Extracția asistată cu ultrasunete a acizilor fenolici, flavonolilor și flavan-3-olilor din cojile și semințe de struguri de muscadină utilizând solvenți eutectici profundi naturali și modelare predictivă prin rețele neuronale artificiale

Vă rog contactațioscar.xiao@wecistanche.compentru mai multe informatii

AbstractObiectivul acestui studiu a fost de a investiga eficiența extracției a 9 solvenți naturali eutectici de adâncime (NDES) cu ajutorul ultrasunetelor pentruacizi fenolici, flavonoli, și flavan{0}}oli din cojile și semințele de struguri muscadin (Carlos), în comparație cu 75% etanol. Rețelele neuronale artificiale (ANN) au fost aplicate pentru a optimiza conținutul de apă NDES, timpul de ultrasunete, raportul solid-solvent și temperatura de extracție pentru a obține cele mai mari randamente de extracție pentru acid elagic, catechină și epicatechină. Un NDES nou formulat (#1) constă din clorură de colină:acid levulinic: etilenglicol 1:1:2 și 20 procente de apă au extras cea mai mare cantitate de acid elagic din piele la 22,1 mg/g. Acest randament a fost de 1,73-ori mai mare decât cu 75% etanol. O NDES modificată (nr. 3) constând din clorură de colină: prolină: acid malic 1:1:1 și 30 procente de apă a extras cea mai mare cantitate de catechină (0,61 mg/g) și epicatechină (0,89 mg/g) în piele și, respectiv, 2,77 mg/g și, respectiv, 0,37 mg/g în sămânță. Randamentul optim de acid elagic în piele folosind NDES #1 a fost de 25,3 mg/g (observat) și 25,3 mg/g (prevăzut). Randamentul optim de (catechină plus epicatechină) în sămânță folosind NDES #3 a fost de 9,8 mg/g (observat) și 9,6 mg/g (prevăzut). Acest studiu a arătat eficiența ridicată de extracție a NDES selectate pentru polifenoli în condiții optimizate.

Vă rugăm să faceți clic aici pentru a afla mai multe

Introducere

Solvenții eutectici profundi naturali (NDES) sunt preparați prin amestecarea donatorilor de legături de hidrogen cu acceptori de legături de hidrogen la un raport molar adecvat [1]. Punctul de topire al unei componente ar trebui să fie mai mic decât punctul de topire al celuilalt [1]. După încălzire și amestecare, acest mediu devine lichid la temperatura camerei. Se adaugă apă pentru a stabiliza și polariza amestecul. Cercetările în domeniul extracției fitochimice folosind NDES s-au extins datorită extractabilității și solubilității lor eficiente. Cu toate acestea, mai mulți factori joacă un rol semnificativ atunci când se compară NDES cu solvenții organici, inclusiv randamentul, costul, recuperarea și toxicitatea. Cercetările anterioare au investigat NDES cu privire la extracția diferiților polifenoli din diferite matrice alimentare. De exemplu, Bubalo et al. (2016) au comparat 5 NDES, apă, 70% metanol (v/v) și 70% metanol acidulat (v/v) pentru a extrage antocianine, catechine și quercetin-3-O-glucozidă din cojile de struguri roșii. Un NDES constând din clorură de colină: acid oxalic (1:1) cu 25% apă (v/v) sa dovedit a fi cel mai eficient solvent de extracție [2]. Într-un alt studiu, Pani´c et al. (2019) au testat 8 NDES și au acidulat 70 la sută din etanol și au observat clorură de colină: acid citric (2:1) cu 30 la sută apă (v/v) ca fiind cea mai bună NDES pentru extragerea antocianilor din tescovină de struguri [3]. Strugurii muscadine (Vitis rotundifolia) sunt originari din statele din sud-est și primul struguri sălbatici cultivat în Statele Unite [4]. Strugurii de muscadine sunt produși în 12 state și însumează aproximativ 5000 de acri [5]. Există 100 de soiuri de struguri muscadine și fiecare variază în ceea ce privește caracteristicile fizice, senzoriale sau chimice [4]. Printre aceștia, Carlos este un strugure muscadin plantat pe scară largă datorită randamentelor sale mari și consistenței în creștere [4]. Strugurii Carlos muscadine sunt de mărime medie, de culoare bronz, mai gros la coajă și conține în medie patru semințe [6]. Strugurii muscadine conțin cantități semnificative depolifenolidespre care se știe că reduc inflamația [7], inhibă creșterea tumorii de prostată [8] și îmbunătățește răspunsurile metabolice ale diabeticilor [9]. Tescovină de struguri muscadină, un produs secundar al sucului de struguri muscadine sau al vinificației, constă din coji și semințe. Un studiu de cercetare anterior a folosit acetonă: apă: amestec de acid acetic (70:29.7:0.3, v/v) pentru a extrage compuși fenolici din semințele, pielea și pulpa a opt soiuri de struguri muscadine cultivați în Florida, inclusiv Carlos [10]. Cu toate acestea, utilizarea solvenților organici inflamabili și eficiența lor scăzută de extracție a împiedicat aplicațiile practice. Cea mai mare parte din tescovină de struguri muscadină este încă aruncată ca deșeu. Rețelele neuronale artificiale (ANN) este un sistem de cartografiere neliniar format din diferite unități de procesare de bază conectate prin asociații ponderate. Aceste unități de procesare sunt numite „neuroni” [11]. Rețelele neuronale artificiale sunt o abordare de învățare automată pentru a prezice sau prognoza un răspuns bazat pe intrări multiple [11]. Cercetările anterioare au aplicat metode de suprafață de răspuns (RSM) pentru optimizarea și predicția extracției. Cu toate acestea, puține studii au folosit ANN în același scop. De exemplu, Sinha et al. (2013) au sugerat că ANN are o performanță de predicție mai bună decât RSM cu privire la extracția colorantului natural din semințele de Bixa Orellana (Annatto) [12]. Într-un studiu similar, Ciric și colab. (2020) au raportat că modelul ANN a fost mai bun decât RSM pentru a prezice extracțiile de compuși fenolici din usturoi [13]. Obiectivul acestei cercetări a fost de a investiga eficiența extracției 9 NDES pentru acizi fenolici, flavonoli și flavan{17}}oli în comparație cu 75% etanol cu ​​ajutorul ultrasunetelor. ANN a fost aplicat pentru a prezice și optimiza condițiile de extracție asupra randamentului fenolic. Ipoteza a fost că NDES cu compoziții specifice extrag cantități mai mari de acizi fenolici, flavonoli și flavan-3-oli decât 75% etanol, iar cea mai mare eficiență de extracție poate fi obținută prin modelarea predictivă bazată pe ANN.

