基于人工神经网络模型的蓼属植物（Polygonum perfoliatum L.）多糖超声辅助提取优化、结构表征及其抗炎活性研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Artificial neural network model-based optimization of Polygonum perfoliatum L. Polysaccharide ultrasonic-assisted extraction, structural characterization, and anti-inflammatory activity

本研究以 Polygonum perfoliatum 多糖的超声波辅助提取及结构鉴定为核心，结合响应面法与遗传算法-反向传播神经网络优化提取参数，最佳条件为液固比35 mL/g、三次循环、72℃、415 W。纯化后得到的 S-PPP3 分子量为79 kDa，由六种单糖组成，具有三螺旋结构。体外实验证实其能显著抑制 LPS 诱导的 RAW264.7 巨噬细胞中 NO、TNF-α 和 IL-6 的分泌，提示其作为抗炎功能性食品或药物开发的潜力。

　　本研究围绕一种名为“Polygonum perfoliatum”L.（PP）的中药材展开，其在苗族医学中被广泛用于治疗带状疱疹、妇科炎症及毒蛇咬伤等疾病。PP不仅具有丰富的自然资源，而且广泛分布于中国、尼泊尔、印度、俄罗斯和韩国等地。随着现代医学的发展，PP的药理活性逐渐受到关注，包括抗炎、抗菌、抗病毒、抗肝纤维化、止咳、祛痰、抗癌和抗氧化等作用。然而，尽管PP在传统医学中具有重要地位，其多糖成分的药理研究仍相对有限。因此，本研究旨在通过优化提取方法，提高PP多糖的提取效率和纯度，进一步探索其在药理学中的应用潜力。

为了实现这一目标，研究采用了超声波辅助提取（UAE）技术，这是一种绿色、安全且高效的提取方法。通过响应面法（RSM）和人工神经网络（ANN）建模，对PP多糖的提取条件进行了系统优化，选取了PP多糖的转移率和纯度作为主要评估指标。最终，确定了最佳提取条件为：液固比35 mL/g，进行三次29分钟的提取，温度为72℃，超声波功率为415 W，达到96.96%的综合评分。此外，遗传算法-反向传播（GA-BP）神经网络模型的预测结果被用于评估提取条件的优化效果，显示出更高的准确性。通过Sephadex柱层析，获得了S-PPP3这一具有79 kDa分子量的多糖组分。

通过进一步的结构分析，S-PPP3的单糖组成被确定为六种不同的单糖：L-阿拉伯糖、D-半乳糖醛酸、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-甘露糖和L-鼠李糖。研究还揭示了S-PPP3的主要骨架结构，主要由重复的→4)-β-D-Galp-(1→和→4,6)-β-D-Galp-(1→单元组成。侧链则连接在→4,6)-β-D-Galp-(1→单元的C-6位置，并包含T-α-L-Araf-(1→5)-α-L-Araf-(1→5)-α-L-Araf-(1→、T-α-D-Manp-(1→3)-β-D-Glc p-(1→4)-α-D-GalAp-(1→以及T-α-L-Rhap-(1→2,4)-α-L-Rhap-(1→2,4)-α-L-Rhap-(1→等结构基序。这些结构特征可能与S-PPP3的生物活性密切相关。

在抗炎活性评估方面，研究使用了脂多糖（LPS）刺激的RAW264.7巨噬细胞模型，分析了S-PPP3的体外抗炎效果。结果表明，S-PPP3能够显著降低LPS诱导的NO、TNF-α和IL-6的分泌水平，显示出良好的抗炎活性。此外，通过实时定量PCR（RT-qPCR）分析了这些炎症因子的mRNA表达水平，进一步确认了S-PPP3在抑制炎症反应方面的效果。这表明S-PPP3不仅在结构上具有复杂性，而且在功能上也表现出潜在的药理价值。

研究还采用了多种分析手段对S-PPP3的结构进行了深入探讨，包括扫描电子显微镜（SEM）、紫外光谱（UV）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高效液相色谱（HPLC）和核磁共振（NMR）等技术。SEM图像显示，S-PPP3具有不规则的链状结构和多孔的内部形态，这可能与其生物活性有关。UV光谱分析表明，S-PPP3不含核酸和蛋白质。FTIR光谱则揭示了S-PPP3中存在多种化学键，如羟基、甲基和糖苷键等，进一步支持其结构的复杂性。HPLC分析结果显示，S-PPP3的单糖组成比例为4.57:1.71:6.76:1.00:1.40:5.60，对应于L-阿拉伯糖、D-半乳糖醛酸、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-甘露糖和L-鼠李糖。NMR光谱分析进一步确认了S-PPP3的糖苷键类型及其单糖的化学环境，揭示了其复杂的结构特征。

通过对比RSM模型和GA-BP神经网络模型的预测效果，研究发现GA-BP模型在预测精度和综合评分方面表现更优。RSM模型的R2值为0.9741，调整R2为0.9483，说明其对实验数据的拟合效果良好。然而，GA-BP模型的R2值达到0.9851，且平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）均低于RSM模型，表明其在处理非线性问题时具有更高的适应性和准确性。此外，通过验证实验，GA-BP模型预测的综合评分达到了96.96%±6.23%，显著优于RSM模型的85.27%±4.38%。这说明在优化提取参数时，结合遗传算法的神经网络模型能够提供更可靠的结果。

本研究的成果不仅为PP多糖的提取工艺提供了优化方案，还揭示了S-PPP3的结构特征和抗炎活性。这些发现为PP多糖在功能性食品或抗炎药物开发中的应用奠定了基础。此外，研究结果还表明，PP多糖的结构复杂性和多糖组成多样性可能是其药理活性的关键因素。进一步的机制研究和临床试验将有助于深入理解PP多糖的生物学功能，并探索其在现代医学中的应用潜力。

在实际应用中，PP多糖可能作为天然药物成分，用于开发抗炎药物或功能性食品。其高纯度、良好结构特征以及显著的抗炎效果，使其成为一种具有前景的生物活性物质。此外，PP多糖的提取和纯化过程也显示出一定的可行性，能够为大规模生产提供技术支持。通过优化提取条件，可以有效提高PP多糖的产量和纯度，进而提升其在医药和食品工业中的应用价值。

本研究的创新之处在于，结合了传统提取方法与现代优化技术，不仅提高了PP多糖的提取效率，还对其结构和功能进行了系统分析。研究结果表明，PP多糖具有良好的抗炎活性，其结构特征可能与其生物活性密切相关。此外，通过比较RSM和GA-BP模型，研究展示了如何利用现代数据分析技术优化传统中药的提取工艺，这为中药现代化提供了新的思路和方法。

未来的研究方向可能包括对PP多糖在体内抗炎机制的深入探讨，以及其在不同疾病模型中的应用效果评估。此外，还可以探索PP多糖与其他活性成分的协同作用，以及其在不同剂量下的药理活性变化。这些研究将进一步拓展PP多糖的应用范围，提高其在医药和食品工业中的价值。

总之，PP多糖的提取、结构分析及其抗炎活性的研究为中药的现代应用提供了新的视角。通过优化提取条件和深入理解其结构与功能之间的关系，PP多糖可能成为一种具有广泛前景的天然药物成分。本研究不仅为PP多糖的开发和应用提供了理论依据，还为中药多糖的提取和结构分析提供了可借鉴的技术路径。