超声辅助提取茜草废弃茎秆多糖的绿色高效工艺优化及构效关系研究

本研究针对茜草(Rubia cordifolia L.)茎秆废弃资源的高值化利用问题，通过响应面法优化超声辅助提取(UAE)工艺，与传统热水提取(HWE)相比，UAE使多糖得率提升77.15%，生产效率提高640.18%，能耗降低93.23%。研究发现UAE提取的多糖(UAE-P)具有更高糖醛酸含量(22.11%)和更小粒径(261.49 nm)，其抗氧化、降血糖和胆盐结合活性显著优于HWE-P。该研究为植物废弃资源绿色开发提供了技术支撑。

　　

茜草(Rubia cordifolia L.)作为传统药用植物，其根部被广泛用于治疗异常子宫出血、关节炎等疾病，但占植株大部分的茎秆常被作为废弃物丢弃。这些"废料"实则蕴含具有抗氧化、降血糖等活性的多糖成分，但传统热水提取(HWE)存在能耗高、效率低等问题。如何实现废弃生物质资源的高效绿色转化，成为研究者亟待解决的难题。

哈尔滨工业大学医学与健康学院食品营养与健康系的研究团队创新性地采用超声辅助提取(UAE)技术，通过系统优化成功从茜草废弃茎秆中提取出高活性多糖。研究发现，在52.5°C、43分钟、310 W功率和32 mL/g液固比的优化条件下，多糖得率达5.97%，较HWE提升77.15%。更令人振奋的是，该工艺使生产效率飙升640.18%，同时降低93.23%的能耗和碳排放，相关成果发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上。

研究采用响应面法(RSM)优化工艺参数，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)解析结构特征，并系统评价了多糖的体外抗氧化(DPPH/OH/ABTS自由基清除)、降血糖(α-葡萄糖苷酶抑制)和胆盐结合(CA/GCA/TCA)活性。所有实验均以HWE提取物为对照，样本来自宜昌市夷陵区小溪塔山村土特产经营部提供的茜草全株。

在工艺优化方面，研究通过Box-Behnken设计建立数学模型，发现超声功率对得率影响最大(A>B>D>C)。验证实验显示实际得率(5.97±0.34%)与预测值(5.92%)高度吻合，证实模型可靠性。经济分析显示UAE单位产量能耗仅6.03 kWh/%，为HWE的6.77%，每千克产品CO₂排放减少93.23%。

结构表征结果揭示：UAE-P糖醛酸含量(22.11%)显著高于HWE-P(15.16%)，蛋白质含量(2.66%)则更低；粒径分析显示UAE-P平均粒径(261.49 nm)更小且分布更均匀；FT-IR证实UAE促进多糖脱酯化，XRD表明两种多糖均以无定形结构为主；扫描电镜(SEM)显示UAE-P呈现更疏松多孔的形貌。

机制研究发现，UAE的机械和空化效应使细胞壁纤维素结晶结构破坏，C=O、C-O-C等官能团暴露。这种物理效应促进多糖溶出，同时避免高温导致的蛋白污染，解释了UAE-P更高纯度的成因。

功能评价显示：在0.14 mg/mL浓度下，UAE-P对DPPH自由基清除率达VC的85.59%，显著优于HWE-P(59.56%)；对α-葡萄糖苷酶抑制率为54.45%，是阿卡波糖的57.85%；对胆酸(CA)的结合能力达到阳性对照消胆胺(CT)的73.64%。这些优异性能与UAE-P更高的糖醛酸含量、更小的粒径和更开放的立体结构密切相关。

该研究首次证实UAE是从茜草废弃茎秆中提取高活性多糖的理想方法，不仅解决了传统工艺能耗高、效率低的问题，更通过"绿色工艺"获得结构更优、活性更强的产品。研究为植物废弃资源的增值利用提供了技术范式，其建立的工艺参数和结构-活性关系模型，对推动农业副产品在功能食品和医药领域的应用具有重要指导价值。未来研究将进一步验证这些多糖的体内活性，并探索该技术在其它农废体系中的普适性。