不同频率超声与传统提取方法对肉桂（Cinnamomum verum）树皮抗氧化特性及植物化学成分的影响比较

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Comparison of Varied-Frequency Ultrasound and Conventional Extraction on Antioxidant Properties and Phytochemicals From Cinnamomum verum Bark

　　超声辅助提取频率对肉桂树皮中酚类化合物及抗氧化活性的影响。实验采用25、40、59 kHz超声提取，结果显示40 kHz组总酚（317.98 mg GAE/g）、总黄酮（49.98 mg QE/g）及抗氧化活性（DPPH 82.54%，ABTS 86.12%，FRAP 8.12 mmol Fe2?/g，ORAC 8991 μmol Trolox/g）最优，同时六种主要生物活性成分（如肉桂醛22198 mg/kg）含量显著高于常规提取。研究证实频率优化可提升提取效率，为绿色提取技术提供依据。

　　### 中文解读：真 cinnamon 树皮中多酚类化合物的超声波辅助提取研究

#### 引言

自古以来，人类依赖植物来满足生活的基本需求，包括食物、住所、衣物、药物以及交通工具等。在众多传统医学体系中，如阿育吠陀、希波克拉底医学和中国传统医学，药用植物被广泛用于缓解多种疾病。随着科学的发展，越来越多的研究开始关注植物作为天然药物的潜力，因其相较于合成药物，具有更高的安全性和广泛的应用前景。近年来，植物提取物在营养保健品行业中的使用日益增加，主要得益于其丰富的抗氧化成分和潜在的治疗效果。植物中的多酚类化合物因其显著的抗氧化活性而受到科学界和消费者的高度重视。

在这一背景下，真 cinnamon（*Cinnamomum verum*）作为一种具有悠久历史的药用植物，因其独特的风味和生物活性成分而备受关注。它属于樟科植物，主要分布于斯里兰卡和南印度地区，植株可高达7至10米。真 cinnamon 的不同部位，如树皮、根和叶，均富含多种生物活性化合物。其中，树皮是主要的药用部位，含有如肉桂醛、肉桂酸、香豆素、桂皮醇等重要成分。这些成分不仅具有抗氧化活性，还被广泛研究用于抗炎、抗糖尿病、抗菌、抗肿瘤等多种生物活性的开发。

尽管真 cinnamon 在传统医学和现代研究中具有广泛的应用价值，但其有效成分的提取方法仍然是一个关键问题。传统的提取方法如浸泡、蒸煮、渗滤等虽然在一定程度上能够提取出生物活性成分，但往往存在提取效率低、耗时长、溶剂用量大以及提取产物收率低等局限性。因此，科学家们一直在探索更加高效、环保和可持续的提取技术。其中，超声波辅助提取（UAE）因其较低的能耗、较短的提取时间以及良好的提取效果而受到关注。然而，关于不同频率超声波对真 cinnamon 树皮中多酚类化合物提取效果的影响，目前仍缺乏系统性的研究。

本研究旨在评估不同频率（25 kHz、40 kHz 和 59 kHz）超声波辅助提取对真 cinnamon 树皮中总多酚、总黄酮类化合物、抗氧化能力以及六种主要生物活性成分的影响，并与传统提取方法进行比较。通过优化超声波频率，本研究希望为植物提取技术的改进提供理论依据，并为工业应用中更高效、更环保的提取方法提供参考。

#### 材料与方法

本研究使用的植物材料为成熟真 cinnamon 的树皮，于2023年4月从巴基斯坦拉合尔的本地草药市场一次性采购。为了减少样品间的差异性，所有树皮样本被混合后统一处理。树皮样品随后被置于低温环境中保存，以防止其成分的降解。为了确保植物的正确性，由巴基斯坦农业大学的 Moazzam Rafiq Khan 教授对样品进行了鉴定并归档。

实验中所使用的化学试剂均购自 Sigma-Aldrich 公司，包括用于测定总多酚的没食子酸、碳酸钠、Folin-Ciocalteu 试剂；用于测定总黄酮的槲皮素、水、氢氧化钠、氯化铝、亚硝酸钠；以及用于抗氧化活性测定的 DPPH、ABTS、FRAP 和 ORAC 试剂。此外，用于高效液相色谱（HPLC）分析的标准品也从 Sigma-Aldrich 获得。

