Ultralydsassisteret udvinding af phenolsyrer, flavonoler og flavanoler fra Muscadine drueskind og frø ved brug af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler og prædiktiv modellering ved kunstigt neuralt netværk

Venligst kontaktoscar.xiao@wecistanche.comfor mere information

AbstraktFormålet med denne undersøgelse var at undersøge ekstraktionseffektiviteten af ​​9 naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NDES) ved hjælp af ultralyd forphenolsyrer, flavonoler, og flavan-3-oler i skind og frø af muscadine druer (Carlos) sammenlignet med 75 procent ethanol. Kunstig neural netværk (ANN) blev anvendt for at optimere NDES-vandindhold, ultralydbehandlingstid, faststof-til-opløsningsmiddelforhold og ekstraktionstemperatur for at opnå de højeste ekstraktionsudbytter for ellaginsyre, catechin og epicatechin. En nyformuleret NDES (#1) består af cholinchlorid:levulinsyre: ethylenglycol 1:1:2 og 20 procent vand ekstraherede den højeste mængde ellaginsyre i huden ved 22,1 mg/g. Dette udbytte var 1.73-fold af udbyttet med 75 procent ethanol. En modificeret NDES (#3) bestående af cholinchlorid: prolin: æblesyre 1:1:1 og 30 procent vand ekstraherede den højeste mængde catechin (0,61 mg/g) og epicatechin (0,89 mg/g) i huden, og henholdsvis 2,77 mg/g og 0,37 mg/g i frøet. Det optimale udbytte af ellaginsyre i huden under anvendelse af NDES #1 var 25,3 mg/g (observeret) og 25,3 mg/g (forudsagt). Det optimale udbytte af (catechin plus epicatechin) i frø ved anvendelse af NDES #3 var 9,8 mg/g (observeret) og 9,6 mg/g (forudsagt). Denne undersøgelse viste den høje ekstraktionseffektivitet af udvalgte NDES for polyphenoler under optimerede forhold.

Klik venligst her for at vide mere

Introduktion

Naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NDES) fremstilles ved at blande hydrogenbindingsdonorer med hydrogenbindingsacceptorer i et passende molforhold [1]. Smeltepunktet for en komponent skal være lavere end smeltepunktet for den anden komponent [1]. Efter opvarmning og blanding bliver dette medium til en væske ved stuetemperatur. Vand tilsættes for at stabilisere og polarisere blandingen. Forskning inden for fytokemisk ekstraktion ved hjælp af NDES er udvidet på grund af deres effektive ekstraherbarhed og opløselighed. Ikke desto mindre spiller flere faktorer en væsentlig rolle, når man sammenligner NDES med organiske opløsningsmidler, herunder udbytte, omkostninger, genvinding og toksicitet. Tidligere forskning undersøgte NDES om ekstraktion af forskellige polyphenoler fra forskellige fødevarematricer. For eksempel har Bubalo et al. (2016) sammenlignede 5 NDES, vand, 70 procent methanol (v/v) og forsuret 70 procent methanol (v/v) for at ekstrahere anthocyaniner, catechin og quercetin-3-O-glucosid fra røde drueskaller. En NDES bestående af cholinchlorid: oxalsyre (1:1) med 25 procent vand (v/v) viste sig at være det mest effektive ekstraktionsopløsningsmiddel [2]. I en anden undersøgelse, Pani´c et al. (2019) testede 8 NDES og forsurede 70 procent af ethanol og observerede cholinchlorid: citronsyre (2:1) med 30 procent vand (v/v) som den bedste NDES til at udvinde anthocyaniner fra druerester [3]. Muscadine druer (Vitis rotundifolia) er hjemmehørende i de sydøstlige stater og den første dyrkede vilde drue i USA [4]. Muscadine druer produceres i 12 stater og i alt omkring 5000 acres [5]. Der er 100 sorter af muscadinedruer og hver varierer i fysiske, sensoriske eller kemiske egenskaber [4]. Blandt dem er Carlos en meget plantet muscadinedrue på grund af dens høje afgrødeudbytte og voksende konsistens [4]. Carlos muscadinedruen er medium i størrelse, bronzefarvet, tykkere i skallen og indeholder i gennemsnit fire frø [6]. Muscadine druer indeholder betydelige mængder afpolyfenolersom er kendt for at reducere inflammation [7], hæmme prostatatumorvækst [8] og forbedre metaboliske reaktioner hos diabetikere [9]. Muscadine druepresserester, et biprodukt af muscadine druesaft eller vinfremstilling, består af skind og frø. Et tidligere forskningsstudie brugte acetone: vand: eddikesyreblanding (70:29.7:0.3, v/v) til at udvinde phenolforbindelser fra frøene, skindet og frugtkødet fra otte sorter af muscadinedruer, dyrket i Florida, inklusive Carlos [10]. Imidlertid hindrede brugen af ​​brændbare organiske opløsningsmidler og deres lave ekstraktionseffektivitet praktiske anvendelser. Det meste af muscadine druepresserester kasseres stadig som affald. Artificial neural networking (ANN) er et ikke-lineært kortlægningssystem bestående af forskellige grundlæggende behandlingsenheder forbundet med vægtede associationer. Disse behandlingsenheder kaldes "neuroner" [11]. Kunstigt neuralt netværk er en maskinlæringstilgang til at forudsige eller forudsige en respons baseret på flere input [11]. Tidligere forskning har anvendt responsoverflademetoder (RSM) til ekstraktionsoptimering og forudsigelse. Men få undersøgelser har brugt ANN til samme formål. For eksempel har Sinha et al. (2013) foreslog, at ANN har bedre forudsigelsesydelse end RSM på udvinding af naturligt farvestof fra frø af Bixa Orellana (Annatto) [12]. I en lignende undersøgelse har Ciric et al. (2020) rapporterede, at ANN-modellen var bedre end RSM til at forudsige ekstraktion af phenolforbindelser fra hvidløg [13]. Formålet med denne forskning var at undersøge ekstraktionseffektiviteten af ​​9 NDES for phenolsyrer, flavonoler og flavan-3-oler sammenlignet med 75 procent ethanol ved hjælp af ultralyd. ANN blev anvendt til at forudsige og optimere ekstraktionsbetingelserne for phenoludbytte. Hypotesen var, at NDES med specifikke sammensætninger ekstraherer større mængder af phenolsyrer, flavonoler og flavan-3-oler end 75 procent ethanol, og den højeste ekstraktionseffektivitet kan opnås ved ANN-baseret prædiktiv modellering.

