优化超声辅助提取石莼属生物活性化合物和生物聚合物：开启生物材料新征程

《Journal of Applied Phycology》：Optimization of ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds and biopolymers from Ulva spp. using response surface methodology

为优化石莼属（Ulva spp.）总酚化合物和 ulvan 的提取工艺，研究人员利用响应面法（RSM）开展相关研究。结果表明，最佳提取条件为设备振幅 100%（1300 W）、pH 5.7，此条件下提取物有良好性能，为其在生物医学和食品包装等领域应用提供可能。

　　石莼（Ulva spp.），这种在沿海地区大量繁殖的藻类，看似只是海洋生态系统中的普通一员，却隐藏着巨大的宝藏。在全球对可持续生物材料需求日益增长的当下，石莼因其生长迅速、生物质丰富，成为了极具潜力的生物材料来源。然而，长期以来，尽管宏藻蕴含着丰富的生物活性化合物，但绿色藻类中的石莼并未得到充分的研究与开发，其细胞壁多糖 ulvan 的提取和应用面临诸多挑战，如提取过程中多糖易降解、杂质难以去除等，这些问题限制了石莼在生物医学、食品包装等领域的广泛应用。

为了攻克这些难题，来自西班牙的研究人员展开了深入研究。他们以石莼为研究对象，旨在优化超声辅助提取（UAE）技术，提高总酚化合物和 ulvan 的提取效率，并对提取物的结构和生物活性进行全面表征。研究成果发表在《Journal of Applied Phycology》上，为石莼的可持续利用开辟了新道路。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，运用中心复合设计（CCD）实验设计，研究超声设备振幅和提取 pH 值这两个变量对总酚化合物、抗氧化能力、硫酸盐和蛋白质含量以及 ulvan 特征的影响。其次，通过多种分析手段对提取产物进行表征，如高效液相色谱（HPLC）用于定量分析寡糖含量，傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析化合物的结构，核磁共振（NMR）用于进一步确定 ulvan 的结构特征等。

研究结果如下：

• 原料表征：对石莼原料进行成分分析，其灰分、总碳水化合物、硫酸盐和蛋白质等含量与文献报道范围相符，这为后续的提取研究提供了基础数据。
• ulvan 特性表征：
  • 提取产率：超声处理后的石莼 ulvan 提取产率在 1.39 - 9.63 g (100 g)^-1干藻之间，在 100% 振幅和 pH 5.7 时达到最高，与以往研究结果相似，表明该条件有利于 ulvan 的提取。
  • 结构和流变学特性：未酸化水溶液提取的 ulvan 具有较高比例的高分子量物质（大于 800 kDa），而酸化溶液提取的 ulvan 则向低分子量转移，这说明酸性条件会导致 ulvan 解聚。FTIR 分析表明，提取条件显著影响 ulvan 的结构完整性，尤其是硫酸化模式，在自然 pH 水平提取有助于保留硫酸基团，增强其生物活性。此外，pH 5.7 提取的 ulvan 具有最高的表观粘度，这使其在需要粘度的应用中具有潜在价值。同时，刚果红染色显示所有样品均不存在三螺旋结构，¹H NMR 谱图也进一步证实了不同 pH 条件下 ulvan 的结构差异。
  • 微观结构特征：酸化提取介质似乎促进了 ulvan 聚集成平行六面体结构，而 pH 5.7 提取的样品具有更高的孔隙率。
  
  
• 响应面曲线：通过响应面曲线分析发现，超声振幅和 pH 之间存在协同效应，pH 5.7 和 100% 超声振幅是最大化 ulvan 产率和粘度的最佳条件。
• 超声辅助提取物表征：在总酚化合物提取方面，在 100% 振幅和 pH 5.7 条件下取得最高提取量，但仍低于文献报道值，可能需要进一步优化。抗氧化能力方面，ABTS、FRAP 和 DPPH 测定的抗氧化能力值也低于前人研究结果，但为后续优化提供了基线。此外，还对提取物中的硫酸盐和蛋白质含量进行了分析，发现其含量受提取条件的显著影响。
• 体外生物活性研究：
  • 细胞相容性：对 THP1 细胞系的研究表明，在测试浓度范围内，石莼提取物对细胞活力没有显著影响，具有良好的细胞相容性。
  • 调节 ROS 生成：研究发现 ulvan 提取物对细胞内活性氧（ROS）水平具有调节作用，在低浓度下，经 UAE 后乙醇沉淀的提取物保留了较高的抗氧化活性。
  • 调节 TNF-α 产生：在 THP - 1 细胞中，ulvan 提取物在无脂多糖（LPS）刺激时诱导 TNF - α 释放，在有 LPS 刺激时则降低 TNF - α 水平，显示出免疫调节特性，但在测试浓度下差异未达到统计学显著水平。
  
  

研究结论和讨论部分指出，本研究成功优化了石莼中生物活性化合物和 ulvan 的超声辅助提取条件，确定了最佳提取参数。虽然提取物的抗氧化能力未超越先前报道，但结构表征显示出有前景的特性，如高分子量和良好的粘度。体外研究证明了提取物的细胞相容性和免疫调节活性，与传统提取技术相当。这些结果表明，提取的 ulvan 在生物医学和食品包装领域具有潜在的应用价值。此外，本研究为进一步探索使用可持续技术和溶剂优化 ulvan 提取提供了方向，避免了苛刻的热条件和冗长的提取时间，为石莼的综合利用奠定了坚实基础，对推动生物材料领域的发展具有重要意义。