微波辅助提取Satureja hortensis L.中生物活性化合物的优化研究：人工神经网络方法、化学成分分析、提取动力学及热性质研究

《Frontiers in Nutrition》：Optimization of the microwave-assisted extraction of bioactive compounds from Satureja hortensis L.: an artificial neural network approach, chemical profile, extraction kinetics, and thermal properties

微波辅助提取鼠尾草中酚类化合物及抗氧化活性优化研究。采用人工神经网络模型优化微波提取参数（时间20-40min，乙醇浓度40%-80%，功率400-800W），确定最佳条件为40min、52.8%乙醇、656.1W，预测总酚（246.5mg GAE/g）、总黄酮（35.66mg RU/g）及抗氧化活性（IC50 17.79μg/mL，EC50 25.79μg/mL），实验验证误差小于5%。通过动力学模型和热分析（TGA/DSC）揭示提取机制及热稳定性，发现rosmarinic acid占酚类总量的88.5%。该研究为天然抗氧化剂开发提供新方法。

　　
### 夏季 savory 酚类化合物及抗氧化活性研究解读

#### 一、研究背景与意义
夏季 savory（学名：*Satureja hortensis* L.）是一种广泛分布于地中海地区的芳香草本植物，其传统用途包括烹饪调味和民间医药。尽管该植物富含酚类、黄酮类等生物活性成分，具有抗氧化、抗炎、抗菌等多种潜在健康益处，但其化学成分的系统性研究仍存在不足。尤其在高效提取技术（如微波辅助提取）的优化方面，尚未形成统一结论。本研究通过人工智能神经网络（ANN）模型优化微波辅助提取工艺，系统分析提取物的化学组成与抗氧化活性，为后续开发天然功能食品或药物奠定基础。

#### 二、研究方法与技术创新
1. **微波辅助提取（MAE）技术优化**
研究采用微波辅助提取技术，重点考察以下参数对提取效果的影响：
- **提取时间**：20–40分钟
- **乙醇浓度**：40%–80%（作为极性溶剂调节酚类溶解度）
- **微波功率**：400–800 W（影响加热速率与成分稳定性）
通过17组实验结合ANN模型，实现了对总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）及抗氧化活性（DPPH、ABTS）的多目标优化。

2. **人工智能驱动的建模与优化**
- **人工神经网络（ANN）模型**：采用多层感知机（MLP）架构，通过反向传播算法训练，建立输入参数（时间、乙醇浓度、功率）与输出响应（TPC、TFC、IC??、EC??）的非线性回归模型。模型验证显示，R2值均超过0.95，RMSE误差范围在0.98–9.76 μg/mL之间，表明模型对复杂工艺的预测能力较强。
- **多目标优化策略**：结合Solver工具，以最大化TPC和TFC为原则，同时最小化IC??（DPPH抑制率）和EC??（ABTS抑制率），最终确定最优条件为：40分钟提取时间、52.8%乙醇浓度、656.1 W微波功率。

3. **化学分析与表征技术**
- **总酚与黄酮定量**：采用Folin-Ciocalteu试剂比色法（TPC）和铝盐比色法（TFC），通过标准曲线（以gallic acid和rutin为参照）计算含量。
- **抗氧化活性检测**：DPPH（2,2-二苯基-1-苯基苦基自由基）和ABTS（2,2-偶氮苯基-5-溴苯并咪唑自由基）滴定法评估自由基清除能力，IC??和EC??值越小表明抗氧化活性越强。
- **成分鉴定与定量**：通过UHPLC-DAD-MS/MS联用技术，鉴定出19种酚类化合物，其中罗森林酸（rosmarinic acid）占比达88.5%，其次是氯ogenic acid、槲皮素苷和芹菜素。
- **热力学分析**：采用TGA（热重分析）和DSC（差示扫描量热法）研究提取物热稳定性，发现玻璃化转变温度（Tg）为40.1℃，表明需避免高温加工以保留活性成分。

#### 三、关键研究发现
1. **提取效率与参数关系**
- **乙醇浓度**：对TPC和TFC的抑制效应显著（乙醇浓度每增加10%，TPC和TFC分别下降约3.5%和2.8%）。但优化模型显示，52.8%乙醇浓度可实现酚类与黄酮类的同时高效提取。
- **微波功率**：功率升高至600 W时，TPC达到峰值（256.36 mg GAE/g），但进一步增加功率（800 W）会导致酚类氧化降解。
- **提取时间**：40分钟时，TPC和TFC均达到最大值，但需注意长时间加热可能引发美拉德反应，生成新型抗氧化产物（如查尔酮类衍生物）。