2. Materialer og metoder 2.1. Kemikalier og reagenser Cholinchlorid, levulinsyre, 1,2-propandiol, DL-æblesyre, oxalsyre, saltsyre og myresyre blev opnået fra Acros Organics (Morris Plains, NJ, USA). Mælkesyre, ethylenglycol, glycin, HPLC-grade acetonitril, methanol og ethanol blev købt fra Fishers Scientific (Waltham, Massachusetts, USA). L-prolin og betainhydrochlorid blev købt fra Alfa Aesar (Ward Hill, MA, USA). HPLC-standarder af ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre, (plus )-catechin, (− )-epicatechin, myricetin, quercetin og kaempferol blev erhvervet fra Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA).

2.2. Design af NDESNDES #1-2 i tabel 1 blev designet i vores tidligere undersøgelse [14]. Cholinchlorid i NDES #1-2 blev valgt som en hydrogenacceptor, hvorimod to forskellige hydrogendonorer blev udvalgt for hver ny NDES. Molære forhold mellem hydrogendonorer og acceptor- og vandindhold blev bestemt i indledende forsøg. NDES #3-9 i tabel 1 blev udvalgt fra litteraturen, da tidligere undersøgelser har udpeget dem som effektive NDES til at ekstrahere polyphenoler. Vandindholdet i NDES #3 blev modificeret fra den citerede litteratur. En opvarmningsmetode blev anvendt til at forberede NDES [15]. Kort fortalt blev hydrogenbindingsacceptoren blandet med hver af hydrogenbindingsdonorkomponenterne i Erlenmeyer-kolber med en omrørerstang. Blandingen i kolben blev lukket og opvarmet til 50 ◦C i ca. 30 minutter, eller indtil der dannedes en klar væske og forblev stabil ved stuetemperatur. Vandindholdet i tabel 1 blev beregnet i overensstemmelse med det endelige volumen af ​​NDES-blandinger. pH-værdien af ​​NDES anført i tabel 1 blev målt ved anvendelse af et pH-meter (AB15, Accumet, Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). 2.3. Prøveforberedelse / Ultralydsassisteret ekstraktion Frosne muscadine drueskind (Vitis rotundifolia) skind og frø (kultivar: Carlos) blev leveret af Paulk Vineyards (Wray, Georgia, USA). Efter fjernelse af skrog, blade eller bladstilke blev presserester adskilt i frø og skind. Prøverne blev derefter tørret ved hjælp af en vakuumovn (Isotemp, Model 285A, Fisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA) ved 60 ◦C og et vakuumtryk lavere end -30 in.Hg. Derefter blev prøverne homogeniseret til et fint pulver ved hjælp af en kimærisk kværn (A1{{105}}00, RRH Inc., 2800 W, Zhejiang, Kina). Ved at bruge et indledende forhold mellem faststof og opløsningsmiddel på 1:20 (g: ml), blev 0,50 g af enten muscadine drueskall eller frø blandet i 10 ml NDES eller 75 procent ethanol i tre eksemplarer. Prøverne blev derefter anbragt i et vandbad (60 ◦C) og sonikeret (VCX 1500, Sonics & Materials Inc., 1500-Watt, 50/60 Hz, Newtown, CT, USA) i 30 minutter ved 100 procent amplitude i to omgange (15 min/runde). Derefter blev prøverne straks centrifugeret (Sorvall ST 8, Fisher Scientific, Suzhou, Kina) ved 3.260 g, indtil en klar supernatant blev opnået. Til sidst blev supernatanterne opsamlet og opbevaret i en -20 ◦C fryser til HPLC-analyse af phenolsyrer (ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre), flavonoler (myricetin, quercetin og kaempferol) og flavan-3-oler (catechin og epicatechin). 2.4. HPLC-analyser af phenolsyrer, flavonoler og flavan-3-oler Phenolsyrer, flavonoler og flavan-3-oler blev analyseret på et HPLC-system (Agilent Technologies 1200, Waldbronn, Tyskland) ifølge metoden beskrevet i Sandhu og Gu (2013) [16]. HPLC-systemet består af en binær pumpe, en autosampler, et termostateret kolonnerum, en diodearraydetektor og en fluorescensdetektor. Vindrueskind eller frøekstrakter blev hydrolyseret før analyserne af phenolsyrer og flavonoler. Hydrolysen blev udført ved at blande 1 ml af ekstraktet med 4 ml hydrolyseopløsning (1,2 M HCI indeholdende 50 procent methanol) og anbringes i et vandbad (Precision, Model 2837, 400 W, 50/60 Hz, Thermo Scientific, Marietta , OH, USA) ved 90 ◦C i 80 min. Derefter blev prøverne afkølet til 25 ◦C efterfulgt af sonikering i 5 min. Hydrolysen af ​​ekstraktet var ikke nødvendig til analyse af catechin og epicatechin. De hydrolyserede og ikke-hydrolyserede ekstrakter blev filtreret gennem en 0,45 μm polytetrafluorethylen (PTFE) membran før HPLC-analyser. Til analyse af ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre, myricetin, quercetin, kaempferol, catechin og epicatechin blev 10 µL injiceret i en SB-C18-søjle (4,6 × 250 mm, 5 µm, Zorbax, Agilent, Santa Clara, CA, CA, USA). De mobile faser var (A) 0,5 procent myresyre og (B) 100 procent