甜橙（Citrus sinensis (L.) Osbeck）果皮精油的绿色提取及其对抗氧化和抗菌活性的影响：分子对接和DFT分析的支持

《Food Science & Nutrition》：Green Extraction of Citrus sinensis (L.) Osbeck Peel Essential Oil and Its Impact on Antioxidant and Antimicrobial Activity: Supported by Molecular Docking and DFT Analysis

　　

甜橙（Citrus sinensis (L.) Osbeck）（C. sinensis）果皮是精油（EO）的丰富来源，广泛应用于制药、食品和香料行业；然而，有效的提取策略和分子层面的见解尚未被探索。本研究将超热蒸汽提取（SHSE）作为一种新型绿色方法用于C. sinensis EO的提取，并将其与常规的水蒸馏和蒸汽蒸馏方法进行比较。分析了化学特征和生物活性，并通过分子对接和DFT（密度泛函理论）研究进一步强化。通过SHSE获得的最大产率为0.20%（w/w）。通过GC–MS（气相色谱-质谱联用）研究挥发性组成，鉴定出d-柠檬烯（8.84%至30.72%）为主要化合物。进行了多项测试，包括刃天青微量板法、琼脂扩散法和微量稀释肉汤法，以评估抗菌潜力。SHS提取的EO显示出最大的抗菌和抗真菌活性。采用DPPH（1,1-二苯基-2-苦肼基）法、过氧化氢清除法和FRAP（铁离子还原抗氧化能力）法测定提取EO的抗氧化性能。超热蒸汽提取的EO也显示出最高的抗氧化活性。进行分子对接以评估配体-蛋白质相互作用。所有化合物均显示出较低的结合能；其中，四种化合物，d-柠檬烯、反式乙酸香芹酯、β-乙酸松油酯和α-雪松烯，被确定为与目标抗氧化和抗菌蛋白的重要结合物。在B3LYP/6–31G(d,p)水平上进行DFT研究，以阐明化合物的抗氧化作用机制。DFT预测β-乙酸松油酯是最有效的抗氧化候选物，这归因于其最低的能隙（6.7616 eV）、最高的化学柔软度和最低的化学硬度。总体而言，结论是SHSE给出了最高的EO产率，而生物测定提供了EO组分的协同性能，这通过结合计算分析得以验证。

论文解读文章

**研究背景与问题**

食品源性疾病是全球性重大健康问题，常由受污染食品中的致病菌（如空肠弯曲菌、肠沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等）引起。同时，代谢过程中产生的自由基可导致氧化应激、神经退行性疾病和糖尿病。合成防腐剂虽具抗氧化和抗菌活性，但可能引起中毒、过敏和退行性疾病，因此天然防腐剂成为研究热点。植物精油（EOs）作为天然抗氧化剂和抗菌剂，在医药、食品和香料工业中广泛应用。柑橘属（Citrus）芸香科植物，尤其是甜橙（Citrus sinensis (L.) Osbeck），其果皮富含精油，但传统提取方法（如水蒸馏HD和蒸汽蒸馏SD）存在产率低、时间长、可能降解热敏成分等问题。超热蒸汽提取（SHSE）作为一种新兴绿色技术，利用高温蒸汽（101-180°C）提高渗透性和传质效率，有望克服传统方法的局限。然而，SHSE在甜橙果皮精油提取中的应用及其分子机制尚未被系统研究。本研究旨在比较SHSE与HD、SD的提取效率，并结合分子对接和DFT分析，从实验和理论层面解释精油的生物活性。

**研究内容与结论**

研究人员开展了甜橙果皮精油的不同提取方法比较研究，利用GC-MS分析化学组成，通过DPPH、过氧化氢清除和FRAP实验评估抗氧化活性，采用琼脂扩散、刃天青微量板法和微量稀释肉汤法评估抗菌活性，并运用分子对接和DFT分析揭示活性成分与靶蛋白的相互作用及电子结构特性。研究发现，SHSE获得最高精油产率（0.20%），且其提取的精油在抗氧化和抗菌测试中均表现最优。GC-MS鉴定d-柠檬烯为主要化合物，分子对接显示d-柠檬烯、反式乙酸香芹酯、β-乙酸松油酯和α-雪松烯与目标蛋白（1CEX、1KZN、2CDU、2I80、3NRZ、7BLY）具有较低结合能；DFT分析则指出β-乙酸松油酯因能隙最小（6.7616 eV）、化学柔软度最高而具有最佳抗氧化潜力。该研究发表于《Food Science》。

