低共熔溶剂（DES）物理化学性质对库尔提克籽酚类化合物提取率的影响研究

本文系统研究了六种低共熔溶剂（DES）的物理化学性质（粘度、pH、白利度%、折射率）对库尔提克籽（Cucumis melo L.）酚类化合物提取率的影响。结果表明，醇基DES（如氯化胆碱:乙二醇）凭借其较低的粘度、适宜的pH范围（3-5）及较高的白利度%，实现了最高提取率（161.5 mg GAE 100 g?1），显著优于传统有机溶剂（如乙醇138.7 mg GAE 100 g?1）。研究证实DES的组成成分直接影响其理化特性，进而调控提取效率，为绿色化学（Green Chemistry）在植物活性成分提取领域的应用提供了重要理论依据和实践潜力。

　　

引言

甜瓜富含纤维和营养物质，其种子因丰富的营养成分而具有商业价值。库尔提克（Kultik）甜瓜是甜瓜的一个品种，属于葫芦科（Cucurbitaceae）黄瓜属（Cucumis melo L.），其独特之处在于其刺鼻的气味和未去皮的种子。传统溶剂的使用对环境有害，包括空气污染、温室气体形成、臭氧层消耗以及水和土壤污染，其产生的废物对人类健康具有毒性作用。绿色化学（Green Chemistry）旨在寻找替代有害化学品的替代品，以减少甚至完全消除化学废物。低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）作为一类绿色溶剂，因其低生产成本、生物降解性和无毒性作用而显示出广阔的应用前景。DESs是两种或多种纯化合物的混合物，其共晶点温度低于理想液体混合物的温度，氢键的形成是其熔点降低的主要原因。DESs可根据其组成分为五类，本研究旨在评估DESs作为传统溶剂替代品，从库尔提克籽中提取酚类化合物的潜力。

材料与方法

研究所用库尔提克果实于2022年收获于土耳其通杰利省。种子在穆祖尔大学食品工程实验室取出，并在20°C黑暗条件下干燥5天。至少500克种子被称重并在家用研磨机中粉碎成粉末用于分析。

研究使用了六种DES，其氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）分别为氯化锌:乙二醇（DES-1）、氯化胆碱:乙二醇（DES-2）、氯化锌:乳酸（DES-3）、葡萄糖:乳酸（DES-4）、山梨糖醇:乙二醇（DES-5）和山梨糖醇:乳酸（DES-6），摩尔比均为1:4。DES的制备方法参照Dai等人，将相应组分在烧杯中混合，并在热风烘箱中加热直至形成均匀透明的液体。作为对比，还使用了水、乙醇和甲醇这三种传统溶剂进行提取。

DES的表征包括折射率、白利度%（%brix）、粘度和pH值的测量。折射率和白利度%使用数字阿贝折射仪在25°C下测量。粘度使用安东帕MCR 301流变仪在25°C下，剪切速率0-100 s^-1范围内测定。pH值使用赛默飞世尔科技的Orion 4-Star数字pH计在25°C下测量。

总酚含量（Total Phenolic Content, TPC）分析采用Folin-Ciocalteu法，结果以每100克干重所含没食子酸当量毫克数（mg GAE 100 g^?1 dw）表示。所有分析均进行三次重复。数据采用SPSS 29.0软件进行方差分析（ANOVA），平均值分离采用Duncan多重范围检验，显著性水平设定为p < 0.05。结果间的相关性以Pearson相关系数r表示。

结果与讨论

库尔提克籽的理化性质分析显示其含有一定的水分、灰分、酸度、油含量和蛋白质含量。成功合成了六种DES，其在室温下均为透明液体。根据其组成成分，可将DES分为醇基DES（DES-1, DES-2, DES-5）、羧酸基DES（DES-3）和糖基DES（DES-4, DES-6）。

DES的物理化学性质对其提取率有重要影响。研究发现，提取率与DES的白利度%（r = 0.62）、pH（r = 0.53）和表观粘度（r = 0.57）呈强正相关，但与折射率无相关性。醇基DES具有较低的粘度、较高的白利度%和介于3-5之间的pH值，而糖基DES则具有较高的粘度、较低的白利度%和超出3-5范围的pH值。