acetonitril. Strømningshastigheden var 1 ml/min med 25 min modificeret gradient som følger: 0-5 min, 10-30 procent B; 5–10 min, 30–40 procent B; 10–20 min, 40–50 procent B; 20–25 min, 50–10 procent B; efterfulgt af 5 minutters ækvilibrering. Søjlens temperatur blev indstillet til 30 ◦C. Detektionsbølgelængden var 260 nm for ellaginsyre, gallussyre og ferulinsyre og 360 nm for myricetin, quercetin og kaempferol på en fotodiodearraydetektor. Excitationen og emissionen for catechin og epicatechin var henholdsvis 230 nm, 321 nm under anvendelse af en fluorescensdetektor. Polyphenolforbindelser blev kvantificeret ved hjælp af standardkurver af ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre, myricetin, quercetin, kaempferol, catechin og epicatechin. Alle standardkurver havde 7 punkter og R2 > 0,99. 2.5. Tilpasset design til kunstigt neuralt netværk Fire uafhængige ekstraktionsvariabler med fire niveauer: vandindhold (15-60 procent), ultralydbehandlingstid (5-35 min), forhold mellem faststof og opløsningsmiddel (1:5-1:20) og ekstraktion temperatur (30-60 ◦C) (tabel S1) blev anvendt for at optimere ekstraktionsudbyttet af phenolsyrer, flavonoler og flavanoler. I modsætning til de klassiske designs såsom responsoverfladedesignet, kræver ANN-baseret design ikke gentagne kørsler og foretrækker en anden datastruktur. I vores tidligere undersøgelse [14] var ANN en mere pålidelig metode til at forudsige ekstraktionsudbytte end RSM. Derfor blev ANN udvalgt i denne undersøgelse til at forudsige ekstraktionsudbyttet af ellaginsyre, catechin og epicatechin. Et tilpasset design med 40 kørsler (Tabel S2) blev genereret på JMP Pro (Version 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) for at levere data specifikt til ANN-prædiktiv modellering. Randomisering af de 40 kørsler blev anvendt for at eliminere enhver bias. Hovedligningen for ANN er vist som følger:=∑jj=1 wh jpg plus bhk, k=1toK (1) hvor h er antallet af neuroner i det skjulte lag, j og k er antallet af henholdsvis inputvariable og skjulte neuroner, p er inputvariablen, bh er bias af det skjulte lag, og wh er vægten i det skjulte lag. Ekstraktionsudbyttet af ellaginsyre, catechin og epicatechin i forhold til de fire uafhængige variable blev analyseret ved hjælp af ANN ved først at træne dataene og derefter vælge den bedste aktiveringstype og et antal neuroner, der resulterer i en passende tilpasning af dataene. For at evaluere succesen af ​​forudsigelsesmodeller er tre værdier blevet vurderet: R-kvadrat, kvadratroden af ​​den gennemsnitlige kvadratiske forudsigelsesfejl (RASE) (ligning (2)) og den gennemsnitlige absolutte fejl (AAE). RASE er RASE=̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ SSE/n √ (2) Hvor SSE donerer for kvadrat og summerer forudsigelsesfejlene (forskelle mellem de faktiske svar og de forudsagte svar) og n for et antal observationer. R-kvadrat tæt på 1 med RASE og AAE tæt på nul betyder en højere tilpasning af data til modellen. 2.6. Statistik Ekstraktionsudbytter af phenolsyrer, flavonoler og flavan-3-oler blev sammenlignet med envejs ANOVA efterfulgt af Students t-test ved p Mindre end eller lig med 0,05 ved brug af JMP Pro (version 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA). Hver nde og 75 procent ethanol blev sammenlignet under anvendelse af Dunnetts test ved p Mindre end eller lig med 0,05. Principiel komponentanalyse (PCA) blev udført på JMP Pro (Version 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) for de phenoliske forbindelser ekstraheret fra muscadine drueskind og -frø. 3. Resultater og diskussion 3.1. Polyphenoler ekstraheret af NDES fra muscadine drueskaller Ni NDES og 75 procent ethanol blev brugt til udvinding af polyphenoler fra muscadine drueskaller. Tabel 2 viser ekstraktionsudbyttet af ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre, myricetin, quercetin, kaempferol, catechin og epicatechin. Ellaginsyre var den mest udbredte polyphenol i drueskind efterfulgt af henholdsvis gallussyre og ferulinsyre. Dette fund var i overensstemmelse med tidligere undersøgelser [17,18]. NDES #1, #8, #7, #3, #2 og #9 ekstraherede betydeligt højere mængder ellaginsyre i drueskallen end 75 procent ethanol. Det højeste ekstraktionsudbytte af ellaginsyre blev opnået med NDES #1 efterfulgt af NDES #8 ved henholdsvis 22,1 ± 2,2 mg/g og 21,3 ± 2,5 mg/g (tabel 2). Der var imidlertid ingen signifikant forskel mellem NDES #1 og NDES #8 ifølge Students t-test. Interessant nok blev NDES #1 fundet at være den mindst effektive NDES til at udvinde anthocyaniner fra

