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

發表期刊：Chemical Engineering Journal

影響因子：13.2

研究背景：

菜頭腎（Strobilanthes sarcorrhiza）是爵床科馬藍屬的多年生藥用植物，具有滋陰、清熱、補腎等傳統功效，尤其對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%），具有重要的開發價值。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用水平的關鍵一環。深共晶溶劑（Deep eutectic solvents；DESs）作為一類綠色、可設計的提取介質，已在天然產物分離領域展現出廣泛的應用潛力，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優異的溶解性和環境友好特性，將其拓展應用于菜頭腎皂苷的提取中，系統篩選了17種DESs，通過評估其理化性質并優化提取工藝，旨在構建一種適用于菜頭腎皂苷的提取技術體系。

研究結果：

1、DESs的設計與篩選

研究構建了17種基于氯化膽堿（ChCl）的DESs，并評估了其理化性質。研究發現，所有DESs均表現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、基于單因素實驗與Box-Behnken響應設計的參數優化

基于單因素實驗與Box-Behnken響應面設計，優化了超聲輔助DESs提取菜頭腎皂苷的工藝。首先通過單因素實驗確定了液固比、含水量、摩爾比、提取時間與溫度五個關鍵參數的適宜區間；在此基礎上，選取溫度、時間和液固比三個主要因素進行響應面優化。通過三維響應曲面分析，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℃、時間60 min、液固比37 mL/g。在此條件下，皂苷得率達113.41 mg/g（圖2）。

圖2. 總皂苷提取率的響應曲面綜合分析圖

3、FTIR與NMR分析

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）與核磁共振（NMR）分析結果表明，氯化膽堿與蘋果酸在形成DESs過程中發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了氫鍵相互作用的形成（圖3a）；1H-NMR譜中活性氫信號的位移與消失進一步驗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分析結果

4、分子動力學模擬

約化密度梯度分析（圖4a）表明，DESs內部存在以強氫鍵為主導的分子間作用力網絡，并且氫鍵是提取皂苷的核心驅動力來源。靜電勢分析（圖4b）揭示了DESs組分的靜電互補特征：氯化膽堿的Cl?與OH基團分別呈現負電性與正電性，蘋果酸的C＝O與OH基團則對應正、負靜電勢區域。這種互補分布促使兩組分通過氫鍵結合形成穩定的DES結構，同時也使其能夠與皂苷中的糖基氧原子（電負性）和羥基質子（電正性）產生相互作用，增強了皂苷結構在DESs中的親和力與溶解度。

圖4. 約化密度梯度分析與靜電勢分析結果

電子密度差（圖5a）顯示，在DESs形成過程中，蘋果酸的-COOH基團和氯化膽堿的Cl?發生了顯著的電荷重分布，形成了具有高反應活性的位點，其中-COOH作為強氫鍵供體、Cl?作為強氫鍵受體的特性得到增強。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，說明其具有較強的氫鍵供體能力和較高的電荷轉移效率，有利于生物活性化合物的提取；而蘋果酸較低的HOMO能量則有助于DESs體系的穩定。

圖5 電子密度差分析與前線軌道分析結果

5、皂苷的純化與吸附動力學行為

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。結果表明（圖6a），D101樹脂對皂苷的吸附率最高，被選為最佳純化材料。在洗脫劑濃度優化上，70%乙醇溶液可實現最佳解吸效果，因此選擇濃度為70%的乙醇溶液作為洗脫液（圖6b）。吸附動力學研究表明（圖8c），皂苷在D101樹脂上的吸附過程更符合準二級動力學模型，其計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，還與D101樹脂表面的活性位點密切相關。

圖6 大孔樹脂純化皂苷的性能評

6、皂苷成分鑒定

采用Stellar質譜的平行反應監測模式（Parallel Reaction Monitoring, PRM），結合Biotree自建植物數據庫與三萜皂苷特征裂解規律，對菜頭腎皂苷提取物進行了系統鑒定。通過精確匹配前體離子質量、特征碎片離子及保留時間，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自由基清除實驗評估了菜頭腎皂苷的體外抗氧化能力。結果表明（圖7），皂苷提取物對DPPH自由基表現出較強的清除作用，在濃度為1 mg/mL時清除率達98%；而對ABTS自由基的清除活性相對較弱。盡管其抗氧化活性低于陽性對照抗壞血酸，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：

本研究成功構建了蘋果酸-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℃、超聲時間60 min、液固比37 mL/g的條件下，皂苷得率達113.41 mg/g。進一步結合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。機理研究表明，提取過程主要依賴氫鍵作用與高效的電荷轉移，其中氯化膽堿的Cl?以及蘋果酸的C=O和-COOH基團是與皂苷發生相互作用的關鍵活性位點。該研究為菜頭腎的資源化利用及天然產物產業的可持續發展提供了有效方法參考。