2. Materiale și Metode 2.1. Produse chimice și reactivi Clorura de colină, acidul levulinic, 1,2-propandiol, acidul DL-malic, acidul oxalic, acidul clorhidric și acidul formic au fost obținute de la Acros Organics (Morris Plains, NJ, SUA). Acid lactic, etilen glicol, glicină, acetonitril de calitate HPLC, metanol și etanol au fost achiziționate de la Fishers Scientific (Waltham, Massachusetts, SUA). L-prolina și clorhidratul de betaină au fost achiziționate de la Alfa Aesar (Ward Hill, MA, SUA). Standardele HPLC de acid elagic, acid galic, acid ferulic, (plus)-catechină, (-)-epicatechină, miricetină, quercetină și kaempferol au fost achiziționate de la Sigma Aldrich (St. Louis, MO, SUA).

2.2. Proiectarea NDESNDES #1–2 din Tabelul 1 au fost concepute în studiul nostru anterior [14]. Clorura de colină din NDES #1–2 a fost selectată ca acceptor de hidrogen, în timp ce doi donatori diferiți de hidrogen au fost selectați pentru fiecare nou NDES. Raporturile molare dintre donatorii de hidrogen și acceptorul și conținutul de apă au fost determinate în experimente preliminare. NDES #3–9 din Tabelul 1 au fost selectate din literatură, deoarece studiile anterioare le-au numit NDES eficiente în extragerea polifenolilor. Conținutul de apă din NDES #3 a fost modificat din literatura citată. Pentru pregătirea NDES a fost aplicată o metodă de încălzire [15]. Pe scurt, acceptorul de legături de hidrogen a fost amestecat cu fiecare dintre componentele donorului de legături de hidrogen în baloanele Erlenmeyer cu o bară de agitare. Amestecul din balon a fost închis și încălzit la 50 ◦C timp de aproximativ 30 min sau până când s-a format un lichid limpede și a rămas stabil la temperatura camerei. Conținutul de apă din Tabelul 1 a fost calculat în funcție de volumul final al amestecurilor NDES. pH-ul NDES enumerat în Tabelul 1 a fost măsurat folosind un pH-metru (AB15, Accumet, Fisher Scientific, Waltham, MA, SUA). 2.3. Pregătirea probei / Extracția asistată cu ultrasunete Coji și semințe de struguri muscadin (Vitis rotundifolia) congelate (cultivar: Carlos) au fost furnizate de Paulk Vineyards (Wray, Georgia, SUA). După îndepărtarea cojilor, frunzelor sau petiolelor, tescovină a fost separată în semințe și piele. Probele au fost apoi uscate folosind un cuptor cu vid (Isotemp, Model 285A, Fisher Scientific, Waltham, Massachusetts, SUA) la 60 ◦C și o presiune de vid mai mică de - 30 in.Hg. Apoi, probele au fost omogenizate într-o pulbere fină folosind o râșniță himerică (A1{{1{05}}00, RRH Inc., 2800 W, Zhejiang, China). Folosind un raport inițial solid-solvent de 1:20 (g:mL), 0,50 g fie de coajă de struguri de muscadină, fie de sămânță au fost amestecate în 10 mL NDES sau 75% etanol în trei exemplare. Probele au fost apoi plasate într-o baie de apă (60 ◦C) și sonicate (VCX 1500, Sonics & Materials Inc., 1500-Watt, 50/60 Hz, Newtown, CT, SUA) timp de 30 de minute la 100% amplitudine pentru două runde (15 min/turn). Apoi, probele au fost imediat centrifugate (Sorvall ST 8, Fisher Scientific, Suzhou, China) la 3260 g până când s-a obținut un supernatant limpede. În cele din urmă, supernatanții au fost colectați și depozitați într-un congelator de -20 ◦C pentru analiza HPLC a acizilor fenolici (acid ellagic, acid galic, acid ferulic), flavonoli (miricetină, quercetină și kaempferol) și flavan-3-oli. (catechină și epicatechină). 2.4. Analize HPLC ale acizilor fenolici, flavonolilor și flavan-3-olilor Acizii fenolici, flavonolilor și flavan-3-olilor au fost analizați pe un sistem HPLC (Agilent Technologies 1200, Waldbronn, Germania) conform metodei descrise în Sandhu și Gu (2013) [16]. Sistemul HPLC constă dintr-o pompă binară, un autosampler, un compartiment de coloană termostatat, un detector cu matrice de diode și un detector de fluorescență. Extractele din coaja de struguri sau din semințe au fost hidrolizate înainte de analizele acizilor fenolici și flavonolilor. Hidroliza a fost efectuată prin amestecarea a 1 ml de extract cu 4 ml de soluție de hidroliză (1,2 M HCI care conține 50 la sută metanol) și plasat într-o baie de apă (Precision, Model 2837, 400 W, 50/60 Hz, Thermo Scientific, Marietta). , OH, SUA) la 90 °C timp de 80 min. Apoi, probele au fost răcite la 25 ◦ C urmate de sonicare timp de 5 minute. Hidroliza extractului nu a fost necesară pentru analiza catechinei și epicatechinei. Extractele hidrolizate și nehidrolizate au fost filtrate printr-o membrană de politetrafluoretilenă (PTFE) de 0,45 μm înainte de analizele HPLC. Pentru analiza acidului elagic, acid galic, acid ferulic, miricetină, quercetină, kaempferol, catechină și epicatechină, 10 µL au fost injectați într-o coloană SB-C18 (4,6 × 250 mm, 5 µm, Zorbax, Agilent, Santa Clara, CA, STATELE UNITE ALE AMERICII). Fazele mobile au fost (A) 0,5% acid formic și (B) 