tranebærrester [14]. Dette antydede, at NDES #1 selektivt kan ekstrahere ellaginsyre eller ellagitanniner fra fødevarematrix, der også indeholder anthocyanidiner. En sådan selektivitet kan tilskrives forskelle i de molekylære interaktioner mellem NDES og specifikke phenolklasser. Figur S1 (panel A) viser HPLC-kromatogrammet af gallussyre, ellaginsyre og ferulinsyre ekstraheret fra drueskall ved NDES #1 og detekteret ved 260 nm. De 75 procent ethanol ekstraherede 12,7 ± 1,2 mg ellaginsyre pr. gram drueskind. Det laveste ekstraktionsudbytte af ellaginsyre blev observeret i NDES #4 ved 7,44 ± 0,6 mg/g. Ekstraktionsudbyttet af gallussyre ved NDES #9, #8, #1, #4, #7 og #3 var sammenlignelige og signifikant højere end 75 procent ethanol. Den højeste mængde gallussyre blev ekstraheret af NDES #9 ved 10,4 ± 0,5 mg/g, hvorimod den laveste mængde på 5,55 ± {{40}} 0,1 mg/g blev ekstraheret med NDES #5. Den højeste mængde ferulinsyre blev ekstraheret af NDES #1 ved 6,32 ± 0,7 mg/g, og den laveste mængde blev ekstraheret af NDES #5 ved 3,11 ± 0.{{5{{52 }}}} mg/g. Ydermere var der ingen signifikant forskel mellem NDES #1 og 75 procent ethanol ved ekstraktion af ferulinsyre (tabel 2). Den højeste mængde catechin og epicatechin blev ekstraheret af NDES #3 ved 0.61 ± 0.1 mg/g og 0.89 ± 0.1 mg/ g (tabel 2). I mellemtiden ekstraherede NDES #3 og #6 betydeligt større mængder epicatechin end 75 procent ethanol. Figur S2 (panel A) viser HPLC-kromatogrammet af catechin og epicatechin ekstraheret af NDES #3 fra drueskallen. Imidlertid blev catechin ikke påvist i 75 procent ethanolekstraktet. De laveste mængder catechin (0.02 mg/g) og epicatechin ({{90}},14 mg/g) blev ekstraheret af NDES #2 og NDES # 5, hhv. Myricetin var den mest rigelige flavonol og kaempferol var den mindste. Dunnetts test afslørede, at NDE'er og 75 procent ethanol var sammenlignelige med hensyn til at ekstrahere myricetin, quercetin og kaempferol (tabel 2). Den højeste myricetinmængde blev ekstraheret med NDES #1 (1,84 mg/g), efterfulgt af 75 procent ethanol (1,73 mg/g) og derefter NDES #8 (1,67 mg/g). Den højeste mængde quercetin blev ekstraheret med 75 procent ethanol (0,41 mg/g), NDES #1 (0,40 mg/g) og NDES #8 ({ {143}},38 mg/g). I modsætning hertil blev de laveste mængder af myricetin og quercetin ekstraheret af NDES #5 ved henholdsvis 0,87 mg/g og 0,27 mg/g. Dette fund understreger yderligere en overordnet svag evne hos NDES #5 til at udtrække polyfenoler fra drueskallen. Den højeste kaempferol-mængde blev ekstraheret med 75 procent ethanol (0.05 mg/g), og den laveste blev ekstraheret med NDES #5 og NDES#6 (0,03 mg/g). Figur S1 (panel B) viser HPLC-kromatogrammet af myricetin, quercetin og kaempferol ekstraheret fra drueskall ved NDES #1 detekteret ved 360 nm. Den højeste sum af phenolsyrer, flavonoler og flavan{103}}-oler var 40,7 mg/g ekstraheret med NDES #1 efterfulgt af 39,8 mg/g ekstraheret med NDES #8, hvorimod den laveste sum var 18,4 mg/g ekstraheret af NDES #5 (tabel 2). pH-værdien af ​​NDES lå mellem 0,3 og 3,3 (tabel 1). Rsquared-korrelationen mellem pH-værdien af ​​NDE'er og phenolsyrer, flavonoler og flavanoler-udbytter blev angivet i tabel 2. Manglen på korrelation mellem pH og ekstraktionsudbytter antydede, at pH ikke påvirkede ekstraktionseffektiviteten. 3.2. Polyfenoler ekstraheret af NDES fra muscadine-druekerner. Det samlede ekstraktionsudbytte af phenolsyrer, flavonoler og flavanoler fra druekerner var mærkbart lavere end udbyttet fra skind (tabel 3). De mest udbredte ekstraherbare polyphenoler i frøene var catechin og epicatechin, hvorimod kaempferol ikke blev påvist. Den komplekse frømatrix indeholdende olie (13 %, w/w tør base) er en mulig forklaring på den lave ekstraherbarhed af phenolforbindelser fra druekernerne [19]. Den højeste mængde catechin blev ekstraheret med NDES #3 ved 2,77 mg/g (tabel 3). Dette udbytte var signifikant højere end alle andre NDES og 75 procent ethanol. Figur S2 (panel B) viser HPLC-kromatogrammet af catechin og epicatechin ekstraheret af NDES #3 fra vindruekerner. Den laveste mængde catechin blev ekstraheret med NDES #5 ved 0,30 mg/g. Alle NDES undtagen NDES #1, #2 og #9 ekstraherede signifikant højere mængder af epicatechin end 75 procent ethanol (tabel 3). De højeste epicatechinkoncentrationer blev ekstraheret med NDES #4 (0,71 mg/g) og NDES #5 (0,68 mg/g), hvorimod den laveste blev ekstraheret med 75 procent ethanol (0,11 mg/g). Gallussyre var den mest udbredte phenolsyre i druekernerne, efterfulgt af henholdsvis ferulinsyre og ellaginsyre. Den højeste mængde gallussyre blev ekstraheret med NDES #4 ved 0,45 mg/g, efterfulgt af NDES #9 og NDES #8. Disse NDE'er ekstraherede betydeligt højere mængder gallussyre end 75 procent ethanol. Den laveste mængde gallussyre (0,2 mg/g) blev ekstraheret med NDES #3. Den højeste udvinding

