英文标题：Ultrasonic-assisted deep eutectic solvents extraction of saponins from Strobilanthes sarcorrhiza: Process optimization and mechanistic insights
发表期刊：Chemical Engineering Journal
影响因子：13.2
客户单位：浙江农林大学
百趣提供服务：PRM精准植物广靶
研究背景
菜头肾(Strobilanthes sarcorrhiza)是爵床科马蓝属的多年生药用植物，具有滋阴、清热、补肾等传统功效，尤其对肾虚腰痛及阴虚牙痛具有显著疗效。其皂苷类活性成分含量丰富（约占干重10–15%），具有重要的开发价值。因此，建立高效、绿色的皂苷提取工艺，成为提升菜头肾资源应用水平的关键一环。深共晶溶剂(Deep eutectic solvents；DESs)作为一类绿色、可设计的提取介质，已在天然产物分离领域展现出广泛的应用潜力，特别是在多酚、多糖、类胡萝卜素等生物活性成分的高效提取与增溶方面取得了显著成效。本研究基于DESs优异的溶解性和环境友好特性，将其拓展应用于菜头肾皂苷的提取中，系统筛选了17种DESs，通过评估其理化性质并优化提取工艺，旨在构建一种适用于菜头肾皂苷的提取技术体系。
二
01.DESs的设计与筛选
研究构建了17种基于氯化胆碱(ChCl)的DESs，并评估了其理化性质。研究发现，所有DESs均表现出典型的非牛顿流体行为，具有剪切稀化特性，即粘度随剪切速率升高而降低（图1a）。在提取效率方面，不同DES对菜头肾皂苷的提取能力依次为：氯化胆碱-苹果酸(ChCl-Mal)＞氯化胆碱-乙二醇(ChCl-Eg)＞70%乙醇＞氯化胆碱-柠檬酸(ChCl-Ca)。其中，ChCl-Mal表现尤为突出，其皂苷得率显著高于其他溶剂（图1b）。
图1 不同DESs的粘度和菜头肾总皂苷提取率
02.基于单因素实验与Box-Behnken响应设计的参数优化
基于单因素实验与Box-Behnken响应面设计，优化了超声辅助DESs提取菜头肾皂苷的工艺。首先通过单因素实验确定了液固比、含水量、摩尔比、提取时间与温度五个关键参数的适宜区间；在此基础上，选取温度、时间和液固比三个主要因素进行响应面优化。通过三维响应曲面分析，揭示了各因素间的交互影响，最终确定最佳提取工艺条件为：温度63℃、时间60min、液固比37mL/g。在此条件下，皂苷得率达113.41mg/g（图2）。
图2 总皂苷提取率的响应曲面综合分析图
03.FTIR与NMR分析
傅里叶变换红外光谱(FTIR)与核磁共振(NMR)分析结果表明，氯化胆碱与苹果酸在形成DESs过程中发生了显著的分子间相互作用。FTIR谱图中O-H、C=O等特征峰的位移证实了氢键相互作用的形成（图3a）；1H-NMR谱中活性氢信号的位移与消失进一步验证了氯化胆碱和苹果酸之间形成了氢键相互作用（图3b-c）。
图3 FTIR与NMR分析结果
04.分子动力学模拟
约化密度梯度分析（图4a）表明，DESs内部存在以强氢键为主导的分子间作用力网络，并且氢键是提取皂苷的核心驱动力来源。静电势分析（图4b）揭示了DESs组分的静电互补特征：氯化胆碱的Cl⁻与OH基团分别呈现负电性与正电性，苹果酸的C＝O与OH基团则对应正、负静电势区域。这种互补分布促使两组分通过氢键结合形成稳定的DES结构，同时也使其能够与皂苷中的糖基氧原子（电负性）和羟基质子（电正性）产生相互作用，增强了皂苷结构在DESs中的亲和力与溶解度。
图4 约化密度梯度分析与静电势分析结果
电子密度差（图5a）显示，在DESs形成过程中，苹果酸的-COOH基团和氯化胆碱的Cl⁻发生了显著的电荷重分布，形成了具有高反应活性的位点，其中-COOH作为强氢键供体、Cl⁻作为强氢键受体的特性得到增强。前线轨道分析（图5b）表明，氯化胆碱具有较高的HOMO能量和较窄的HOMO-LOMO能隙，说明其具有较强的氢键供体能力和较高的电荷转移效率，有利于生物活性化合物的提取；而苹果酸较低的HOMO能量则有助于DESs体系的稳定。
图5 电子密度差分析与前线轨道分析结果
05.皂苷的纯化与吸附动力学行为
为了从DESs中高效回收皂苷，考察了AB-8、DM301、NKA-9、D101和HPD100五种大孔树脂的吸附与解吸性能。结果表明（图6a），D101树脂对皂苷的吸附率最高，被选为最佳纯化材料。在洗脱剂浓度优化上，70%乙醇溶液可实现最佳解吸效果，因此选择浓度为70%的乙醇溶液作为洗脱液（图6b）。吸附动力学研究表明（图8c），皂苷在D101树脂上的吸附过程更符合准二级动力学模型，其计算得到的最大吸附容量为26.32mg/g。这说明吸附速率不仅与菜头肾中总皂苷的浓度有关，还与D101树脂表面的活性位点密切相关。
图6 大孔树脂纯化皂苷的性能评估
06.皂苷成分鉴定
采用Stellar质谱的平行反应监测模式(Parallel Reaction Monitoring, PRM)，结合Biotree自建植物数据库与三萜皂苷特征裂解规律，对菜头肾皂苷提取物进行了系统鉴定。通过精确匹配前体离子质量、特征碎片离子及保留时间，成功鉴定出26种皂苷成分，包括人参皂苷F1、三七皂苷R2、人参皂苷Rh2及柴胡皂苷f等代表性化合物。
表1 鉴定的皂苷成分
07.抗氧化活性分析
通过DPPH与ABTS自由基清除实验评估了菜头肾皂苷的体外抗氧化能力。结果表明（图7），皂苷提取物对DPPH自由基表现出较强的清除作用，在浓度为1mg/mL时清除率达98%；而对ABTS自由基的清除活性相对较弱。尽管其抗氧化活性低于阳性对照抗坏血酸，但仍显示出作为天然抗氧化剂的潜力。
图7 抗氧化活性分析
研究总结
本研究成功构建了苹果酸-氯化胆碱深共晶溶剂体系，用于菜头肾皂苷的绿色提取。通过工艺优化，在苹果酸与氯化胆碱摩尔比3:1、含水量10%、提取温度63℃、超声时间60min、液固比37mL/g的条件下，皂苷得率达113.41mg/g。进一步结合D101大孔树脂纯化，建立了从提取到分离的完整工艺链，并鉴定出26种皂苷成分。机理研究表明，提取过程主要依赖氢键作用与高效的电荷转移，其中氯化胆碱的Cl⁻以及苹果酸的C=O和-COOH基团是与皂苷发生相互作用的关键活性位点。该研究为菜头肾的资源化利用及天然产物产业的可持续发展提供了有效方法参考。
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