**主要关键技术方法**

（不超过250字）研究人员首先从巴基斯坦Sahiwal（北纬30.6°，东经73.1°）收集新鲜甜橙果皮，经干燥粉碎后分别采用水蒸馏（HD）、蒸汽蒸馏（SD）和超热蒸汽提取（SHSE）（150°C、60 psi、3小时，流速60 mL/min）三种方法提取精油。使用Shimadzu GC-MS QP 2010系统（DB-5毛细管柱）进行化学成分分析。抗氧化活性通过DPPH（515 nm）、过氧化氢（230 nm）和FRAP（710 nm）比色法测定；抗菌活性通过琼脂扩散、刃天青微量板法（细菌）和微量稀释肉汤法（真菌）测定最小抑菌浓度（MIC）。分子对接采用AutoDock Vina（6个蛋白质靶标），DFT计算在B3LYP/6-31G(d,p)水平进行几何优化、能隙及全局反应性参数分析。

**研究结果**

**3.1 精油产率**：通过比较三种提取方法，SHSE获得最高精油产率（0.20%），显著高于HD（0.13%）和SD（0.15%）。这表明SHSE因蒸汽低黏度、高极性和强渗透性而提高了传质效率。

**3.2 化学组成**：GC-MS分析鉴定出四大类化合物（单萜烃、含氧单萜、倍半萜、含氧倍半萜），其中d-柠檬烯为主要成分（8.84%-30.72%），此外还检出β-蒎烯、β-水芹烯等。不同提取方法导致化合物含量差异，SHSE提取的精油中d-柠檬烯含量最高（30.72%）。

**3.3 抗菌活性**：琼脂扩散和MIC实验表明，SHSE提取的精油对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和真菌（F. solani）表现出最强抑制区（24.09 mm）和最低MIC（3.12 μg/mL），对大肠杆菌（E. coli）和黑曲霉（A. niger）也显示较好活性。说明SHSE富集了更多活性成分，且活性源于化合物协同作用。

**3.4 抗氧化活性**：DPPH、过氧化氢清除和FRAP实验一致显示SHSE提取的精油具有最高抗氧化值（67.66% DPPH清除率，51.1% H₂O₂清除率，214.19 mg/mL FRAP值）。这归因于SHSE提取物中挥发性化合物浓度更高。

**3.5 分子对接**：选取15种化合物与6个靶蛋白（1CEX、1KZN、2CDU、2I80、3NRZ、7BLY）进行对接，结合能范围为-4.2至-7.6 kcal/mol。d-柠檬烯、反式乙酸香芹酯、β-乙酸松油酯和α-雪松烯与2CDU、2I80、3NRZ蛋白的活性位点残基（如PHE14、PHE175、VAL591等）形成稳定相互作用，验证了其生物活性基础。

**3.6 密度泛函理论**：对四种主要化合物进行B3LYP/6-31G(d,p)水平DFT分析。β-乙酸松油酯能隙最小（6.7616 eV），化学柔软度最高（0.1478 eV^-1），硬度最低（3.3808 eV），表明其反应性最强，最易中和自由基，是理论最优抗氧化剂。分子静电势（MEP）图显示其含氧基团部位（如乙酸酯中的氧原子）为电子富集区，利于亲电攻击。

**讨论与结论**

本研究证实超热蒸汽提取是一种优于传统方法的绿色技术，能获得更高产率和更强生物活性的甜橙果皮精油。分子对接与DFT分析从分子层面解释了d-柠檬烯、反式乙酸香芹酯、β-乙酸松油酯和α-雪松烯等成分的抗氧化和抗菌机制，其中β-乙酸松油酯因最低能隙和最高柔软度被预测为最有效的抗氧化剂。研究结论强调：超热蒸汽提取（SHSE）更有利，可产出更丰富的挥发性组成和增强的生物活性，这些结果突出了甜橙精油作为药用工业天然生物活性化合物来源的潜在应用。