100% acetonitril. Debitul a fost de 1 ml/min cu gradient modificat de 25 min după cum urmează: 0–5 min, 10–30 la sută B; 5–10 min, 30–40 la sută B; 10–20 min, 40–50 la sută B; 20–25 min, 50–10 la sută B; urmată de 5 min de echilibrare. Temperatura coloanei a fost setată la 30 ◦C. Lungimea de undă de detecție a fost de 260 nm pentru acid elagic, acid galic și acid ferulic și 360 nm pentru miricetină, quercetină și kaempferol pe un detector cu matrice de fotodiode. Excitația și emisia pentru catechină și epicatechină au fost de 230 nm, respectiv 321 nm, folosind un detector de fluorescență. Compușii polifenoli au fost cuantificați folosind curbele standard de acid elagic, acid galic, acid ferulic, miricetină, quercetină, kaempferol, catechină și epicatechină. Toate curbele standard au avut 7 puncte și R2 > 0,99. 2.5. Design personalizat pentru rețele neuronale artificiale Patru variabile de extracție independente cu patru niveluri: conținut de apă (15–60 la sută), timpul de ultrasonare (5–35 min), raport solid-solvent (1:5–1:20) și extracție temperatura (30–60 ◦C) (Tabelul S1) au fost aplicate pentru a optimiza randamentul de extracție a acizilor fenolici, flavonoli și flavan{122}}. Spre deosebire de modelele clasice, cum ar fi proiectarea suprafeței de răspuns, proiectarea bazată pe ANN nu necesită rulări repetate și preferă o structură de date diferită. În studiul nostru anterior [14], ANN a fost o metodă mai fiabilă pentru prezicerea randamentului de extracție decât RSM. Prin urmare, ANN a fost selectat în acest studiu pentru a prezice randamentul de extracție a acidului elagic, catechinei și epicatechinei. Un design personalizat cu 40 de executări (Tabelul S2) a fost generat pe JMP Pro (Versiunea 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, SUA) pentru a furniza date în mod specific pentru modelarea predictivă ANN. Randomizarea celor 40 de rulări a fost aplicată pentru a elimina orice părtinire. Ecuația principală a ANN este prezentată după cum urmează:=∑jj{=1 wh jpg plus bhk, k=1toK (1) unde h este numărul de neuroni din stratul ascuns, j și k sunt numărul de variabile de intrare și respectiv de neuroni ascunși, p este variabila de intrare, bh este părtinirea stratului ascuns și wh este greutatea stratului ascuns. Randamentele de extracție ale acidului elagic, catechinei și epicatechinei în raport cu cele patru variabile independente au fost analizate utilizând ANN prin antrenarea datelor mai întâi și apoi alegând cel mai bun tip de activare și un număr de neuroni care are ca rezultat o potrivire adecvată a datelor. Pentru a evalua succesul modelelor de predicție, au fost evaluate trei valori: R-pătrat, rădăcina pătrată a erorii medii pătrate de predicție (RASE) (ecuația (2)) și eroarea medie absolută (AAE). RASE este RASE=̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ SSE/n √ (2) Unde SSE donează pentru pătrat și însumează erorile de predicție (diferențele dintre răspunsurile reale și răspunsurile prezise) și n pentru un număr de observații. R-pătratul aproape de 1 cu RASE și AAE aproape de zero înseamnă o potrivire mai mare a datelor în model. 2.6. Statistici Randamentele de extracție de acizi fenolici, flavonoli și flavan{142}}oli au fost comparate cu ANOVA unidirecțională urmată de testul t Student la p Mai mic sau egal cu 0,05 utilizând JMP Pro (Versiunea 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, SUA). Fiecare nde și 75 la sută etanol au fost comparate utilizând testele lui Dunnett la p Mai mic sau egal cu 0,05. Analiza componentelor de principiu (PCA) a fost efectuată pe JMP Pro (Versiunea 14.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, SUA) pentru compușii fenolici extrași din coaja și sămânța strugurilor de muscadină. 3. Rezultate și discuții 3.1. Polifenoli extrași prin NDES din cojile de struguri muscadin Nouă NDES și 75% etanol au fost utilizați pentru extracția polifenolilor din cojile strugurilor muscadin. Tabelul 2 arată randamentul extracției de acid elagic, acid galic, acid ferulic, miricetină, quercetină, kaempferol, catechină și epicatechină. Acidul elagic a fost cel mai abundent polifenol extractabil în coaja strugurilor, urmat de acidul galic și, respectiv, acidul ferulic. Această constatare a fost în concordanță cu studiile anterioare [17,18]. NDES #1, #8, #7, #3, #2 și #9 au extras cantități semnificativ mai mari de acid elagic din pielea strugurilor decât 75% etanol. Cel mai mare randament de extracție de acid elagic a fost obținut de NDES #1 urmat de NDES #8 la 22,1 ± 2,2 mg/g și, respectiv, 21,3 ± 2,5 mg/g (Tabelul 2). Cu toate acestea, nu a existat nicio diferență semnificativă între NDES #1 și NDES #8 conform testului t al lui Student. Interesant este că NDES #1 s-a dovedit a fi cel mai puțin eficient NDES pentru extragerea antocianilor din