udbytte af ellaginsyre blev opnået ved NDES #9 (0,26 mg/g) efterfulgt af NDES #6 (0,17 mg/g), som var signifikant højere end 75 procent ethanol. På samme måde ekstraherede NDE'er #3 den laveste mængde ellaginsyre ved 0.05 mg/g. Derudover ekstraherede NDES #6, #7 og #3 betydeligt højere mængder ferulinsyre end 75 procent ethanol. Det laveste ferulsyreekstraktionsudbytte var 0,5 mg/g ved NDES #5. Endvidere blev ferulinsyre ikke påvist i NDES #9 ekstrakt. Dette var sandsynligvis fordi opløseligheden af ​​ferulinsyre var lavere i NDES #9 end i andre NDE'er. Det højeste myricetinekstrakt blev opnået med 75 procent ethanol og NDES #7 ved 0.18 mg/g, som var højere end alle NDE'er. Det højeste quercetinekstraktionsudbytte var ved NDES #6 (0,14 mg/g) og NDES #3 (0,13 mg/g), og begge NDES var bedre end 75 procent ethanol. Tilsvarende påvirkede pH-værdien af ​​NDES ikke ekstraktionsudbyttet, som angivet af den lave korrelation (R-kvadrat) mellem pH-værdien af ​​NDE'er og udbyttet af phenolsyrer, flavonoler og flavanoler anført i tabel 3. 3.3 . Principal komponentanalyse (PCA) blev udført for at forbinde ekstraktionsudbyttet af forskellige phenolforbindelser i drueskind og frø med NDE'er og 75 procent ethanol (fig. 1). PCA'en blev udført på en korrelationsmatrix for at påvise en mulig selektivitet af nogle NDE'er til at udvinde specifikke phenoliske forbindelser eller grupper. Omkring 85 procent af variansen af ​​huddata blev forklaret af hovedkomponent 1 og 2. Ladningsdiagrammet (fig. 1B) viser en høj korrelation mellem phenolsyrer (ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre) og flavonoler (myricetin, quercetin, og kaempferol). For at udtrække disse grupper er de bedste opløsningsmidler NDES #1, #8, #7 og 75 procent ethanol som vist i scoreplottet (fig. 1A). I mellemtiden syntes catechin og epicatechin adskilt fra resten af ​​phenolgrupperne. Som vist i fig. 1A var NDES #3 selektiv til at ekstrahere catechin og epicatechin fra drueskaller. Dette var en interessant observation, fordi NDES#3 var blandt de mindst effektive NDES til at ekstrahere proanthocyanidiner, som er oligomerer og polymerer af catechin og epicatechin [14]. Dette antydede, at NDES #3 kan være selektiv over for proanthocyanidiner med mindre molekylstørrelser. Klynger af phenolforbindelser på indlæsningsplottet af skindet (fig. 1B) var forskellig fra frøet (fig. 1D) uanset de lave udbytter af disse forbindelser i druekernerne. Den første og anden hovedkomponent forklarede omkring 73 procent af variansen af ​​frødata. Quercetin, myricetin og ferulinsyre blev ekstraheret mere effektivt af NDES #6, #7 og 75 procent ethanol, som vist i scoreplottet (fig. 1C). Ellaginsyre og gallussyre blev ekstraheret mere effektivt af NDES #9. Endnu en gang blev catechin ekstraheret med den højeste effektivitet af NDES #3, hvilket svarede til det, der blev observeret med drueskind. Epicatechin blev ekstraheret med højere effektivitet af NDES #5, #4 og NDES #8.

