脉冲电场协同低共熔试剂对诺丽果渣黄酮提取、转化及活性增强的机理研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:qinpeizhen
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当今诺丽消费品市场上,果汁、酵素以及果酒产品占据了大部分的市场份额。生产这些产品过程中不可避免会产生果渣等废物,如何处理利用榨汁后剩余的果渣对减少环境污染和提高企业经济效益有重大意义。但是在高效利用诺丽果渣中黄酮类化合物的过程中还存在着一些问题急需解决。据报道,黄酮苷和黄酮苷元类物质是诺丽果渣中残存的主要成分。对于黄酮类化合物的提取,有机溶剂热提法是最常用的提取方法。但是该方法需要使用有机溶剂、提取时间长且成本较高。同时,通过水解反应从诺丽果渣中制备黄酮苷元也需要用到酸性有机溶剂,会产生不可降解的酸性有机废液。此外,诺丽果渣黄酮提取物的活性一般受原料中原始黄酮种类和比例的影响,这大大限制了诺丽果渣黄酮提取物的应用场景。目前尚缺乏一种通过定向调控黄酮提取物中黄酮种类和比例改善其生物活性的方法。近年来,脉冲电场(Pulsed electric fields,PEF)和低共熔试剂(Deep eutectic solvents,DES)在活性物质提取和强化化学反应上展现出一定的应用潜力。本研究以诺丽果渣为原料,探究了PEF协同DES对诺丽果渣黄酮提取和黄酮苷元制备的影响以及作用机理。同时还对通过PEF协同DES定向调控诺丽果渣黄酮提取物中黄酮的种类和比例来改善其生物活性的可行性进行了研究。具体的研究内容和结果如下:(1)探究了使用PEF协同DES对诺丽果渣中黄酮类物质回收的影响。与热水提取(Hot-water extraction,HWE)相比,PEF辅助提取可以显著提高诺丽果渣中两种主要黄酮类化合物(芦丁和槲皮素)的提取量,分别至少增加21.32%和37.72%。提取过程中还发现在PEF和HWE处理下,芦丁可以在氯化胆碱/草酸(Ch/Oxa)中转化为槲皮素,但PEF的转化效率更高。在相同的处理时间和温度下,PEF的芦丁转化率是HWE的25.4倍到206.4倍。通过调整关键的反应条件,PEF实现了出色的芦丁转化效率(8.72%/min)。此外,降解的芦丁几乎100%转化为槲皮素。基于对18种DES的筛选结果和芦丁的转化现象,发现氯化胆碱/乙二醇(Ch/Eth)和Ch/Oxa分别是选择性提取果渣中芦丁和槲皮素最合适的溶剂。经过响应面方法优化后得到芦丁和槲皮素的最高提取量,分别为16.21 mg/g和19.85 mg/g。总的来说,PEF协同DES是一种能从诺丽果渣中高效选择性提取黄酮类化合物的方法。这项工作还证明了使用PEF协同DES在不需要酶、酸性有机溶剂、高温和高压的情况下将黄酮苷降解为黄酮苷元的可行性。(2)基于上一章的芦丁转化现象,对现有PEF设备进行了升级,探究了新设备不同处理条件对芦丁转化的影响。此外,还对反应溶剂氯化胆碱/草酸(Ch/Oxa)的最适反应浓度以及处理室电极材料进行了筛选。结果表明,100%浓度的Ch/Oxa和亚氧化钛(Ti4O7)分别是芦丁转化反应中的最佳溶剂和最适电极材料。单因素实验发现,PEF的脉冲强度、脉宽宽度、脉冲次数和脉冲频率都与芦丁的转化呈正相关关系。响应面实验(RSM)结果表明,电场强度2 k V/cm、脉冲频率10 Hz、脉冲宽度30μs、脉冲次数3000次为最佳的PEF处理参数。在这个条件下,能够将最多30 mg/m L的芦丁在5 min内全部转化为槲皮素。通过高效液相色谱和FTIR结果发现,在该PEF处理条件下,Ch/Oxa至少可以重复回收利用2次。(3)探究了反应体系温度对芦丁转化反应的影响。同时利用分子动力学技术探究了PEF协同Ch/Oxa快速转化芦丁的作用机制。结果表明,反应体系的温度与芦丁转化率呈正相关关系,且体系温度高于50℃时芦丁才开始发生转化。单纯的电场作用并不能使芦丁发生转化。脉冲电场促进芦丁转化的机理主要分为两个部分。首先,脉冲电场处理过程中的欧姆效应能够快速使Ch/Oxa体系升温至芦丁的转化温度阈值以上。通过分子动力学模拟发现,当温度超过转化阈值时,脉冲电场能够增加体系中分子和离子的扩散系数,使芦丁糖苷键周围的质子和氯离子浓度增高,增加质子和氯离子接触到芦丁糖苷键的几率,促进断键。此外,实验中还发现PEF协同Ch/Oxa还能将其它不同结构的糖苷类物质转化为其苷元。在电场强度2 k V/cm、脉冲频率10 Hz、脉冲宽度30μs电场参数下,通过改变脉冲次数,可以对苦荞和槐花提取物中的黄酮比例进行定向调控,从而增强其抗氧化活性。(4)研究了PEF协同Ch/Oxa处理对诺丽果渣黄酮中黄酮组成及其抑制非酶糖基化活性的影响。以诺丽果渣黄酮中的组分1(NF1)为实验原料,在电场强度2 k V/cm、脉冲频率10 Hz、脉冲宽度30μs的处理条件下,NF1中槲皮素含量的增加与脉冲电场处理次数呈正相关。经过1500次和3000次脉冲后,NF1分别被转化为芦丁与槲皮素摩尔比例为1.87:1和0.5:1的NF2和NF3样品。实验结果表明,三种NF样品对糖基化各阶段产物都有一定的抑制能力,且三种NF主要抑制的是糖基化终末产物(AGEs)。在所测试的浓度中(100-300μg/m L)NF2和NF3对果糖胺、二羰基化合物和AGEs的抑制能力都要明显强于NF1,其中NF3拥有最强的抑制能力。在最高处理浓度下(300μg/m L),NF3抑制果糖胺、二羰基化合物和AGEs的能力分别是NF1的2.53倍、2.98倍、1.33倍(BSA-果糖体系中AGEs)和1.23倍(BSA-MGO体系中AGEs)。NF3拥有较强的抑制糖基化能力主要跟其较好的蛋白质结合能力、蛋白质结构保护能力以及MGO捕获能力相关。(5)研究了PEF协同Ch/Oxa处理对诺丽果渣黄酮组分1(NF1)抑制黄嘌呤氧化酶(XOD)活性的影响。研究发现,经过PEF处理后,NF1抑制黄嘌呤氧化酶的活性增加了10倍以上。经过脉冲处理3000次的NF1样品(NF3)表现出最强的XOD抑制能力,其IC50值为12.13μg/m L。NF2(经过脉冲处理1500次的NF1样品)和NF3对XOD的抑制都是可逆的,并不能让XOD完全失活。NF2对XOD的抑制类型属于竞争型抑制,而NF3对XOD的抑制类型属于混合型竞争。NF3比NF2拥有更强的XOD抑制能力,是因为NF3与XOD的结合能力和清除ROS的能力更强。NF3与XOD结合后能让XOD正常的二级结构发生改变,分子对接结果显示NF3中的主要成分槲皮素是通过亲水作用和氢键与XOD相结合。
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