为了进行提取实验，首先将树皮样品清洗干净，并在 25°C 至 30°C 的环境下阴干7天。干燥后的树皮通过实验室研磨机研磨成均匀的粉末，并通过50目筛进行筛分。最终将样品分为三组独立的生物重复，以确保实验结果的可重复性和可靠性。

#### 传统提取方法

在传统提取过程中，将 20 克的树皮粉末加入 500 毫升的甲醇中，并在机械摇床上振荡8小时以促进提取。提取完成后，样品经过离心和过滤，去除未溶解的杂质，最终通过旋转蒸发仪在45°C下去除溶剂，得到浓缩的提取物。该提取物在4°C下保存，以防止其活性成分的降解。

#### 多频率超声波辅助提取

在多频率超声波辅助提取过程中，将5克树皮粉末加入50毫升甲醇中，并在100毫升的烧瓶中充分混合。随后，样品被放置在多频率超声波装置（SB-600DTY，由宁波科讯生物科技有限公司生产）中，分别在25 kHz、40 kHz 和59 kHz 的频率下进行超声波处理，每个处理时间为20分钟，超声波功率为500瓦。在提取过程中，采用水循环系统以维持恒定的温度（25°C ± 2°C）。处理结束后，样品通过离心和0.22微米的聚四氟乙烯膜过滤，以去除悬浮物。最终提取物同样在45°C下通过旋转蒸发仪浓缩，并在4°C下保存。

#### 总多酚和总黄酮的分析

总多酚和总黄酮的含量采用Folin-Ciocalteu法进行测定。具体步骤为：将125微升的提取物与500微升的去离子水混合，随后加入125微升的Folin-Ciocalteu试剂，并在10分钟后加入7%的碳酸钠溶液。整个反应体系在室温下静置1小时30分钟，最后在765纳米波长下使用紫外-可见分光光度计测定吸光度。实验重复三次，最终结果以每克样品的没食子酸当量（GAE）表示。

总黄酮的测定则采用铝氯酸法。首先，将100微升的提取物与1325微升的混合液（含5%的亚硝酸钠75微升和去离子水1250微升）混合，并在5分钟内进行孵育。随后，加入150微升的10%铝氯酸溶液，继续孵育5分钟。最后，加入440微升的混合液（含1摩尔/升的氢氧化钠500微升和去离子水425微升），并再次孵育。最终在510纳米波长下测定吸光度，实验同样重复三次，结果以每克样品的槲皮素当量（QE）表示。

#### 抗氧化活性的测定

抗氧化活性的测定采用多种方法，包括 DPPH、ABTS、FRAP 和 ORAC 测定。DPPH 清除能力的测定中，将 1000 微升的提取物与 0.1 毫摩尔的 DPPH 溶液混合，并在室温下孵育30分钟。随后，使用紫外-可见分光光度计在517纳米波长下测定吸光度，计算清除率。实验重复三次，结果以百分比形式表示。

ABTS 清除能力的测定则通过将 3 毫升的 ABTS 溶液与 100 微升的提取物混合，并在734纳米波长下测定吸光度。同样，实验重复三次，结果以百分比形式表示。

FRAP（铁还原抗氧化能力）的测定采用氧化还原反应的方法，通过将提取物与 FRAP 试剂（由醋酸缓冲液、三价铁盐、盐酸、氯化铁和二价铁盐组成）混合，并在30分钟后测定吸光度。最终结果以每克样品的二价铁当量（Fe2?）表示。

ORAC（氧自由基吸收能力）的测定涉及荧光检测技术，将提取物与荧光素溶液混合，并在特定波长下测定其荧光强度。实验重复三次，结果以每克样品的Trolox当量（μmol TE/g）表示。