3.4. Ekstraktionsoptimering af phenolsyrer og flavonoler fra muscadine drueskind og ANN-forudsigelsesmodellering Cholinchlorid: levulinsyre: ethylenglycol 1:1:2 (NDES #1) viste det højeste ekstraktionsudbytte for ellaginsyre, og blev derfor valgt til yderligere optimering og forudsigelse. Virkningerne af fire faktorer, herunder vandindhold, ultralydbehandlingstid, forhold mellem faststof og opløsningsmiddel og ekstraktionstemperatur blev vurderet for ekstraktion af phenolsyrer og flavonoler. Desuden blev fire niveauer for hver ekstraktionsfaktor anvendt i i alt 40 randomiserede kørsler. Det eksperimentelle ekstraktionsudbytte af ellaginsyre, gallussyre, ferulinsyre, myricetin og quercetin, sammen med summen af ​​disse fem, er vist i tabel 4. Samlet set var intervallet for ekstraktionsudbytteforskellen mellem den laveste og den højeste relativt stor for phenolsyrer. For eksempel var det laveste udbytte for ellaginsyre 9.03 mg/g (kørsel #17) og det højeste var 25,3 mg/g (kørsel #15), hvilket resulterede i en forskel på 16,2 mg/g (kør #17). Desuden var den laveste sum af udbytte 20,7 mg/g, og den højeste var 71,5 mg/g. Dette illustrerer den betydelige indvirkning af de forskellige niveauer af hver ekstraktionsfaktor på udvindingsudbyttet. Kørsel #15 ekstraherede den højeste mængde ellaginsyre. Ekstraktionsbetingelsen for kørsel #15 var 45 ml/10{{130}} ml vandindhold, 25 minutters ultralydbehandling, 1:10 (g: ml) forhold mellem faststof og opløsningsmiddel , og ekstraktionstemperatur på 60 ◦C. Figur S3 viser HPLC-kromatogrammet af optimerede phenolsyrer ekstraheret fra drueskall ved NDES #1 (kørsel #15 i tabel 4). Den højeste gallussyre (18,7 mg/g) blev opnået under anvendelse af ekstraktionsbetingelserne i kørsel #24, og den laveste var 6,63 mg/g under anvendelse af kørsel #40. For ferulinsyre ekstraherede kørsel #22 den højeste mængde ved 19,2 mg/g, hvorimod ingen ferulsyre blev påvist i kørsel #14, #17, #29 og #34. Kørsel #22 blev ekstraheret med 60 ml/100 ml vandindhold, 5 minutters ultralydbehandling, 1:5 for forhold mellem faststof og opløsningsmiddel og ekstraktionstemperatur på 60 ◦C. Kørsel #2 ekstraherede det højeste myricetin (10,1 mg/g) og quercetin (1,87 mg/g). Ekstraktionsbetingelserne for kørsel #2 var 60 ml/100 ml vandindhold, 35 minutters ultralydbehandling, 1:20 for forhold mellem faststof og opløsningsmiddel og ekstraktionstemperatur på 60 ◦C. Det laveste mit sikre udbytte (3,79 mg/g) blev ekstraheret ved kørsel #40. Konturplottene i fig. 2 viser effekten af ​​ekstraktionsparametre (X1, X2, X3 og X4) på ​​det forudsagte udbytte af ellaginsyre ekstraheret af NDES #1 fra drueskallen. De forudsagte udbytter af ellaginsyre i tabel 4 blev brugt til at konstruere disse tællediagrammer. Hvert panel illustrerer virkningen af ​​2 ekstraktionsparametre. Konturlinjerne er mærket med udbyttet af ellaginsyre (mg/g). Det optimale forudsagte vandindhold var omkring 35-45 