使用基于多元醇的技术微波辅助萃取用于化妆品应用的酚类化合物和抗氧化剂

摘要

该协议详细介绍了利用基于多元醇的微波辅助提取方法提取酚类化合物和天然抗氧化剂，代表了开发即用型提取物的实用且环境可持续的方法。

摘要

利用多元醇作为绿色溶剂从植物材料中提取生物活性化合物，由于其安全性和与植物生物活性化学品的惰性行为而受到关注。本研究探讨了使用微波辅助萃取 （MAE） 方法和基于多元醇的溶剂（甘油、丙二醇 （PG）、丁二醇 （BG）、甲基丙二醇 （MPD）、异戊二醇 （IPD）、戊二醇、1,2-己二醇和己二醇 （HG） 的微波辅助萃取 （MAE） 方法从咖啡银皮中可持续提取酚类化合物和天然抗氧化剂。对常规和非常规溶剂萃取进行了比较分析，重点关注它们对 MAE 生物活性化合物的影响，包括总酚含量 （TPC）、总类黄酮含量 （TFC） 和抗氧化活性等参数，如 1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除测定 （DPPH）、2,2′-联氮基-双（-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）自由基清除测定 （ABTS） 和铁还原抗氧化能力测定 （FRAP）。观察到 1,2-己二醇水溶液萃取的 TPC（52.0 ± 3.0 mg GAE/g 样品）、1,2-己二醇水溶液萃取的 TFC（20.0 ± 1.7 mg QE/g 样品）、HG 水溶液萃取的 DPPH（13.6 ± 0.3 mg TE/g 样品）、戊二醇水溶液萃取的 ABTS（8.2 ± 0.1 mg TE/g 样品）和 HG 水溶液萃取的 FRAP（21.1 ± 1.3 mg Fe （II） E/g 样品）。本研究旨在通过天然植物成分推进环保提取技术，通过最大限度地减少有害化学品的使用来促进可持续性，同时减少时间和能源消耗，在化妆品中具有潜在应用。

引言

如今，美容行业的环保意识呈全球趋势，导致制造商专注于使用可持续替代品提取植物成分的绿色技术¹。通常，乙醇、甲醇和己烷等传统溶剂用于提取植物酚类成分和天然抗氧化剂²。然而，植物提取物中存在的溶剂残留物对人类健康构成潜在风险，会引起皮肤和眼睛刺激³，尤其是它们在化妆品中的预期应用。因此，从提取物中去除此类溶剂残留物具有挑战性，这一过程需要投入大量时间、精力和人力资源⁴。最近，过热水、离子液体、低共熔溶剂和生物衍生溶剂已成为绿色溶剂萃取的有前途的方法⁵。然而，它们的使用仍然受到水基工艺中产品分离的限制。为了应对这些挑战，开发即用型提取物成为一种可行的解决方案⁶。

多元醇在化妆品配方中通常用作保湿剂，因为它们具有良好的极性和保持环境中水分的能力⁷。此外，甘油、丙二醇、丁二醇、甲基丙二醇、异戊二醇、戊二醇、戊二醇、1,2-己二醇和己二醇等多元醇可用于植物提取。它们被认为是无毒、可生物降解、环保、非反应性和安全的溶剂，可用于植物提取⁸。此外，由于多元醇的沸点和极性较高，可以承受微波辅助萃取 （MAE） 过程中产生的热量⁹。这些多元醇被美国食品和药物管理局 （FDA） 普遍认定为安全 （GRAS） 化学品。与乙醇或甲醇等传统溶剂不同，由于乙醇或甲醇的潜在有害影响，可能需要从提取物中严格去除，而多元醇的优势在于最大限度地减少与溶剂去除过程相关的能源、时间和成本¹⁰。这不仅简化了提取过程，还提高了提取方法的整体效率和可持续性。以前的研究使用丙二醇和丁二醇等多元醇作为溶剂从 山茶花 ¹⁰ 和咖啡浆¹¹ 中提取生物活性化合物，揭示了它们在植物提取过程中作为可持续替代溶剂的作用的巨大潜力。因此，多元醇-水溶剂系统的持续开发和优化有可能在绿色化学和可持续工业实践方面取得重大进步。

通常，在植物中发现的生物活性化合物是作为次生代谢产物合成的。这些化合物可分为三个主要组：萜烯和萜类化合物、生物碱和酚类化合物¹²。在不同条件下使用各种提取方法来从植物中分离特定的生物活性化合物。植物材料中的生物活性化合物可以使用常规或非常规技术提取。传统方法包括浸渍、回流萃取和水蒸馏，而非常规方法包括超声辅助萃取、酶辅助萃取、微波辅助萃取 （MAE）、脉冲电场辅助萃取、超临界流体萃取和加压液体萃取¹³。这些非常规方法旨在通过使用更安全的溶剂和助剂、提高能源效率、防止生物活性成分降解和减少环境污染来提高安全性¹⁴。

