DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89412-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930020
تاريخ النشر: 2025-02-11
المؤلف: Bo Mao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب البوليسكاريد وتطبيقاته
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخراج البوليسكاريدات من قشر قصب السكر (SPP) بمساعدة الموجات فوق الصوتية وتحسين عملية الاستخراج لتعزيز خصائصها وأنشطتها المضادة للأكسدة. تستخدم الدراسة تجارب أحادية الاتجاه وتحليل سطح الاستجابة لتقييم تأثيرات معلمات مختلفة، بما في ذلك نسبة السائل إلى المادة، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية، ومدة الموجات فوق الصوتية، وجرعة السليلوز. كانت ظروف الاستخراج المثلى التي تم تحديدها هي نسبة سائل إلى مادة تبلغ 40 مل/غ، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية تبلغ 50 درجة مئوية، ومدة موجات فوق صوتية تبلغ 40 دقيقة، وجرعة سليلوز تبلغ 5%، مما أدى إلى عائد SPP قدره 5.38% ومحتوى إجمالي من السكر قدره 75.52%.
كشفت التحليلات الهيكلية من خلال FT-IR وNMR عن وجود حلقة بيران وكمية ضئيلة من حلقة فيران في SPP المستخرج. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تقييمات النشاط المضاد للأكسدة أن SPP أظهر معدلات تخلص قدرها 54.63% لجذور DPPH و33.91% لجذور الهيدروكسيل عند تركيز 4 ملغ/مل. تؤسس هذه الدراسة أساسًا نظريًا للاستخراج الفعال لبوليسكاريدات قشر قصب السكر ذات الخصائص المضادة للأكسدة، مما يبرز تطبيقاتها المحتملة. يُقترح إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف طرق استخراج بديلة والتركيز على تنقية وتعديل SPP المستخرج وظيفيًا لزيادة القيمة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام قصب السكر الأسود المستخرج من مقاطعة قويتشو جنبًا إلى جنب مع مواد كيميائية متنوعة، بما في ذلك الجلوكوز والسليلوز والعديد من الأحماض، جميعها تم الحصول عليها من شركة تشوان دونغ الكيميائية المحدودة. كانت الدراسة تهدف إلى تحسين عملية استخراج المركبات الفينولية القابلة للذوبان (SPP) من قصب السكر باستخدام نهج منهجي.
لتحقيق ذلك، تم تنفيذ تصميم تجريبي لسطح الاستجابة، مع التركيز على ثلاثة عوامل رئيسية: نسبة السائل إلى المادة (A)، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية (B)، وجرعة السليلوز (C). تم إبلاغ هذا التصميم من خلال اختبارات أحادية العامل الأولية وشمل منهجية سطح استجابة ثلاثية العوامل وثلاثة مستويات. كان عائد SPP هو المؤشر الرئيسي لتقييم كفاءة الاستخراج. تم تقديم مستويات ومعلمات مفصلة لاختبار سطح الاستجابة في الجدول 1 من الورقة.
النتائج
كشفت نتائج الدراسة، باستخدام طريقة Box-Behnken عبر برنامج Design-Expert 13، عن نموذج انحدار كبير لعائد بوليسكاريدات قشر قصب السكر (SPP) بناءً على ثلاثة عوامل: نسبة السائل إلى المادة (A)، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية (B)، وجرعة السليلوز (C). تم صياغة معادلة الانحدار على النحو التالي:
\[
Y = -21.91850 + 0.572450A + 0.186250B + 4.46500C – 0.000250AB – 0.000500AC + 0.000500BC – 0.006865A^2 – 0.001765B^2 – 0.451500C^2
\]
أظهر النموذج درجة عالية من الملاءمة مع قيمة P < 0.0001، وR² قدره 0.9981، وR² معدل قدره 0.9956. كانت العوامل المهمة التي تؤثر على عائد SPP تشمل نسبة السائل إلى المادة وجرعة السليلوز، حيث كانت نسبة السائل إلى المادة لها التأثير الأكبر. تم تحديد ظروف الاستخراج المثلى كنسبة سائل إلى مادة تبلغ 40 مل/غ، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية تبلغ 50 درجة مئوية، وجرعة سليلوز تبلغ 5%، مما أدى إلى استخراج SPP قدره 5.38%، مما يتماشى بشكل وثيق مع العائد المتوقع البالغ 5.46%. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس المحتوى الإجمالي للسكر في البوليسكاريدات المستخرجة عند 75.52%، مع معادلة انحدار خطية لمنحنى الجلوكوز القياسي yielding R² قدره 0.9995. أظهرت المقارنات مع دراسات أخرى أن استخراج الإنزيم بمساعدة الموجات فوق الصوتية لم يحقق فقط عوائد أعلى ولكن أيضًا زاد من محتوى السكر مقارنة بطرق الاستخراج التقليدية، مما يبرز كفاءته وفعاليته في استخراج البوليسكاريدات.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استخراج بوليسكاريدات قشر قصب السكر (SPP) باستخدام طريقة إنزيمية بمساعدة الموجات فوق الصوتية، مع تحسين ظروف الاستخراج من خلال نهج سطح الاستجابة. كانت المعلمات المثلى المحددة هي نسبة سائل إلى مادة تبلغ 40 مل/غ، ودرجة حرارة الموجات فوق الصوتية تبلغ 50 درجة مئوية، ومدة موجات فوق صوتية تبلغ 40 دقيقة، وجرعة سليلوز تبلغ 5%. تحت هذه الظروف، بلغ عائد SPP 5.38%، مع محتوى إجمالي من السكر قدره 75.52%. أشارت التحليلات الهيكلية عبر FT-IR وNMR إلى أن البوليسكاريدات المستخرجة تتكون أساسًا من هياكل بيرانو مع وجود ضئيل من الفيرانو.
