一种pH可切换超分子低共熔溶剂的设计：用于从柑橘果皮废弃物和芸香科草药中提取黄酮类化合物

《Food Chemistry》：Design of a pH-switchable supramolecular deep eutectic solvent for the extraction of flavonoids from citrus peel waste and Rutaceae herbs

　　

引言

天然化合物构成了一个庞大的宝库，其中蕴含大量高度生物活性物质，广泛分布于食品植物和药用植物中。得益于其来源丰富且可再生、化学结构多样以及生物活性广泛，天然化合物在食品、化妆品、保健和制药行业受到了广泛关注（Kim等，2021）。然而，从食品植物和药用植物中高效且选择性地提取生物活性化合物仍然是一个主要挑战。在传统方法中，甲醇、乙醇、丙酮或其混合溶剂通常被用作提取溶剂。这些有机溶剂固有的关键缺点包括高毒性、挥发性和易燃性，极大地限制了其实际应用（Saffariha等，2021；Zhang等，2023）。近年来，深共晶溶剂（DES）被提出作为传统有机溶剂的替代品，用于天然产物的提取（Chen等，2022）。作为一种定制化溶剂，DES展现出卓越的优势，包括成本低廉、制备简便、优异的生物相容性和高生物降解性（Yahaya等，2024）。然而，大多数已报道的DES具有亲水性，这极大地限制了它们在水性介质中的应用。因此，疏水性DES的设计与开发对于解决亲水性DES与水性系统之间的相容性差问题至关重要，从而拓展它们在水环境治理、制药生产及其他水相领域的应用（Stupar等，2021）。萜类化合物是一类具有多样结构和重要生物活性的天然产物。在这些萜类化合物中，部分单萜如香茅醇、薄荷醇和百里香酚已被广泛应用于香料、制药、食品或化妆品行业（Silva等，2022）。更重要的是，香茅醇已被美国香料和提取物制造商协会（FEMA）和美国食品药品监督管理局（FDA）批准为一般公认安全（GRAS）物质（Cheng等，2019）。在Llorente等人的研究中，将COSMO-RS分子模拟与实验验证方法相结合，证实萜类化合物（柠檬醛、香茅醇、芳樟醇或丁香酚）可作为有效的萃取剂，成功地从水中萃取了苯酚、2-硝基苯酚和2-氯苯酚（Rodríguez-Llorente等，2020）。同时，超分子深共晶溶剂整合了DES的优势与大环化合物的主客体包合能力，是DES的一个新兴亚类。此外，最近的几项研究报告发现，超分子深共晶溶剂可以在外部驱动力的作用下实现疏水性与亲水性之间的可逆相切换，这有效地解决了DES基提取工艺中相分离困难、溶剂消耗量大和可重复性低等缺点（Chen等，2023；Gao等，2024；Lei等，2025；Luo等，2025）。基于以上原因，探索基于萜类化合物的疏水性可切换超分子深共晶溶剂（SS-DES）具有重要的科学价值。柑橘水果主要包括橘子、橙子、柑橘、柠檬等，是热带和亚热带国家中最常见和广泛种植的水果作物之一（Dhuique-Mayer等，2025）。此外，柑橘水果既可以作为鲜果食用，也可以因其营养和药用价值而被加工成果汁、果酱、果冻、果泥、罐头或脱水产品等（Liu等，2022）。然而，全球每年产生近1.2亿吨柑橘废弃物。在柑橘废弃物中，柑橘皮是各种生物活性成分丰富且有价值的来源，如类黄酮、生物碱、多糖和精油（Lu等，2023）。多条证据表明，柑橘类黄酮具有多种有益的生物功能，包括抗炎（Li等，2023）、抗氧化（Wang等，2021）、抗病毒（Xu等，2014）、神经保护（Hwang等，2012）和抗肿瘤作用（Nair等，2018）。这些发现表明，柑橘类黄酮作为天然抗氧化剂或药物候选物在营养品或膳食补充剂、食品添加剂、化妆品、药品等领域具有巨大的应用前景（Ben Hsouna等，2023；Shi等，2024）。