此外，MAE 是从植物中提取生物活性化合物的复杂绿色技术之一。传统的提取程序需要大量的时间、能源和高温，随着时间的推移，这可能会降解热敏性生物活性化合物¹³。与传统的热萃取相比，MAE 通过在样品内产生局部加热、破坏细胞结构并增强传质来促进生物活性化合物的提取，从而提高化合物提取的效率。热量通过微波从植物细胞内部传递，微波作用于植物成分内的水分子¹³。此外，MAE 在改进活性化合物的提取和分离、提高产品产量、提高提取效率、减少化学品需求方面取得了进展，节省了时间和能源，同时防止了生物活性化合物的破坏¹⁵。

本研究的重点是使用不同类型的多元醇作为溶剂，通过微波辅助萃取 （MAE） 提取植物酚类化合物和天然抗氧化剂。测定多元醇基 MAE 提取物的总酚含量 （TPC）、总类黄酮含量 （TFC） 和抗氧化活性 （DPPH、ABTS 和 FRAP）。此外，将基于多元醇的 MAE 与使用常规溶剂（如水和乙醇）的 MAE 进行了比较。这项研究有望为天然成分的环境可持续提取技术的发展做出贡献，通过减少对危险化学品的依赖、缩短加工时间以及最大限度地减少原材料生产中的能源消耗来促进可持续性，以用于化妆品行业的潜在应用。

研究方案

本研究中使用的试剂和设备的详细信息列在 材料表中。

1. 实验准备

1. 植物样品制备
   1. 收集新鲜的咖啡银皮（阿拉比卡咖啡），并在60°C下在托盘干燥机中干燥72小时¹¹。
   2. 使用研磨机将干燥的咖啡银皮 （CS） 研磨成细粉，并在室温下储存以供进一步分析¹¹。
      注意：在这项研究中，新鲜的 CS （C. arabica） 是从泰国清莱 Mae Suai 区的 Baan Doi Chang 收集的。CS 是在脱壳过程中获得的副产品，在樱桃加工后去除干咖啡豆中的羊皮层以去除外部果层¹⁶。
2. 化学药品
   1. 使用分析级质量的化学试剂，实验中的溶剂除外。
      注意：实验中使用了化妆品级溶剂。
   2. 使用溶剂（水、乙醇、甘油、丙二醇、丁二醇、己二醇、异戊二醇、1-2 己二醇、戊二醇和甲基丙二醇）用 MAE 萃取 CS。

2. 提取过程

1. 样品和溶剂制备
   1. 根据先前报道的方案⁹ 准备 MAE 程序的样品和溶剂，并进行一些修改。
   2. 用蒸馏水稀释 60 mL 每种溶剂，并将体积调节至 100 mL，以便一式三份萃取，制备浓度为 60% 的每种溶剂。
      注意：使用 100% 蒸馏水提取水。
   3. 称取 0.67 g CS，并在 MAE 反应容器（图 1A）中以 1：30 的比例与 20 mL 每种提取溶剂混合。
      注：每个容器的最大固液量为 2 g 样品和 20 mL 溶剂。
   4. 在每个容器中添加磁力搅拌棒，以确保样品内热量和溶剂的均匀分布，从而提高萃取过程的效率并促进更好的萃取产量。
      注：如果在萃取过程中使用非极性溶剂，则可以使用 Teflon 搅拌棒代替磁力搅拌棒，以通过微波系统提供有效的加热。
   5. 用特殊工具（图 2）牢固地关闭每个容器，并将所有容器放入 MAE 室（图 1B）。
2. 设置微波辅助萃取仪和程序
   1. 根据参考方案执行提取过程，并进行一些修改⁹.
   2. 通过单击顶部栏上的 工具箱 图标并在附件部分中选择 SK eT 转子 ，打开监视器屏幕以设置方法（图 3A、B）。
   3. 通过单击 搅拌器 部分并键入 20% 来选择搅拌棒的搅拌速率（图 4A）。
      注意：搅拌速率可在 0% 至 100% 之间选择。
   4. 单击 门锁 扇区并将其设置为在超过 80 °C 的温度下激活（图 4B）。
      注意：此设置可确保在内部温度超过 80 °C 时自动关闭腔室门。
   5. 单击顶部栏上的 表格 图标（图 5A），并将 温度梯度 （T1） 设置为提取持续时间为 10 分钟，微波功率 为 1800 W， 温度 为 120 °C。
   6. 单击 搅拌 器按钮，直到出现绿灯，激活搅拌器。
   7. 将 鼓风机风扇速度 设置为 3 级 （最大）（图 5B）。
   8. 为了保持提取时间，通过将提取持续时间设置为 15 分钟、微波功率为 1800 W、温度为 120 °C 来选择所需的提取温度 （T2）。
   9. 如第 2.2.6 节和第 2.2.7 节所述设置搅拌器和风扇速度（图 5A、B）。
      注意：最高温度和微波功率为 260 °C 和 1800 W。
   10. 通过单击屏幕左下角的 冷却 按钮并选择 10 分钟 的持续时间来设置冷却时间（图 6）。
   11. 通过单击屏幕右上角的 保存 图标来保存方法（图 7A）。
   12. 确保在保存方法条件后，提取条件图将显示在屏幕上，右下角有播放按钮（图 7B）。
   13. 通过选择使用的容器数量开始提取过程（图 7C）。
       注：一次萃取最多可使用 15 个容器，如果使用所需数量的容器，请确保容器在腔室中的平衡放置。
   14. 提取后，使用冷冻离心机将提取物在 4 °C、9072 x g 下离心 15 分钟。
   15. 用 10 mL 玻璃移液管收集上清液（图 8），并将其储存在 -20 °C 的冰箱中以供进一步研究。
       注意：根据植物残留物的颗粒大小和密度，提取物将需要更长的离心时间（20-30 分钟）。