تم تقييم النشاط المضاد للأكسدة لـ SPP من خلال اختبارات تخلص DPPH وجذور الهيدروكسيل، مما كشف أن SPP أظهر بعض القدرة المضادة للأكسدة، على الرغم من أنها كانت أقل من تلك الخاصة بالتحكم الإيجابي، حمض الأسكوربيك (Vc). بشكل محدد، عند تركيز 4 ملغ/مل، أظهر SPP معدل تخلص من DPPH قدره 54.63% ومعدل تخلص من جذور الهيدروكسيل قدره 33.91%. تشير هذه النتائج إلى أنه بينما يمتلك SPP إمكانات كمضاد أكسدة طبيعي، فإن المزيد من الأبحاث ضرورية لاستكشاف طرق استخراج بديلة وتعزيز تنقية وتعديل SPP وظيفيًا لزيادة فائدته.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89412-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930020
Publication Date: 2025-02-11
Author(s): Bo Mao et al.
Primary Topic: Polysaccharides Composition and Applications
Overview
This research investigates the ultrasound-assisted enzymatic extraction of polysaccharides from sugarcane peel (SPP) and optimizes the extraction process to enhance their properties and antioxidant activities. The study employs one-way experiments and response surface analysis to evaluate the effects of various parameters, including liquid-material ratio, ultrasonic temperature, ultrasonic time, and cellulase dosage. The optimal extraction conditions identified were a liquid-material ratio of 40 mL/g, an ultrasound temperature of 50 °C, an ultrasound duration of 40 minutes, and a cellulase dosage of 5%, resulting in an SPP yield of 5.38% and a total sugar content of 75.52%.
Structural characterization through FT-IR and NMR analyses revealed the presence of a pyran ring and a trace amount of a furan ring in the extracted SPP. Additionally, antioxidant activity assessments demonstrated that the SPP exhibited scavenging rates of 54.63% for DPPH radicals and 33.91% for hydroxyl radicals at a concentration of 4 mg/mL. This study establishes a theoretical foundation for the effective extraction of sugarcane peel polysaccharides with antioxidant properties, highlighting their potential applications. Future research is suggested to explore alternative extraction methods and to focus on the purification and functional modification of the extracted SPP for enhanced value.
Methods
In this study, black sugarcane sourced from Guangxi Province was utilized alongside various chemicals, including glucose, cellulase, and several acids, all procured from Chuan Dong Chemical Co., Ltd. The research aimed to optimize the extraction process of soluble phenolic compounds (SPP) from the sugarcane using a systematic approach.
To achieve this, a response surface experimental design was implemented, focusing on three key factors: the liquid-material ratio (A), ultrasonic temperature (B), and cellulase dosage (C). This design was informed by preliminary single-factor tests and involved a three-factor, three-level response surface methodology. The yield of SPP served as the primary assessment index for evaluating the extraction efficiency. Detailed levels and parameters for the response surface test are provided in Table 1 of the paper.
Results
The results of the study, utilizing the Box-Behnken method via Design-Expert 13 software, revealed a significant regression model for the yield of sugarcane peel polysaccharides (SPP) based on three factors: liquid-material ratio (A), ultrasonic temperature (B), and cellulase dosage (C). The regression equation was formulated as:
\[
Y = -21.91850 + 0.572450A + 0.186250B + 4.46500C – 0.000250AB – 0.000500AC + 0.000500BC – 0.006865A^2 – 0.001765B^2 – 0.451500C^2
\]
The model demonstrated a high degree of fit with a P-value < 0.0001, an R² of 0.9981, and an adjusted R² of 0.9956. Significant factors influencing SPP yield included the liquid-material ratio and cellulase dosage, with the liquid-material ratio exerting the most substantial effect. Optimal extraction conditions were identified as a liquid-material ratio of 40 mL/g, ultrasonic temperature of 50 °C, and cellulase dosage of 5%, yielding an SPP extraction of 5.38%, closely aligning with the predicted yield of 5.46%. Additionally, the total sugar content of the extracted polysaccharides was measured at 75.52%, with a linear regression equation for the glucose standard curve yielding an R² of 0.9995. Comparisons with other studies indicated that ultrasound-assisted enzyme extraction not only achieved higher yields but also enhanced sugar content relative to traditional extraction methods, underscoring its efficiency and effectiveness in polysaccharide extraction.
Discussion
In this study, sugarcane peel polysaccharides (SPP) were extracted using an ultrasonic-assisted enzymatic method, optimizing the extraction conditions through a response surface approach. The ideal parameters identified were a liquid-material ratio of 40 mL/g, an ultrasound temperature of 50 °C, an ultrasound time of 40 minutes, and a cellulase dosage of 5%. Under these conditions, the yield of SPP reached 5.38%, with a total sugar content of 75.52%. Structural characterization via FT-IR and NMR analyses indicated that the extracted polysaccharides primarily consist of pyranose structures with a minor presence of furanose.
The antioxidant activity of SPP was assessed through DPPH and hydroxyl radical scavenging assays, revealing that SPP exhibited some antioxidant capacity, albeit lower than that of the positive control, ascorbic acid (Vc). Specifically, at a concentration of 4 mg/mL, SPP demonstrated a DPPH scavenging rate of 54.63% and a hydroxyl radical scavenging rate of 33.91%. These findings suggest that while SPP has potential as a natural antioxidant, further research is necessary to explore alternative extraction methods and enhance the purification and functional modification of SPP for greater utility.