mL/100 mL NDES, som vist i fig. 2B og 2C. Længere ultralydbehandlingstid øgede udbyttet af ellaginsyre (fig. 2D og 2E), hvilket indikerer en kritisk rolle for sonikering i NDES-ekstraktion. Under ekstraktionen introducerede blanding af drueskaller eller frø med NDES partikler og gas, hvilket tilføjede akustiske kavitationssteder til ultralyd for at generere adskillige små bobler i NDES. Imploderingen af ​​disse bobler førte til ekstrem temperatur, trykforskel, høj forskydningskraft, makroturbulenser og mikroblanding, hvilket effektivt agiterede NDES for at accelerere massediffusion og overførsel. Når kavitationsbobler imploderede på overfladen af ​​druekerne- eller skindpartikler, førte de resulterende mikrostråler og interpartikelkollisioner til overfladeafskalning, erosion, partikelnedbrydning, sonoporation og celleforstyrrelse [20]. Alle disse mekaniske effekter af ultralydsinduceret kavitation intensiverede penetrationen af ​​NDE'er til cellens indre, således at intercellulære phenoler fra fødevarematrixen blev overført til opløsningsmidler. Det optimale forhold mellem faststof og opløsningsmiddel var 1:10, som vist i fig. 2B, 2D og 2F. Endelig synes højere ekstraktionstemperaturer op til 60 ◦C at have en positiv effekt på ellaginsyreekstraherbarheden som vist i fig. 2C, 2E og 2F. Dette tyder på en direkte sammenhæng mellem ekstraktionstemperatur og udbyttet af ellaginsyre ekstraheret fra drueskallen. Ellaginsyreekstraktionsudbytter (tabel 4) blev analyseret til forudsigelsesmodellering ved anvendelse af kunstigt neuralt netværk. De eksperimentelle data blev tilfældigt opdelt i et træningssæt og et valideringssæt. Grunden til at inkludere en validering, der er indstillet af den statistiske software, er at undertrykke overfitting. For at forudsige ellaginsyreudbytte (Y) blev de samme fire uafhængige ekstraktionsfaktorer (X1, X2, X3 og X4), 1-2 skjulte lag med et andet antal neuroner og tre aktiveringsfunktioner vurderet. De anvendte aktiveringsfunktioner var hyperbolsk tangent, lineær og gaussisk. Derefter blev datasættene trænet indtil en høj R-kvadratværdi for både træning og validering blev nået. Forudsigelsesdataene og en model blev genereret. Den bedste ANN-struktur blev valgt ved at analysere de fire input (X1, X2, X3 og X4) med et skjult lag ved hjælp af Gauss-funktionen med ti neuroner (figur S5). R-kvadraten for trænings- og valideringssæt var 0,99, mens modellens RASE og AAE var henholdsvis 0,062 og 0,044. R-kvadraten for ANN-valideringen af ​​ellaginsyre i denne undersøgelse (0,99) var højere end ANN-valideringen af ​​procyanidiner (0,95) og anthocyaniner (0,91) i en tidligere undersøgelse [14]. Denne stigning i R2 kan dog tilskrives den bedre genererede modeltilpasning af dataene i denne undersøgelse, hvilket kan skyldes de mindre eksperimentelle fejl. De prædiktive ANN-modeller for ekstraktion af ellaginsyre ved hjælp af NDES #1 blev vist som ligning 3-13:

Cistanche til forbedring af immunitet

Konklusion

Aktuelle resultater præsenterede yderligere beviser på effektiviteten af ​​NDES-evner til at udvinde polyfenoler fra fødevareindustriens biprodukter. Resultaterne understøttede hypotesen om en overlegen ultralydsassisteret ekstraktion af NDES over 75 procent ethanol. NDES ekstraherede effektivt tre phenolsyrer, to flavonoler og tre flavan-3-oler fra drueskaller og -frø. NDES #1 var den mest effektive NDES til at ekstrahere ellaginsyre, hvorimod NDES #3 var særligt selektiv til at ekstrahere catechin og epicatechin. En mærkbar ulempe ved NDES er deres høje viskositet, hvilket giver udfordringer under håndtering og genopretning. I denne undersøgelse viste kunstig neurale netværk, uanset dets udfaldsbegrænsninger, en praktisk tilgang til prædiktiv modellering. NDE'er er robuste medier til at genvinde fytokemikalier fra fødevaresystemer. Nogle NDE'er præsenterer også et mindre giftigt opløsningsmiddel til at studere disse fytokemikalier i levende celler [21,22]. Endelig er naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler effektive alternative ekstraktionsmedier til organiske opløsningsmidler.

Referencer

[1] W. Bi, M. Tian, ​​KH Row, Evaluering af alkoholbaseret dybt eutektisk opløsningsmiddel ved ekstraktion og bestemmelse afflavonoidermed optimering af responsoverflademetodologi, J. Chromatogr. A 1285 (2013) 22-30, https://doi.org/10.1016/j. chroma.2013.02.041.
[2] M. Cvjetko Bubalo, N. ´ Curko, M. Tomaˇsevi´c, K. Kovaˇcevi´c Ghani's, I. Radojˇci´c Redovnikovi´c, Grøn ekstraktion af drueskindsphenoler ved at bruge dybe eutektiske opløsningsmidler, Food Chem. 200 (2016) 159-166, https://doi.org/10.1016/j. foodchem.2016.01.040.
[3] M. Panic, V. Gunjevi´c, G. Cravotto, I. Radojˇci´c Redovnikovi´c, muliggørende teknologier til udvinding af anthocyaniner af druerester ved hjælp af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler i batcher på op til en halv liter udvinding af anthocyaniner af druerester ved hjælp af NADES, Food Chem. 300 (2019) 125185, https://doi.org/ 10.1016/j.foodchem.2019.125185.
[4] M. Hoffmann, et al., Muscadine Grape Production Guide for the Southeast, North Carolina State University, NC State Extension Publications, 2020 https://content. ces.ncsu.edu/muscadine-grape-production-guide (tilgået 18. januar 2021). [5] Cline, B. og C. Fisk, Oversigt over muscadine-druearealer, kultivarer og produktionsområder i det sydøstlige USA. Muscadine Grape Workshop for Cooperative Extension Agents, i The Southern Region Small Fruit Consortium. 2006: Sydlig Region Lille Frugtkonsortium.
[6] PC Andersen A. Sarkhosh D. Huff J. Breman 2020 6 10.32473/edis-hs100-2020.
[7] P. Greenspan, et al., Antiinflammatoriske egenskaber af muscadinedruen (Vitis rotundifolia), J. Agric. Mad. Chem. 53 (22) (2005) 8481-8484, https://doi.org/ 10.1021/jf058015.
[8] DN Ignacio, KD Mason, EC Hackett-Morton, C. Albanese, L. Ringer, WD Wagner, PC Wang, MA Carducci, SK Kachhap, CJ Paller, J. Mendonca, L. Li Ying Chan, Bo Lin, DK Hartle, JE Green, CA Brown, TS Hudson, Muscadine drueskindsekstrakt hæmmer prostatacancerceller ved at inducere cellecyklusstop og mindske migration gennem varmechokprotein 40, Heliyon 5 (1) (2019) e01128, https://doi .org/10.1016/j.heliyon.2019.e01128.