2. **抗氧化活性特征**
- **DPPH活性**：最佳提取条件（40分钟、52.8%乙醇、656.1 W）下，IC??为17.79 μg/mL，表明该提取物对DPPH自由基的清除能力接近商业抗氧化剂（如BHT）。
- **ABTS活性**：EC??为25.79 μg/mL，显著低于水提取物（EC??=36.48 μg/mL），表明微波场下活性成分的电子转移效率更高。
- **活性差异机制**：DPPH主要依赖酚羟基的供电子能力，而ABTS更依赖分子内电荷转移，因此两者对提取条件敏感度不同。例如，ABTS活性随微波功率升高而增强，可能与高温促进酚类氧化偶联反应有关。

3. **化学成分与生物活性关联**
- **罗森林酸的主导作用**：占提取物总酚的88.5%，其结构中邻苯二酚羟基和γ-吡喃酮环使其同时具备自由基清除和金属螯合能力。
- **其他活性成分**：槲皮素苷（1.45 μg/mL）和芹菜素（1.31 μg/mL）具有抗炎和抗肿瘤潜力，而氯ogenic acid（2.64 μg/mL）可抑制病原微生物。
- **成分分布规律**：极性溶剂（如60%乙醇）更易提取大分子黄酮苷（如槲皮素-3-O-芸香糖苷），而非极性溶剂（如80%乙醇）则优先提取小分子酚酸（如氯ogenic acid）。

4. **热稳定性与加工适应性**
- 提取物在135°C前主要释放水分和挥发性成分（如萜烯类），此阶段对活性物质影响较小。
- 135–210°C区间出现显著质量损失（14.1%），可能与酚类氧化缩合反应相关。
- 玻璃化转变温度（Tg=40.1°C）表明，常温下提取物处于玻璃态，需通过微囊化或冷冻干燥技术稳定活性成分。

#### 四、与前人研究的对比与贡献
1. **提取效率对比**
- 微波辅助提取（MAE）在TPC（246.5 mg GAE/g）和TFC（35.66 mg RU/g）上均优于超声波辅助提取（UAE）和索氏提取法。例如，UAE在60%乙醇下提取的TFC为30.65–123.88 mg RU/g，但存在溶剂毒性较高的问题。
- 与其他微波提取研究相比，本实验通过ANN模型动态优化参数组合，显著提升了提取效率（如TPC较传统方法提高约40%）。

2. **活性成分的多样性**
- 研究首次在夏季 savory extracts中检测到异落叶松酸（isoesculetin）和山柰酚苷（kaempferol glycoside），这些成分在前期研究中被忽视。
- 罗森林酸的含量（80.99 μg/mL）与Ma?kovi?等（2021）的UAE提取物（52.25 μg/mL）相比提升约55%，表明微波场可促进苷键断裂，释放更多游离酚酸。

3. **工艺优化方法创新**
- 传统优化方法（如响应面法）需进行大量实验（通常超过50组），而本研究的ANN模型仅需17组实验即可建立高精度预测模型，实验成本降低约60%。
- 通过全局敏感性分析（Yoon方法）量化参数影响，发现乙醇浓度对TPC和TFC的抑制效应最强（敏感度达-89.72%），而微波功率对IC??的负面影响（+56.84%）可能源于高温导致酚类氧化聚合。

#### 五、应用前景与局限性
1. **工业应用潜力**
- 优化后的提取物可作为天然防腐剂添加至肉制品（如香肠、鸭肉）中，其抗氧化活性（EC??=25.79 μg/mL）接近BHT（EC??=18 μg/mL），但更安全环保。
- 热稳定性研究（Tg=40.1°C）表明，提取物可直接用于冷冻甜品或 encapsulation 制剂，无需额外保护层。

2. **研究局限性**
- 数据集规模较小（n=17），ANN模型的外推能力受限，需进一步扩大实验范围验证。
- 活性成分的构效关系未完全阐明，如罗森林酸与亚麻籽酸的协同抗氧化机制仍需深入研究。

#### 六、总结
本研究通过结合微波辅助提取与人工智能优化，系统揭示了夏季 savory 酚类成分的提取规律、活性成分组成及热稳定性特征。主要结论包括：
1. 最优提取条件为40分钟、52.8%乙醇、656.1 W微波功率，可同步获得高TPC（246.5 mg/g）和TFC（35.66 mg/g）。
2. 提取物中罗森林酸占比达88.5%，其抗氧化活性（EC??=25.79 μg/mL）与商业抗氧化剂相当，且热稳定性优异（玻璃化转变温度40.1°C）。
3. ANN模型在预测复杂工艺参数（如功率、时间）与质量指标（如IC??、EC??）方面表现优异（R2>0.95），为后续天然产物提取工艺开发提供了新范式。
4. 提取物中的氯ogenic acid（2.64 μg/mL）和槲皮素苷（1.45 μg/mL）具有潜在抗菌和抗肿瘤活性，建议进一步开展细胞实验验证。

该研究为夏季 savory 的工业化开发提供了理论依据，同时也为多目标优化在天然产物提取中的应用提供了方法论参考。未来可结合代谢组学技术，深入解析微波场下酚类成分的构型变化及其生物活性机制。