利用基于COSMO-RS设计的定制深共晶溶剂从葵花籽粕中提取蛋白质并对其进行表征

《Journal of the Indian Chemical Society》：Extraction and Characterization of Protein from sunflower meal using tailor-made deep eutectic solvents based on COSMO-RS design

本研究开发了一种基于COSMO-RS筛选的微波辅助深共熔溶剂提取技术，用于从向日葵 meal中高效提取蛋白质。与传统碱溶酸提法相比，该技术使蛋白质回收率提高31.71%，显著改善提取蛋白的溶解性、乳化性和热稳定性，同时减少化学废物排放，为绿色食品制备提供新方法。

　　在当前的食品加工和生物技术研究中，寻找高效且环保的蛋白质提取方法成为了一个重要的课题。近年来，随着对可持续发展和绿色制造理念的重视，越来越多的研究致力于开发替代传统化学提取方法的新技术。本研究聚焦于一种创新的提取方法，即利用微波辅助的深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DES）技术，用于从向日葵饼（Sunflower Meal, SM）中提取蛋白质。该方法不仅在提取效率上表现出色，还在环境友好性和功能性特性方面具有显著优势。

向日葵饼作为向日葵种子油提取的副产品，富含高质量的植物蛋白，其含量通常在30%至50%之间。此外，向日葵饼中还含有丰富的营养成分，如多种氨基酸、维生素和矿物质，这使其成为一种极具潜力的原料，可用于开发新型食品配料或功能性食品。然而，传统的碱溶酸沉淀法（Alkali-Soluble Acid Extraction, AE）在提取过程中存在诸多问题，如碱性条件可能导致美拉德反应的发生，从而影响蛋白质的溶解性、热稳定性和营养价值。同时，该方法还会产生大量的化学废弃物，对环境造成污染。因此，寻找一种更加绿色、高效的蛋白质提取方法显得尤为迫切。

为了应对这些挑战，研究团队提出了一种基于深共熔溶剂的新型提取技术。深共熔溶剂作为一种环境友好的绿色溶剂，主要由氢键供体和受体组成，具有成本低、可生物降解等优点。在本研究中，选择了胆碱氯化物（Choline Chloride）与尿素（Urea）的组合，以构建一种高效的深共熔溶剂体系。该体系不仅能够有效提取向日葵饼中的蛋白质，还能在提取过程中减少对环境的影响。

研究采用了Conductor-like Screening Model for Real Solvents（COSMO-RS）模型进行溶剂筛选和性能预测。COSMO-RS是一种基于量子力学和热力学统计的计算模型，能够模拟溶剂环境，预测溶质在不同溶剂中的溶解性，并优化深共熔溶剂的组成。通过该模型，研究团队能够系统地评估多种深共熔溶剂体系的性能，从而选择出最适合向日葵饼蛋白质提取的溶剂组合。在本研究中，通过COSMO-RS模型筛选出的胆碱氯化物-尿素（1:1摩尔比）体系表现出最佳的提取性能。

为了验证深共熔溶剂的合成和性能，研究团队进行了系统的实验分析。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和氢核磁共振（¹H-NMR）技术，对所合成的深共熔溶剂进行了结构表征。这些分析结果表明，所合成的深共熔溶剂具有良好的结构稳定性和溶解能力。此外，研究还采用了响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对提取参数进行了优化。RSM是一种统计学方法，能够通过实验设计和数据分析，揭示不同参数之间的相互作用关系，并建立预测模型，从而找到最优的提取条件。

实验结果表明，优化后的胆碱氯化物-尿素深共熔溶剂体系在蛋白质提取过程中表现出显著的优势。与传统碱溶酸沉淀法相比，该体系的蛋白质回收率达到了89.17%，比传统方法提高了31.71%。这不仅意味着更高的提取效率，还表明该方法在保持蛋白质结构完整性方面具有更强的能力。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，研究团队发现使用深共熔溶剂提取的蛋白质表面更加光滑，这与蛋白质溶解性的提升直接相关，进一步验证了该方法在食品应用中的优越性。

在功能特性方面，深共熔溶剂提取的蛋白质在溶解性、乳化能力、持水能力、发泡性能和热稳定性等方面均优于传统方法提取的蛋白质。这些特性对于食品工业中的应用至关重要，因为它们直接影响蛋白质在食品配方中的表现和最终产品的质量。例如，较高的溶解性有助于蛋白质在食品中的均匀分布，而良好的乳化能力则有助于食品的质地和口感改善。此外，热稳定性高的蛋白质在高温加工过程中不易变性，从而保持其营养价值和功能特性。

从环境角度来看，深共熔溶剂提取方法显著减少了化学废弃物的产生。与传统化学提取方法相比，该方法使用的溶剂更加环保，且在提取过程中无需添加大量有害化学品，从而降低了对环境的污染。同时，微波辅助提取技术的引入，使得整个提取过程更加高效，减少了溶剂的使用量和处理时间，进一步提升了该方法的可持续性。

本研究不仅为向日葵饼蛋白质的提取提供了一种新的方法，还为其他植物蛋白的提取提供了理论支持和实践参考。通过结合COSMO-RS模型和实验验证，研究团队能够系统地评估不同深共熔溶剂体系的性能，并找到最优的提取条件。这种综合性的研究方法为未来开发更多绿色提取技术奠定了基础。

此外，研究还强调了深共熔溶剂在食品工业中的广泛应用前景。由于其低毒性和可生物降解性，深共熔溶剂可以用于提取各种生物活性成分，如多酚、黄酮类化合物等，这些成分在食品和医药领域都具有重要的应用价值。例如，研究发现，基于胆碱氯化物的深共熔溶剂在提取大豆蛋白、沙棘饼蛋白和芝麻饼蛋白方面表现出色，能够有效提高提取效率并减少对环境的影响。

在食品包装领域，深共熔溶剂提取的蛋白质可以用于制备具有优异性能的可食用薄膜。这类薄膜不仅能够延长食品的保质期，还能提供良好的包装性能，如防水、防油和抗菌等。研究团队提到，基于明胶、壳聚糖和植物提取物的可食用薄膜已被用于延长金枪鱼的保质期，并为蛋白质基包装材料提供了新的思路。因此，利用深共熔溶剂提取的向日葵饼蛋白质，有望成为一种低成本、高性能的可食用薄膜材料。

值得注意的是，研究团队在实验过程中采用了多种方法对提取的蛋白质进行了全面分析。除了传统的物理和化学方法外，还利用了现代分析技术，如FT-IR和¹H-NMR，对蛋白质的结构特性进行了深入研究。这些分析结果不仅有助于理解蛋白质的分子结构，还能揭示其在不同提取条件下的变化情况，从而为优化提取工艺提供科学依据。

在实际应用中，深共熔溶剂提取技术不仅可以用于食品工业，还可以拓展到制药和生物材料等领域。例如，在制药领域，深共熔溶剂可以用于提取药物成分，提高药物的溶解性和生物利用度。在生物材料领域，深共熔溶剂可以用于制备具有特定功能的蛋白质基材料，如生物降解材料或药物载体。

总体而言，本研究为向日葵饼蛋白质的提取提供了一种高效、环保的新方法。通过结合COSMO-RS模型和实验验证，研究团队不仅找到了最佳的深共熔溶剂体系，还优化了提取参数，提高了蛋白质的回收率和功能特性。这一成果不仅有助于提高向日葵饼的附加值，还为食品工业的可持续发展提供了新的思路和技术支持。未来，随着对深共熔溶剂研究的深入，相信会有更多类似的技术被开发出来，为食品加工和生物技术领域带来更大的变革。