此外，类黄酮也是许多中药中最重要成分之一，如陈皮、青皮、佛手、未熟橘和枳实（Gao等，2021；Wu等，2020）。因此，从柑橘皮废弃物和芸香科草药中提取和回收类黄酮是将柑橘废弃物转化为增值产品的关键途径，这为农业副产品的高值化利用提供了新的方向。在此，我们提出并实验证明了一种pH可切换的超分子深共晶溶剂（SS-DES）体系，以快速解决上述问题。在pH 10.0时，pH响应体系以均一相存在，实现类黄酮的高效提取。随后，将pH调整为5.0可触发体系从单相向异相两相的转变，从而实现被提取化合物的原位分离。为深入了解其内在机理，采用密度泛函理论（DFT）和分子对接研究了提取机制。为全面评估其性能，综合使用了三种评估工具——分析生态尺度（AES）、分析绿色指标（AGREE）和绿色分析过程指数（GAPI），系统地评估了所提出提取方法的生态影响。最后，研究了SS-DES的体外细胞毒性以及体内急性经口毒性，以评估其细胞相容性和初步生物安全性。SS-DES微萃取过程的示意图如图1所示。## 摘要要点1. 构建了一种SS-DES以解决亲水性DES与水性基质之间的不相容性问题。2. 利用可切换DES解决了相分离困难和溶剂消耗过多的问题。3. 设计的SS-DES具有良好的生物相容性和低生物毒性。4. 通过高效类黄酮提取实现了柑橘皮废弃物的增值利用。5. 初步阐明了SS-DES的提取机制。## 材料各种中等链长脂肪酸，包括庚酸（C7，纯度≥97%）、辛酸（C8，纯度≥99%）、壬酸（C9，纯度≥98%）和癸酸（C10，纯度≥98%），以及4种单萜化合物（香茅醇、橙花醇、芳樟醇和香叶醇，纯度≥96%），均购自麦克林生化技术有限公司（中国上海）。己酸（C6，纯度≥99%）由阿拉丁生化技术有限公司（中国上海）供应。柚皮素的参考标准品（批号：...## SS-DES微萃取工艺的优化在基于SS-DES的微萃取过程中，富集因子（EF）定义为疏水相中目标分析物的浓度（C_e）与样品相中初始分析物浓度（C₀）之比，其计算公式为：EF = C_e/C₀（Wang等，2022）。为提高目标化合物的EF，研究了若干关键因素对EF的影响，如SS-DES的类型、摩尔比、SS-DES溶剂、溶液pH值以及环糊精类型……## 结论本研究开发了一种方便、高效且快速的方法，用于从常见的柑橘皮废弃物和芸香科草药中回收类黄酮。将DM-β-CD引入DES中，通过形成主客体包合物来捕获类黄酮，从而显著提高了提取产率。设计的SS-DES表现出可调节的分离性能，通过简单地调节溶液pH即可实现。经过五个循环使用周期后，SS-DES保持……## CRediT作者贡献声明何志强：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，概念化。曹慧玲：形式分析，数据管理。罗映金：形式分析，数据管理。许千雨：方法学，研究。卢琪：撰写——审阅与编辑，数据管理，概念化。赵立竹：资金获取，数据管理，概念化。唐中华：撰写——原稿，资金获取。## 未引用的参考文献Chen等，2019Dhuique-Mayer和Servent，2025Edrisi和Bakhshi，2024Gómez-Urios等，2023Rodríguez-Llorente等，2019Shi等，2024Silva等，2022Sorita等，2025Zeng等，2020Zhang, Li, Hai, Guo和Di，2024Zhou等，2025## 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的竞争财务利益或个人关系。## 致谢本工作得到黑龙江省自然科学基金（PL2025H204）、黑龙江省高校基础研究基金重点项目（2024-KYYWF-1022）以及黑龙江省青年人才托举工程（编号2023QNTJ014）的资助。何志强 | 曹慧玲 | 罗映金 | 许千雨 | 卢琪 | 赵立竹 | 唐中华