3.酚类化合物的测定

1. 总酚含量的测定
   1. 通过参考带有一些修改的方案来确定 CS 提取物的总酚含量¹⁷。
   2. 用蒸馏水稀释，制备 10 倍稀释的样品。
   3. 将 10 μL 稀释的样品与 20 μL 未稀释的 Folin-Ciocalteu 试剂混合，让它们反应 3 分钟。
   4. 接下来，将 100 μL 7.5% Na₂CO₃ 溶液添加到 96 孔板每个孔中的混合物中。
   5. 通过用蒸馏水稀释，为没食子酸标准浓度范围（请参见 表 1 和 表 2）制备不同浓度。
   6. 将它们与 20 μL Folin-Ciocalteu 试剂混合，让它们反应 3 分钟。
   7. 接下来，将 100 μL 7.5% Na₂CO₃ 溶液添加到 96 孔板每个孔中的混合物中。
   8. 在室温下避光孵育反应 30 分钟。
   9. 使用酶标仪测量反应溶液在 765 nm 处的吸光度（图 9A）。
   10. 使用标准品浓度和 765 nm 处的吸光度绘制标准校准曲线（图 10A）。
   11. 将结果表示为每克样品的没食子酸当量 （GAE） 毫克数，并使用以下公式¹⁸ 计算：
       注：每克样品的没食子酸当量 （GAE） 毫克数 = [（（A₇₆₅ - c） / m）） 以微克没食子酸当量计 ×反应孔总体积 （mL） x ×干燥样品重量的稀释度 （1 g） x 提取物合成体积 （mL）] / [（添加到每个孔中的样品体积 （mL） x 干燥样品的实际重量 （g） × μg 至 mg 的转换系数 （1000）]
       其中，c = y 截距，m = 斜率
2. 总类黄酮含量的测定
   1. 根据方案确定 CS 提取物的总类黄酮含量，并进行一些修改¹⁷.
   2. 用蒸馏水稀释，制备 5 倍稀释的样品。
   3. 将 50 μL 稀释样品加入 15 μL 5% NaNO₂ 中，并在避光中孵育 5 分钟。
   4. 将 15 μL 10% AlCl₃ 溶液与反应物混合，并在室温下保持 6 分钟。
   5. 然后，向反应中加入 100 μL 1 M NaOH 溶液，再孵育 10 分钟。
   6. 测量混合物在 510 nm 处的吸光度（图 9B）。
   7. 将不同浓度的槲皮素标准品范围（参见 表 3 和 4）添加到 15 μL 的 5% NaNO₂ 中并在黑暗中孵育 5 分钟，从而制备它们。
   8. 将 15 μL 10% AlCl₃ 溶液与反应物混合，并在室温下保持 6 分钟。
   9. 向反应中加入 100 μL 1 M NaOH 溶液，并进一步孵育 10 分钟。
   10. 确定标准品在 510 nm 处的吸光度（图 9B）。
   11. 使用标准品浓度和 510 nm 处的吸光度绘制标准校准曲线（图 10B）。
   12. 将结果表示为每克样品的槲皮素当量 （QE） 毫克数，通过公式¹⁹ 计算如下：
       注：每克样品的槲皮素当量 （QE） 毫克 = [（（A₅₁₀ - c） / m）） 以微克槲皮素当量计 ×反应孔中的总体积 （mL） x ×干燥样品重量的稀释度 （1 g） x 提取物的合成体积 （mL）] / [（每个孔中加入的样品体积 （mL） x 干燥样品的实际重量 （g） ×从 μg 到 mg 的转换因子 （1000）]
       其中，c = y 截距，m = 斜率