tescovină de merișor [14]. Acest lucru a sugerat că NDES #1 poate extrage în mod selectiv acidul elagic sau elagitaninele din matricea alimentară care conține și antocianidine. O astfel de selectivitate poate fi atribuită diferențelor în interacțiunile moleculare dintre NDES și clasele fenolice specifice. Figura S1 (panoul A) prezintă cromatograma HPLC a acidului galic, acidului elagic și acidului ferulic extrase din coaja strugurilor prin NDES #1 și detectate la 260 nm. Etanolul de 75 la sută a extras 12,7 ± 1,2 mg de acid elagic per gram de coajă de struguri. Cel mai scăzut randament de extracție de acid elagic a fost observat în NDES #4 la 7,44 ± 0,6 mg/g. Randamentul de extracție a acidului galic prin NDES #9, #8, #1, #4, #7 și #3 a fost comparabil și semnificativ mai mare decât 75% etanol. Cea mai mare cantitate de acid galic a fost extrasă de NDES #9 la 10,4 ± 0,5 mg/g, în timp ce cea mai mică cantitate de 5,55 ± {{4{0}} .1 mg/g a fost extras prin NDES #5. Cea mai mare cantitate de acid ferulic a fost extrasă de NDES #1 la 6,32 ± 0,7 mg/g, iar cea mai mică cantitate a fost extrasă de NDES #5 la 3,11 ± 0.{{5{{52 }}}} mg/g. În plus, nu a existat nicio diferență semnificativă între NDES #1 și etanolul de 75% în extragerea acidului ferulic (Tabelul 2). Cea mai mare cantitate de catechină și epicatechină au fost extrase de NDES #3 la 0,61 ± 0,1 mg/g și 0,89 ± 0,1 mg/ g, respectiv (Tabelul 2). Între timp, NDES #3 și #6 au extras cantități semnificativ mai mari de epicatechină decât 75% etanol. Figura S2 (panoul A) prezintă cromatograma HPLC a catechinei și epicatechinei extrase prin NDES #3 din coaja strugurilor. Cu toate acestea, catechina nu a fost detectată în extractul cu etanol de 75%. Cele mai mici cantități de catechină (0.{02 mg/g) și epicatechină ({{9{0}},14 mg/g) au fost extrase de NDES #2 și NDES # 5, respectiv. Miricetina a fost cel mai abundent flavonol, iar kaempferolul a fost cel mai puțin. Testul lui Dunnett a arătat că NDE și 75% etanol au fost comparabile în extracția miricetinei, quercetinei și kaempferolului (Tabelul 2). Cea mai mare cantitate de miricetină a fost extrasă de NDES #1 (1,84 mg/g), urmată de 75% etanol (1,73 mg/g) și apoi NDES #8 (1,67 mg/g). Cea mai mare cantitate de quercetină a fost extrasă cu 75% etanol (0,41 mg/g), NDES #1 (0,4{0 mg/g) și NDES #8 (0,40 mg/g) {143}}.38 mg/g). În schimb, cele mai mici cantități de miricetină și quercetină au fost extrase de NDES #5 la 0,87 mg/g și, respectiv, 0,27 mg/g. Această constatare subliniază și mai mult capacitatea generală slabă a NDES #5 de a extrage polifenoli din coaja strugurilor. Cea mai mare cantitate de kaempferol a fost extrasă cu 75% etanol (0.{{05 mg/g), iar cea mai mică a fost extrasă prin NDES #5 și NDES#6 (0,03 mg/g). Figura S1 (panoul B) prezintă cromatograma HPLC a miricetinei, quercetinei și kaempferolului extrase din pielea strugurilor prin NDES #1 detectată la 360 nm. Cea mai mare cantitate de acizi fenolici, flavonoli și flavan{103}} ol a fost de 40,7 mg/g extras cu NDES #1, urmat de 39,8 mg/g extras cu NDES #8, în timp ce cea mai mică sumă a fost de 18,4 mg/g extras de NDES #5 (Tabelul 2). pH-ul NDES a variat între 0,3 și 3,3 (Tabelul 1). Corelația Rspătrat între pH-ul NDE și randamentele de acizi fenolici, flavonoli și flavan{119}}oli au fost enumerate în Tabelul 2. Lipsa corelației dintre pH și randamentele de extracție a sugerat că pH-ul nu a afectat eficiența extracției. 3.2. Polifenoli extrași prin NDES din semințele de struguri de muscadină Randamentele generale de extracție de acizi fenolici, flavonoli și flavan{123}}oli din sâmburi de struguri au fost considerabil mai mici decât cele din coajă (Tabelul 3). Cei mai abundenți polifenoli extractibili din semințe au fost catechina și epicatechina, în timp ce kaempferolul nu a fost detectat. Matricea complexă de semințe care conține ulei (13 procente, g/g bază uscată) este o posibilă explicație a extractabilității scăzute a compușilor fenolici din semințele de struguri [19]. Cea mai mare cantitate de catechină a fost extrasă de NDES #3 la 2,77 mg/g (Tabelul 3). Acest randament a fost semnificativ mai mare decât toate celelalte NDES și 75% etanol. Figura S2 (panoul B) prezintă cromatograma HPLC a catechinei și epicatechinei extrase prin NDES #3 din semințele de struguri. Cea mai mică cantitate de catechină a fost extrasă de NDES #5 la 0,30 mg/g. Toate NDES, cu excepția NDES #1, #2 și #9, au extras cantități semnificativ mai mari de epicatechină decât 75% etanol (Tabelul 3). Cele mai mari concentrații de epicatechină au fost extrase de NDES #4 (0,71 mg/g) și NDES #5 (0,68 mg/g), în timp ce cele mai scăzute au fost extrase cu 75% etanol (0,11 mg/g). Acidul galic a fost cel mai abundent acid fenolic extractibil din semințele de struguri, urmat de acidul ferulic și, respectiv, acidul elagic. Cea mai mare cantitate de acid galic a fost extrasă de NDES #4 la 0,45 mg/g, urmată de NDES #9 și NDES #8. Aceste NDE au extras cantități semnificativ mai mari de acid galic decât 75% etanol. Cea mai mică cantitate de acid galic (0,2 mg/g) a fost extrasă prin NDES #3. Cea mai mare extracție