#### 实验结果

实验结果显示，采用不同频率的超声波辅助提取方法对真 cinnamon 树皮中的多酚类化合物和抗氧化活性具有显著影响。其中，40 kHz 超声波提取的样品在总多酚含量（317.98 mg GAE/g）、总黄酮含量（49.98 mg QE/g）、DPPH 清除率（82.54%）和 ABTS 清除率（86.12%）方面均表现出最优性能。相比之下，传统提取方法在这些指标上表现较差，分别为287.72 mg GAE/g、38.14 mg QE/g、70.21% 和76.11%。此外，FRAP 和 ORAC 活性也表现出类似趋势，其中40 kHz 超声波提取的样品表现出最高的FRAP（8.12 mmol Fe2?/g）和ORAC（8991 μmol Trolox/g），而传统提取方法则分别为5.98 mmol Fe2?/g 和8116 μmol Trolox/g。

对于六种主要的生物活性化合物（如香豆素、肉桂酸、肉桂醛、桂皮醇等），40 kHz 超声波提取的样品显示出最高的含量，分别为7.11 mg/kg（Scopoletin）、23.96 mg/kg（o-CA）、4821 mg/kg（C）、421.98 mg/kg（CA）、22198 mg/kg（CmA）和529.12 mg/kg（CyA）。相比之下，传统提取方法中的含量较低，分别为4.36 mg/kg、14.96 mg/kg、2211 mg/kg、371.16 mg/kg、18891 mg/kg 和487.56 mg/kg。实验数据表明，超声波提取方法在提取效率和生物活性方面均优于传统方法。

#### 讨论

超声波辅助提取技术的原理在于其能够通过空化作用破坏植物细胞壁，从而促进溶剂与细胞内容物的接触。这种物理效应可以显著提高提取效率，并减少提取所需的时间和能量。在本研究中，40 kHz 超声波提取表现出最佳的提取效果，可能与其在细胞破坏和溶剂渗透方面的平衡有关。相比之下，25 kHz 和59 kHz 超声波提取的效率较低，可能与它们的空化效应不足或过于强烈有关。

此外，本研究还发现，不同频率的超声波对提取物的抗氧化活性具有不同的影响。40 kHz 超声波提取的样品在多种抗氧化活性指标中均表现最优，而59 kHz 超声波提取的样品虽然在某些指标上接近40 kHz，但在其他方面仍存在一定差距。这一结果可能与不同频率下空化效应的强度和持续时间有关，其中40 kHz 在细胞破裂和溶剂渗透之间取得了较好的平衡。

值得注意的是，本研究中使用的甲醇虽然能够有效提取多酚类化合物，但在食品应用方面可能具有一定的毒性问题。因此，未来的研究可以考虑使用更环保的溶剂，如乙醇，以减少对环境和人体健康的潜在影响。此外，本研究主要关注了超声波频率对提取效率的影响，而忽略了其他关键参数如温度、时间等的优化。因此，未来的研究可以进一步探讨这些变量对提取效果的影响，以实现更全面的优化。

#### 结论

综上所述，本研究通过比较不同频率的超声波辅助提取方法，发现40 kHz 超声波提取在真 cinnamon 树皮中多酚类化合物和抗氧化活性的提取方面表现最佳。这表明超声波技术在提取植物活性成分方面具有显著优势，尤其在提高提取效率和缩短提取时间方面。然而，本研究仍存在一定的局限性，例如未对其他提取参数进行优化，以及未考虑溶剂的环保性。因此，未来的研究应在这些方面进行深入探讨，以实现更高效、更环保的提取方法，为植物提取技术的工业化应用提供更坚实的理论基础和实践指导。

#### 伦理声明与作者贡献

本研究的作者声明，他们没有涉及任何伦理问题。所有作者均阅读并同意了最终发表的论文版本。在研究过程中，Savaiba Khattak 负责实验设计、方法制定、数据收集与分析，以及论文初稿的撰写。Anees Ahmed Khalil 负责实验的总体设计和论文的审阅与修改。Muneeb Khan 和 Muhammad Abid 参与了数据的整理和论文的审阅。Gholamreza Abdi 和 Rana Muhammad Aadil 提供了指导和监督。本研究未获得任何资助。

#### 数据可用性声明

本研究中产生的所有数据均可在通讯作者处申请获取。这些数据对于进一步的研究和验证具有重要意义，有助于推动植物提取技术的发展和应用。