4. 抗氧化活性的测定

1. 1,1-二苯基-2-皮克酰肼 （DPPH） 自由基清除试验
   1. 根据方案确定 CS 提取物的 DPPH 自由基清除活性，并进行一些修改¹⁷。
   2. 用蒸馏水稀释样品，制备 10 倍稀释的样品。
   3. 将 20 μL 稀释样品与 135 μL 0.1 mM DPPH 溶液混合。
   4. 通过与 135 μL 0.1 mM DPPH 溶液混合，制备不同浓度的 Trolox 标准浓度范围（参见 表 5 和 6）。
   5. 将混合物在室温下避光孵育 30 分钟。
   6. 测量所得物质在 517 nm 处的吸光度（图 9C）。
   7. 使用标准品浓度和抑制百分比绘制标准校准曲线（图 10C）。
   8. 计算 DPPH 测定的抑制百分比如下：
      抑制 % = [（对照吸光度 − 样品吸光度）/ 对照吸光度] × 100
   9. 将结果表示为每克样品的 Trolox 等效抗氧化能力的毫克数，由以下公式²⁰ 计算：
      注：每克样品的 Trolox 当量 （TE） 毫克 = [（（% 抑制-c） / m） 以 μg Trolox 当量计×反应孔中的总体积 （mL） x 干燥样品重量×稀释度 （1 g） x 提取物的合成体积 （mL）] / [（添加到每个孔中的样品体积 （mL） x 干样品的实际重量 （g） ×从 μg 到 mg 的转换因子 （1000）]
      其中，c = y 截距，m = 斜率
2. 2,2′-偶氮基-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸 （ABTS） 自由基清除测定
   1. 使用参考文献中的方案确定 CS 提取物的 ABTS 自由基清除活性，并进行一些修改¹⁷。
   2. 通过混合 7 mM ABTS 和 2.45 mM 过硫酸钾 （1：2） 制备 ABTS·+ 储备液，并在室温下避光孵育 16 小时。
   3. 通过将 5 mL ABTS·+ 储备液与 100 mL 去离子水混合来制备工作溶液。
   4. 将 160 μL ABTS·+ 工作溶液与 10 μL 10 倍稀释样品或不同浓度的 Trolox 标准品混合（参见 表 7 和 表 8）。
   5. 在室温下避光孵育反应物 30 分钟。
   6. 确定混合物在 734 nm 处的吸光度（图 9D）。
   7. 使用标准品浓度和抑制百分比绘制标准校准曲线（图 10D）。
   8. 使用以下公式计算 ABTS 测定的抑制百分比：
      抑制 % = [（对照吸光度 - 样品吸光度） / 对照吸光度] × 100。
      1. 将结果表示为每克样品的 Trolox 等效抗氧化能力的毫克数，使用以下公式²¹ 计算：
         注：每克样品的 Trolox 当量 （TE） 毫克 = [（（% 抑制 - c） / m）） 以 μg Trolox 当量计×反应孔中的总体积 （mL） x ×干燥样品重量的稀释度 （1 g） x 提取物的合成体积 （mL）] / [（添加到每个孔中的样品体积 （mL） x 干燥样品的实际重量 （g） ×从 μg 到 mg 的转换因子 （1000）]
         其中，c = y 截距，m = 斜率
3. 铁还原抗氧化能力测定 （FRAP）
   1. 根据方案确定 CS 提取物的铁还原抗氧化活性，并进行一些修改¹⁷。
   2. 使用 pH 值为 3.6 的 30 mM 乙酸盐缓冲液制备 FRAP 试剂，该缓冲液是 10 mM TPTZ 溶液在 40 mM HCl 和 20 mM FeCl_{3.6H 2}O 溶液中以 10：1：1 的比例混合而成。
   3. 将 FRAP 试剂放入琥珀色瓶中，直到需要为止。
      注意：确保 FRAP 试剂为棕色。如果被金属离子或其他反应性化合物污染，试剂会变成紫色，必须丢弃。仅使用新鲜制备的试剂。
   4. 用蒸馏水稀释样品，制备 5 倍稀释的样品。
   5. 将 10 μL 稀释样品或 20 μL 不同标准浓度的 FeSO 4.7H ₂O（表 9 和表 10）添加到 180 μL FRAP 溶液中。
   6. 在室温下孵育反应 4 分钟。
   7. 评估混合物在 593 nm 处的吸光度（图 9E）。
   8. 使用标准品浓度和 593 nm 处的吸光度绘制标准校准曲线（图 10E）。
   9. 将结果表示为每克样品中 FeSO₄ 毫克数，使用以下公式²¹ 计算：
      注：mg FeSO₄ 当量 （Fe （II） E） / g 样品 = [（（A₅₉₃ - c） / m）） μg FeSO₄ 当量 ×反应孔中的总体积 （mL） x ×干燥样品的稀释度 （1 g） x 提取物的合成体积 （mL）] / [（每个孔中加入的样品体积 （mL） x 干燥样品的实际重量 （g） ×从 μg 到 mg 的转换因子 （1000）]
      其中，c = y 截距，m = 斜率
4. 对每个样品进行一式三份的所有检测（TPC、TFC、DPPH、ABTS 和 FRAP）。在本研究中，大多数分析都使用水作为空白，但 DPPH 除外，其中乙醇用作空白以解决背景吸光度问题。