溶液的pH值影响溶剂的提取效率。pH在3-5范围内对多酚氧化具有保护作用。本研究中，具有3-5 pH范围的醇基DES获得了最高的提取率。而pH小于1的糖基DES提取率最低，溶剂的高酸度对酚类物质有破坏作用。

粘度是DES提取中的一个重要参数。醇基DES的表观粘度低于羧酸基和糖基DES。溶剂的低粘度允许更多的传质，因此使用醇基DES的提取率最高。此外，本研究中使用的大多数DES表现出剪切稀化（假塑性）行为，表观粘度随剪切速率的增加而增加。

氢键的形成直接影响DES的折射率和白利度%。醇基DES具有较高的白利度%和较低的折射率。尽管折射率与提取率之间未发现相关性，但醇基DES获得了最高的提取率。

酚类化合物的溶解动力学在植物源提取率中起重要作用。溶剂是一个关键因素。在本研究中，与传统溶剂相比，乙醇在溶解库尔提克籽中的酚类化合物方面能力最高，水最低。具有较高白利度%、较低粘度和pH在3-5范围内的醇基DES（DES-1和DES-2）在溶解库尔提克籽中的酚类化合物方面表现出比传统溶剂更高的能力。基于TPC产率的效率顺序为：DES-2 (161.5 ± 4.9 mg GAE 100 g^?1) > DES-1 (149.5 ± 8.1 mg GAE 100 g^?1) > 乙醇 (138.7 ± 3.8 mg GAE 100 g^?1) > 甲醇 (80.2 ± 13.3 mg GAE 100 g^?1) > 水 (7.6 ± 1.5 mg GAE 100 g^?1)。然而，并非所有DES都优于传统溶剂。使用羧酸基（22.9–37.9 mg GAE 100 g^?1）和糖基DES（19.3–22.9 mg GAE 100 g^?1）的提取获得的产率低于传统溶剂（水除外）。这与它们低的白利度%、高的折射率和超出3-5范围的pH值有关。

用于形成DES的组分会影响其物理化学性质，从而影响提取率。它们会影响氢键，而氢键在目标化合物与DES之间的相互作用中有效。在本研究中，导致更好提取率的DES在其结构中含有乙二醇作为HBD。含有乙二醇的DES被注意到具有较低的粘度、较高的白利度%、较低的折射率和3-5范围内的pH值。这些特性可能使乙二醇与植物材料中的酚类化合物形成多个氢键，从而更容易相互作用。相反，本研究中使用乳酸作为HBD的DES获得了最低的白利度和最高的粘度。使用含有乳酸的DES进行酚类提取的最差产率也在先前的研究中被报道。然而，含有乳酸作为HBD的DES的提取产率优于使用水作为溶剂的提取，这与先前的研究一致。

结论

本研究探讨了使用DESs作为传统溶剂替代品从水果废弃物（库尔提克籽）中提取酚类化合物的可能性。研究结果表明，酚类提取率因所使用的溶剂而异（7.6 至 161.5 mg GAE 100 g^?1 dw）。形成组分影响DES的物理化学性质和酚类提取效率。酚类提取率与DES的性质（白利度%、pH和粘度）之间存在正相关且强相关性。尽管传统溶剂在获得更高提取率方面优于糖基和羧酸基DES，但最高产率是通过使用醇基DES（DES-1为149.5 ± 8.2 mg GAE 100 g^?1，DES-2为161.5 ± 4.9 mg GAE 100 g^?1）实现的，这些DES具有较低的粘度和折射率、较高的白利度%以及3-5范围内的pH值。在所评估的溶剂中，TPC测定中的最高值来自使用氯化胆碱:乙二醇（DES-2）的提取物，达到161.52 ± 4.96 mg GAE/100 g dw。因此，该结果证实DES为可持续和绿色提取提供了一种优异的有机溶剂替代品，并在从植物材料中提取生物活性化合物的食品工业应用中具有巨大潜力。