randamentul acidului elagic a fost obținut prin NDES #9 (0,26 mg/g) urmat de NDES #6 (0,17 mg/g), care au fost semnificativ mai mari decât 75% etanol. În mod similar, NDE #3 a extras cea mai mică cantitate de acid elagic la 0.05 mg/g. În plus, NDES #6, #7 și #3 au extras cantități semnificativ mai mari de acid ferulic decât 75% etanol. Cel mai mic randament de extracție cu acid ferulic a fost de 0,5 mg/g prin NDES #5. În plus, acidul ferulic nu a fost detectat în extractul NDES #9. Acest lucru a fost probabil pentru că solubilitatea acidului ferulic a fost mai mică în NDES #9 decât în ​​alte NDE. Cel mai mare extract de miricetină a fost obținut cu 75% etanol și NDES #7 la 0,18 mg/g, care au fost mai mari decât toate NDE-urile. Cel mai mare randament de extracție a quercetinei a fost de NDES #6 (0,14 mg/g) și NDES #3 (0,13 mg/g) și ambele NDES au fost mai bune decât 75% etanol. În mod similar, pH-ul NDES nu a influențat randamentul de extracție, așa cum este indicat de corelația scăzută (R-pătrat) dintre pH-ul NDE și randamentele de acizi fenolici, flavonoli și flavan{31}}oli enumerate în tabelul 3. 3.3. . Analiza componentelor principale (PCA) a fost efectuată pentru a asocia randamentul de extracție a diferiților compuși fenolici din coaja și semințele de struguri cu NDE și 75% etanol (Fig. 1). ACP a fost efectuată pe o matrice de corelație pentru a detecta o posibilă selectivitate a unor NDE față de extragerea unor compuși sau grupări fenolice specifice. Aproximativ 85% din varianța datelor cutanate a fost explicată de componentele principale 1 și 2. Graficul de încărcare (Fig. 1B) arată o corelație ridicată între acizii fenolici (acid ellagic, acid galic, acid ferulic) și flavonoli (miricetină, quercetină, și kaempferol). Pentru a extrage aceste grupuri, cei mai buni solvenți sunt NDES #1, #8, #7 și 75% etanol, așa cum se arată în graficul scorului (Fig. 1A). Între timp, catechina și epicatechina au apărut separate de restul grupelor fenolice. Așa cum se arată în Fig. 1A, NDES #3 a fost selectiv pentru a extrage catechina și epicatechina din cojile de struguri. Aceasta a fost o observație interesantă deoarece NDES#3 a fost printre cele mai puțin eficiente NDES pentru a extrage proantocianidine, care sunt oligomeri și polimeri ai catechinei și epicatechinei [14]. Acest lucru a sugerat că NDES #3 poate fi selectiv pentru proantocianidine de dimensiuni moleculare mai mici. Agruparea compușilor fenolici pe diagrama de încărcare a pielii (Fig. 1B) a fost diferită de sămânță (Fig. 1D), indiferent de randamentele scăzute ale acestor compuși în semințele de struguri. Prima și a doua componentă principală au explicat aproximativ 73 la sută din variația datelor despre semințe. Quercetina, miricetina și acidul ferulic au fost extrase mai eficient prin NDES #6, #7 și 75% etanol, așa cum se arată în graficul de scor (Fig. 1C). Acidul elagic și acidul galic au fost extrase mai eficient prin NDES #9. Încă o dată, catechina a fost extrasă cu cea mai mare eficiență de către NDES #3, care a fost similară cu cea observată cu cojile de struguri. Epicatechina a fost extrasă cu o eficiență mai mare prin NDES #5, #4 și NDES #8.

