微波辅助提取结合响应面法优化芭蕉皮中多酚与皂苷的提取工艺及结构表征研究

《Scientific Reports》：Optimization of extraction and structural characterization of bioactive compounds from Musa balbisiana peel

　　本研究针对芭蕉(Musa balbisiana)皮这一未被充分利用的农业副产物，系统优化了微波辅助提取(MAE)结合响应面法(RSM)获取高含量多酚(TPC)和皂苷(TSC)提取物的工艺条件。研究确定了最佳提取参数(81.09%甲醇浓度、4.39 s/min微波辐照周期、44.54 min提取时间)，使TPC和TSC分别达到48.82 mg GAE/gDM和57.18 mg/gDM。通过FT-IR、Raman和NMR等技术鉴定出齐墩果酸为主要活性成分，为芭蕉皮在功能食品和药物开发中的应用提供了科学依据。

　　

在追求绿色、健康生活方式的今天，从天然植物中寻找具有生物活性的化合物已成为科学研究的热点。芭蕉(Musa balbisiana)作为一种常见的热带植物，其果实被广泛食用，而果皮往往被当作废弃物丢弃。然而，这些看似无用的果皮实则蕴藏着丰富的生物活性宝藏。研究表明，芭蕉皮含有大量的多酚、皂苷、黄酮类等次生代谢产物，这些化合物具有显著的抗氧化、抗炎、抗菌、抑制多种酶活性等功效，对糖尿病、皮肤疾病、痛风、肥胖等多种疾病具有潜在的治疗价值。然而，如何高效、环保地从芭蕉皮中提取这些活性成分，并明确其化学组成，成为制约其进一步开发利用的关键问题。

传统的提取方法，如浸渍法和索氏提取法，存在耗时长、能耗高、溶剂用量大、效率有限等缺点。微波辅助提取(MAE)作为一种新兴的绿色提取技术，能够显著缩短处理时间，减少溶剂消耗，同时较好地保持热敏性化合物的稳定性，在功能食品和药用植物研究中展现出广阔的应用前景。尽管已有一些关于芭蕉属植物的研究，但针对芭蕉皮中多酚和皂苷的系统提取优化及结构表征研究仍显不足。为此，发表在《Scientific Reports》上的这项研究，旨在通过微波辅助提取结合响应面法(RSM)，优化从芭蕉皮中提取多酚和皂苷的工艺条件，并对提取物中的活性成分进行系统的结构表征，为芭蕉皮的高值化利用提供理论依据和技术支持。

为开展本研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：微波辅助提取(MAE)技术用于从芭蕉皮（样本来源于越南同塔省）中高效获取活性成分；响应面法(RSM)用于优化提取工艺参数（溶剂浓度、微波功率、辐照周期、时间），以最大化多酚(TPC)和皂苷(TSC)得率；紫外-可见分光光度法(UV-Vis)用于定量测定TPC（Folin-Ciocalteu法）、TSC（Chen等人方法）及其他活性成分含量；傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱(Raman)用于初步鉴定提取物中的特征官能团；核磁共振波谱(NMR)（¹H-NMR和¹³C-NMR）用于精确鉴定纯化后馏分中的主要化合物结构。

植物化学筛选与质量分析

研究人员首先对芭蕉皮粉末进行了系统的植物化学筛选，依次使用蒸馏水、80%甲醇和80%乙醇在室温下浸泡提取。筛选结果表明，芭蕉皮提取物中富含皂苷、多酚、单宁和类黄酮等生物活性物质，而甾体和花青素的检测信号不明显。定量分析进一步证实，甲醇提取物中的多酚含量(TPC)和皂苷含量(TSC)最高，分别达到28.09 mg GAE/gDM和36.06 mg/gDM，显著高于乙醇和水提取物。这表明甲醇是一种更有效的溶剂，用于从芭蕉皮中提取极性的多酚和皂苷类化合物。因此，研究选择TPC和TSC作为后续微波辅助提取工艺优化的目标指标。

微波辅助提取对芭蕉皮生物活性物质提取的影响

研究系统评估了溶剂浓度、微波功率、微波辐照周期和提取时间四个因素对TPC和TSC得率的影响。单因素实验结果表明，70%的甲醇浓度、270 W的微波功率、4 s/min的微波辐照周期和40 min的提取时间是比较合适的提取条件。过高的溶剂浓度或微波功率可能导致活性化合物分解，而过长的提取时间则可能因达到扩散平衡或化合物降解而降低得率。微波处理后的样品在60°C恒温水浴中再孵育60分钟，这种微波与溶剂孵育相结合的方法可能产生了协同效应，更有效地破坏了芭蕉皮复杂的木质纤维素结构，促进了溶剂对活性成分的溶出。

