品功能成分来源的潜力。

芒果（Mangifera indica L.）加工过程中产生的果皮占果实重量的20%–40%，是富含酚类化合物和黄酮类等生物活性物质的农产品副产物，具有显著的抗氧化潜力。然而，传统提取方法效率低、溶剂消耗大且易导致热敏性化合物降解。超声辅助提取（UAE）作为一种绿色高效技术，可通过空化效应破坏细胞壁释放酚类物质，但其工艺参数（时间、温度、溶剂浓度）对青芒果皮中总酚含量（TPC）及抗氧化活性（DPPH自由基清除活性、还原力）的影响尚缺乏系统优化。为此，研究人员开展了本研究，旨在利用响应面法（RSM）建立并验证其优化模型，以推动该副产物的可持续高值化利用。

研究人员从孟加拉国Pabna当地市场采集青芒果，手工剥皮后经日光干燥、研磨过筛（0.5 mm）制得芒果皮粉。关键技术方法包括：采用Box–Behnken设计（BBD）构建三因素三水平实验（超声时间10–30 min、温度30–60°C、乙醇浓度30%–70%）；通过Folin–Ciocalteu法测定TPC（mg GAE/g DW）；DPPH自由基清除活性（%抑制率）和还原力（mg AAE/g DW）分别通过分光光度法测定；利用Design-Expert软件进行二阶多项式模型拟合、方差分析（ANOVA）及响应面优化；最终通过三重复验证实验确认模型可靠性。

**3.1 青芒果皮的理化性质**
测定结果表明青芒果皮含水量（8.99±0.9 g/100 g DW）较低，有利于储存稳定性；灰分（3.09±0.3 g/100 g DW）反映矿物质含量；脂肪（1.94±0.1 g/100 g DW）和蛋白质（3.76±0.5 g/100 g DW）含量适中，与文献报道一致，支持其作为功能食品基质的潜力。

**3.2 模型拟合与方差分析**
通过BBD实验数据拟合二阶多项式回归方程，发现超声时间（A）和温度（B）对TPC、DPPH及还原力均呈正线性效应，而乙醇浓度（C）呈负线性效应。所有二次项均显著（p<0.01），表明变量对响应存在非线性影响；交互项（如AC、BC）部分显著，揭示了参数间的复杂协同或拮抗关系。

**3.3 模型充分性、ANOVA与RSM优化**
ANOVA显示三个模型均高度显著（F值71.54–101.76，p<0.0001），决定系数R²均>0.98，表明模型解释度超过98%的数据变异。然而，失拟项显著（p<0.001），提示存在未捕获的变量或高阶交互作用。通过期望函数法同步优化三个响应，得到最优条件：温度36.25°C、时间12 min、乙醇浓度53.75%，预测TPC 26.20 mg GAE/g DW、DPPH 54.94%、还原力43.37 mg AAE/g DW。

**3.4 提取参数对TPC的影响**
响应面图显示，TPC在30 min、60°C、50%乙醇时达到最高（51.5 mg GAE/g DW）。温度与乙醇浓度的交互作用表明中等乙醇浓度（40%–60%）与较高温度（60°C）更有利于酚类溶出；而超过70%乙醇或超过60°C会导致酚类降解或聚合物形成，降低回收率。

**4.1 提取参数对DPPH自由基清除活性的影响**
DPPH模型（R²=0.9872，F=59.86）显示超声时间影响最显著（p<0.0001），活性随时间延长至30 min增加；温度在60°C时最优，过高则降解；乙醇浓度控制在50%时活性（89.3%）最高。AC交互项显著（p=0.0002），表明高乙醇浓度（>70%）会削弱长时间提取的益处。

**4.2 提取参数对还原力的影响**
还原力模型（R²=0.9924，F=101.76）中，时间和温度正效应显著，乙醇浓度负效应显著。AB交互不显著，而AC和BC交互显著。最优区域位于中等乙醇（50%–70%）和中等温度（50–60°C），证实了溶剂极性与热降解的平衡机制。实验条件下，还原力最大值达90.3 mg AAE/g DW（Run 4: 30 min, 60°C, 50%乙醇）。

**4.3 优化条件与模型验证**
基于期望函数法获得全局最优条件：温度36.25°C、时间12 min、乙醇53.75%。在此条件下，三次重复实验得到TPC（28±1.5 mg GAE/g DW）、DPPH（58%±2%）和还原力（46±1.8 mg AAE/g DW），与预测值偏差<7%，残差标准误差（RSE）<0.06%，验证了模型的准确性和鲁棒性。诊断图（残差正态图、预测值与实际值图等）进一步确认了模型无系统偏差。

讨论部分指出，尽管模型统计性能优越，但显著的失拟项表明植物基质复杂性可能导致部分变异未被完全解释；缺乏液相色谱-质谱联用（LC-MS）等详细化学图谱分析限制了具体活性化合物（如没食子酸、儿茶素）的鉴定。未来研究应侧重于化合物高分辨表征、与其他绿色提取技术（如天然深共熔溶剂）的比较，以及技术经济评估以推动工业化放大。研究结论如下：

本研究旨在确定最大化总酚含量（TPC）、DPPH自由基清除活性和还原力的最优条件。响应面法（RSM）被有效应用于评估提取温度、时间和乙醇浓度的单独及交互效应。所开发模型展现出满意的预测精度，并通过期望函数确定最优条件，随后经实验验证。优化过程聚焦于最大化酚类产量和抗氧化能力，得到的最佳条件为温度36.25°C、时间12 min和乙醇浓度53.75%。这些条件可根据具体工业或经济需求进一步调整以实现预期目标。还需指出，额外的超声参数（如功率、频率和占空比）可能影响提取效率，应在未来研究中探索。总体而言，本研究为从青芒果皮中高效提取和利用生物活性化合物提供了基础方法，支持其在功能食品和营养保健品中的潜在应用，并有助于农产品加工副产物的可持续高值化利用。