3.4. Optimizarea extracției acizilor fenolici și a flavonolilor din cojile de struguri muscadină și modelarea predicției ANN Clorura de colină: acid levulinic: etilenglicol 1:1:2 (NDES #1) a arătat cel mai mare randament de extracție pentru acid elagic și, prin urmare, a fost ales pentru optimizare ulterioară și predictie. Impactul a patru factori, inclusiv conținutul de apă, timpul de ultrasunete, raportul solid-solvent și temperatura de extracție au fost evaluate pentru extracția acizilor fenolici și a flavonolilor. În plus, au fost aplicate patru niveluri pentru fiecare factor de extracție într-un total de 40 execuții aleatorii. Randamentul de extracție experimental de acid elagic, acid galic, acid ferulic, miricetină și quercetină, împreună cu suma acestor cinci, sunt prezentate în Tabelul 4. În general, intervalul de diferență de randament de extracție între cel mai scăzut și cel mai mare a fost relativ mare pentru acizi fenolici. De exemplu, cel mai mic randament pentru acid elagic a fost de 9,03 mg/g (execuția nr. 17), iar cel mai mare a fost de 25,3 mg/g (execuția nr. 15), ceea ce a dus la o diferență de 16,2 mg/g (run #17). În plus, cea mai mică sumă de producție a fost de 20,7 mg/g, iar cea mai mare a fost de 71,5 mg/g. Aceasta ilustrează impactul semnificativ al diferitelor niveluri ale fiecărui factor de extracție asupra randamentului extracției. Run #15 a extras cea mai mare cantitate de acid elagic. Condiția de extracție a seriei #15 a fost de 45 ml/10{{130}} ml conținut de apă, 25 de minute de ultrasunete, raport solid-solvent de 1:10 (g: ml) , iar temperatura de extracție de 60 ◦C. Figura S3 prezintă cromatograma HPLC a acizilor fenolici optimizați extrași din coaja strugurilor prin NDES #1 (execuția #15 în Tabelul 4). Cel mai mare acid galic (18,7 mg/g) a fost obținut utilizând condițiile de extracție din runda #24 și cel mai scăzut a fost 6,63 mg/g utilizând seria #40. Pentru acidul ferulic, runda #22 a extras cea mai mare cantitate la 19,2 mg/g, în timp ce nu a fost detectat nici un acid ferulic în ciclurile #14, #17, #29 și #34. Execuția #22 a fost extrasă cu 60 ml/100 ml conținut de apă, 5 minute de ultrasunete, 1:5 pentru raportul solid-solvent și o temperatură de extracție de 60 ◦C. Runda #2 a extras cea mai mare miricetină (10,1 mg/g) și quercetină (1,87 mg/g). Condițiile de extracție din runda #2 au fost 60 ml/100 ml conținut de apă, 35 de minute de ultrasunete, 1:20 pentru raportul solid-solvent și temperatura de extracție de 60 ◦C. Cel mai mic randament sigur (3,79 mg/g) a fost extras prin run#40. Diagramele de contur din Fig. 2 demonstrează efectul parametrilor de extracție (X1, X2, X3 și X4) asupra randamentului estimat de acid elagic extras prin NDES #1 din coaja strugurilor. Randamentele estimate de acid elagic din Tabelul 4 au fost utilizate pentru a construi aceste diagrame de numărare. Fiecare panou ilustrează impactul a 2 parametri de extracție. Liniile de contur sunt etichetate cu randamentul de acid elagic (mg/g). Conținutul optim de apă estimat a fost de aproximativ 35–45 ml/100 ml NDES, așa cum se arată