提取工艺优化

在单因素实验基础上，研究采用响应面法(RSM)中的Box-Behnken设计(BBK)对提取工艺进行优化。通过筛选实验确定了三个对TPC和TSC得率影响最显著的因素：溶剂浓度(X₁)、微波辐照周期(X₂)和微波时间(X₃)。建立了TPC(Y₁)和TSC(Y₂)的二次多项式回归模型，模型的决定系数R2分别为0.96和0.94，表明模型拟合良好。方差分析(ANOVA)显示模型显著(p < 0.05)。通过模型预测，得到最优提取条件为：甲醇浓度81.09%，微波辐照周期4.39 s/min，微波时间44.54 min。在此条件下，TPC和TSC的预测值分别为48.82 mg GAE/gDM和57.18 mg/gDM。验证实验结果表明，TPC和TSC的实验值分别为47.49±0.43 mg GAE/gDM和54.95±0.21 mg/gDM，与预测值相对误差小于5%，证实了模型的可靠性和适用性。

拉曼和FT-IR光谱表征

研究人员对初步纯化的芭蕉皮提取物进行了拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析，以确定其主要植物化学成分。拉曼光谱在约264、402和470 cm^-1处显示的峰归属于环状或稠环系统中的骨架C-C振动，这是许多皂苷中齐墩果烷型三萜核心的典型结构特征。827 cm^-1处的特征峰对应于β-异头振动，与糖苷键相关，表明皂素结构中糖基与苷元（如齐墩果酸）共价连接。1035 cm^-1附近的谱带与糖苷键和多羟基化系统中的C-O伸缩振动一致。在600-850 cm^-1和1200-1650 cm^-1光谱区域的一系列谱带（如677、726、1216、1261 cm^-1以及1657 cm^-1处显著的C=C伸缩振动）则支持了多酚类化合物（特别是类黄酮）的存在。

FT-IR光谱进一步证实了拉曼光谱的结果。3494 cm^-1处宽而强的吸收峰表明存在高密度的羟基，这是多酚和皂苷糖基中的关键官能团。2939 cm^-1处的峰归属于脂肪族C-H伸缩振动，主要来自皂苷疏水三萜骨架中的CH₂和CH₃基团。1690 cm^-1处的羰基伸缩振动峰表明存在羧酸官能团。在指纹区，1210、1091和1033 cm^-1处的吸收带对应于与碳水化合物残基和醚键相关的C-O和C-C伸缩模式，与皂苷和多酚中的结构一致。826 cm^-1处的尖锐谱带进一步支持了β-糖苷键的存在。此外，1459和1386 cm^-1处的谱带归属于CH₂和CH₃弯曲振动，强化了饱和烃骨架的存在，这是三萜皂苷的特征。提取物的FT-IR光谱与齐墩果酸参考谱库图谱的匹配度达到77.3%，为皂苷的存在提供了有力证据。

NMR光谱表征

为了进一步鉴定纯化馏分中的主要化合物，研究人员利用硅胶柱色谱法对提取物进行进一步分离纯化，并通过薄层色谱法(TLC)检查纯度。对纯化后的馏分进行了核磁共振波谱分析（¹H-NMR和¹³C-NMR）。¹H-NMR谱中，δ 5.15 ppm (1H, t, J = 3.7 Hz)处的关键诊断性共振信号是C-12位烯质子的特征，证实了Δ¹²⁽¹³⁾双键的存在，这是齐墩果烷型三萜类骨架的结构标志。δ 11.13 ppm处的宽单峰对应于羧酸质子，表明C-28位存在游离羧酸基团。高场区(δ 0.70-1.20 ppm)的多个单峰和双峰归属于甲基基团，与齐墩果烷框架中典型的七个甲基取代基一致。¹³C-NMR谱进一步支持了结构鉴定。δ 179.03 ppm处的低场共振信号归属于C-28位的羧酸碳。δ 122.0和144.3 ppm处的两个显著信号分别对应于C-12和C-13位的sp2杂化烯碳，与Δ¹²⁽¹³⁾不饱和化一致。δ 78.0 ppm处的共振信号归属于连有羟基的C-3碳，这是齐墩果酸的另一个诊断性特征。将所有质子碳化学位移与文献数据详细比较后，最终确定纯化馏分中的主要化合物VC为齐墩果酸。

本研究成功证明芭蕉(Musa balbisiana)皮是生物活性化合物的丰富来源，其中皂苷和多酚是主要成分。微波辅助提取(MAE)被证明是获取富含这些化合物的提取物的有效方法，并通过响应面法(RSM)确定了优化的提取条件。使用FT-IR和拉曼光谱进行结构表征，确认了特征官能团的存在，而NMR分析则鉴定出齐墩果酸是纯化馏分中的主要三萜类化合物。这些发现凸显了芭蕉皮作为天然生物活性化合物来源在制药和功能食品应用中的潜力。优化后的提取工艺为芭蕉皮的高值化利用提供了可行的技术路径，明确的化学成分也为解释其已知的生物活性（如降血糖、抗炎、抑制酶活性等）提供了物质基础。未来对芭蕉皮提取物生物活性的深入研究，将有助于推动其在特定产品中的靶向应用，并扩展其实际应用的知识基础。