5. 统计分析

1. 使用 SPSS 软件对实验数据进行统计分析。
2. 使用 Shapiro-Wilk 检验进行正态性检验。
3. 使用单因素方差分析和 Duncan 多范围检验比较基于多元醇的 MAE CS 提取物和基于常规溶剂的 MAE CS 提取物的生物活性物质和抗氧化活性。
4. 将所有数据表示为 SD ±均值 （n = 3），并在 p < 0.05 处定义显著性水平。

结果

多元醇溶剂和常规溶剂对总酚含量、总类黄酮含量、DPPH、FRAP 和 ABTS 抗氧化剂测定的影响
溶剂极性应与目标活性分子的极性相容，以提高植物中生物活性物质的提取效率²²。使用各种溶剂（水、乙醇、甘油、丙二醇、丁二醇、甲基丙二醇、异戊二醇、戊二醇、1,2-己二醇和己二醇）进行实验，以评估它们对 MAE 咖啡银皮提取物的生物活性化合物和抗氧化活性的影响?...

讨论

各种因素在 MAE 的成功实施中起着至关重要的作用，例如植物成分的植物化学含量、提取时间、温度、微波功率、固液比和溶剂浓度¹³。植物通常表现出不同种类的植物化学物质;因此，选择富含抗氧化剂和酚类化合物的天然植物是必不可少的²³.此外，不同的生物活性成分根据所使用的溶剂表现出不同的极性。同样，溶剂也表现出不同的极性。鉴于溶剂的极性在?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1,2-Hexanediol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
2,2 -Azino-bis 3 ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid diammonium salt (ABTS)	Sigma	A1888
2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)	Sigma	D9132
2,4,6-Tri(2-pyridyl)-s-triazine (TPTZ)	Sigma	93285
2-Digital balance	Ohaus		Pioneer
4-Digital balance	Denver	SI-234
6-hydroxy-2,5,7,8 tetramethylchroman -2-carboxylic acid (Trolox)	Sigma	238813
96-well plate	SPL Life Science
Absolute ethanol	RCI Labscan	64175
Acetic acid	RCI Labscan	64197
Aluminum chloride	Loba Chemie	898
Automatic pipette	Labnet		Biopett
Butylene glycol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Ethos X advanced microwave extraction	Milestone Srl, Sorisole, Italy
Ferrous sulfate	Ajex Finechem	3850
Folin-Ciocalteu's reagent	Loba Chemie	3870
Freezer SF	Sanyo	C697(GYN)
Gallic acid	Sigma	398225
Grinder	Ou Hardware Products Co.,Ltd
Hexylene glycol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Hydrochloric acid (37%)	RCI Labscan	AR1107
Iron (III) chloride	Loba Chemie	3820
Isopentyldiol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Methanol	RCI Labscan	67561
Methylpropanediol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Pentylene glycol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Potassium persulfate	Loba Chemie	5420
Propylene glycol	Chanjao Longevity Co., Ltd.
Quercetin	Sigma	Q4951
Refrigerated centrifuge	Hettich
Sodium acetate	Loba Chemie	5758
Sodium carbonate	Loba Chemie	5810
Sodium hydroxide	RCI Labscan	AR1325
Sodium nitrite	Loba Chemie	5954
SPECTROstar Nano microplate reader	BMG- LABTECH
SPSS software	IBM SPSS Statistics 20
Tray dryer	France Etuves	XUE343