în Fig. 2B și 2C. Timpul mai lung de ultrasunere a crescut randamentul acidului elagic (Fig. 2D și 2E), indicând un rol critic al sonicării în extracția NDES. În timpul extracției, amestecarea cojilor sau semințelor de struguri cu NDES a introdus particule și gaz, care au adăugat locuri de cavitație acustică pentru ultrasunete pentru a genera numeroase bule mici în NDES. Implozia acestor bule a condus la temperatură extremă, diferență de presiune, forță de forfecare mare, macro-turbulențe și micro-amestecare, care au agitat efectiv NDES pentru a accelera difuzia și transferul de masă. Când bulele de cavitație au explodat pe suprafața semințelor de struguri sau a particulelor de piele, micro-jeturile rezultate și coliziunile dintre particule au dus la decojirea suprafeței, eroziunea, descompunerea particulelor, sonoporația și distrugerea celulelor [20]. Toate aceste efecte mecanice ale cavitației induse de ultrasunete au intensificat pătrunderea NDE în interiorul celulei, astfel încât fenolicii intercelulari din matricea alimentară au fost transferați în solvenți. Raportul optim solid-solvent a fost 1:10, așa cum este indicat în Fig. 2B, 2D și 2F. În cele din urmă, temperaturile de extracție mai ridicate de până la 60 ◦ C par să aibă un efect pozitiv asupra extractabilității acidului elagic, așa cum se arată în Fig. 2C, 2E și 2F. Acest lucru sugerează o relație directă între temperatura de extracție și randamentul de acid elagic extras din coaja strugurilor. Randamentele de extracție a acidului elagic (Tabelul 4) au fost analizate pentru modelarea predicției folosind rețele neuronale artificiale. Datele experimentale au fost împărțite aleatoriu într-un set de antrenament și un set de validare. Motivul includerii unui set de validare de către software-ul statistic este acela de a suprima supraadaptarea. Pentru a prezice randamentul acidului elagic (Y), au fost evaluați aceiași patru factori de extracție independenți (X1, X2, X3 și X4), 1-2 straturi ascunse cu un număr diferit de neuroni și trei funcții de activare. Funcțiile de activare aplicate au fost tangente hiperbolice, liniare și gaussiene. Apoi, seturile de date au fost antrenate până când a fost atinsă o valoare R-pătrat mare atât pentru antrenament, cât și pentru validare. Au fost generate datele de predicție și un model. Cea mai bună structură ANN a fost aleasă prin analiza celor patru intrări (X1, X2, X3 și X4) cu un strat ascuns folosind funcția Gaussiană cu zece neuroni (Figura S5). R-pătratul seturilor de antrenament și validare a fost 0,99, în timp ce RASE și AAE ale modelului au fost 0,062 și, respectiv, 0,044. R-pătratul validării ANN a acidului elagic în acest studiu (0,99) a fost mai mare decât validarea ANN pentru procianidine (0,95) și antocianine (0,91) într-un studiu anterior [14]. Cu toate acestea, această creștere a R2 poate fi atribuită modelului de potrivire mai bine generat a datelor din acest studiu, care s-ar putea datora erorilor experimentale mai mici. Modelele predictive ANN pentru extracția acidului elagic folosind NDES #1 au fost prezentate ca ecuația 3-13:

Cistanche pentru îmbunătățirea imunității

Concluzie

Descoperirile actuale au prezentat dovezi suplimentare cu privire la eficacitatea abilităților NDES de a extrage polifenoli din subprodusele din industria alimentară. Rezultatele au susținut ipoteza unei extracție superioară asistată de ultrasunete a NDES peste 75% etanol. NDES a extras în mod eficient trei acizi fenolici, doi flavonoli și trei flavan-3-oli din coaja și semințe de struguri. NDES #1 a fost cea mai eficientă NDES pentru extragerea acidului elagic, în timp ce NDES #3 a fost deosebit de selectivă față de extragerea catechinei și epicatechinei. Un dezavantaj notabil al NDES este vâscozitatea lor ridicată, care prezintă provocări în timpul manipulării și recuperării. În studiul de față, rețelele neuronale artificiale, indiferent de limitările sale de rezultat, au demonstrat o abordare practică pentru modelarea predictivă. NDE-urile sunt medii robuste pentru recuperarea substanțelor fitochimice din sistemele alimentare. Unele NDE prezintă, de asemenea, un solvent mai puțin toxic pentru a studia aceste substanțe fitochimice în celulele vii [21,22]. În cele din urmă, solvenții eutectici naturali de adâncime sunt medii de extracție alternative eficiente la solvenții organici.

Referințe

[1] W. Bi, M. Tian, ​​KH Row, Evaluarea solventului eutectic profund pe bază de alcool în extracția și determinareaflavonoidecu optimizarea metodologiei suprafeței de răspuns, J. Chromatogr. A 1285 (2013) 22–30, https://doi.org/10.1016/j. croma.2013.02.041.
[2] M. Cvjetko Bubalo, N. ´Curko, M. Tomaˇsevi´c, K. Kovaˇcevi´c Ghani's, I. Radojˇci´c Redovnikovi´c, Extracția verde a substanțelor fenolice din piele de struguri prin utilizarea solvenților eutectici profund, 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, Tehnologii posibile pentru extracția antocianilor din tescovină de struguri folosind solvenți eutectici profundi naturali în loturi de până la jumătate de litru extracția antocianilor din tescovină de struguri folosind 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 (accesat 18 ianuarie 2021). [5] Cline, B. și C. Fisk, Privire de ansamblu asupra suprafeței, soiurilor și zonelor de producție din sud-estul SUA. Atelier de struguri Muscadine pentru agenții cooperativi de extindere, în Consorțiul de fructe mici din regiunea de sud. 2006: Consorțiul de fructe mici din regiunea de sud.
[6] PC Andersen A. Sarkhosh D. Huff J. Breman 2020 6 10.32473/edis-hs100-2020.
[7] P. Greenspan, et al., Proprietăți antiinflamatorii ale strugurilor muscadine (Vitis rotundifolia), J. Agric. Alimente. Chim. 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, extractul de piele de struguri Muscadine inhibă celulele cancerului de prostată prin inducerea opririi ciclului celular și scăderea migrației prin proteina șoc termic 40, Heliyon 5 (1) (2019) e01128, https://doi .org/10.1016/j.heliyon.2019.e01128.