深共晶溶剂用于生物碱提取的可推广设计原则：基于胡椒与花椒的多尺度计算分析

《Food Chemistry》：Generalizable principles for tailoring deep eutectic solvents in alkaloid extraction: Insights from multi scale computational profiling of Piper nigrum and Zanthoxylum bungeanum

　　

摘要

传统生物活性生物碱的提取依赖于挥发性有机溶剂。本研究通过实验筛选和多尺度计算表征评估了 21 种深共晶溶剂（DESs），以从胡椒（Piper nigrum）中提取胡椒碱（PIP），以及从竹叶花椒（Zanthoxylum bungeanum）中提取羟基花椒酰胺（HAS 和 HBS）。对于刚性的胡椒碱，胆碱氯化物/1,2-丁二醇（1:4，20% 水）DES 达到了 60.11 mg/g 的产率（比甲醇提高了 1.53 倍）。对于柔性的花椒酰胺，尿素/乙酸（1:2，30% 水）DES 产率为 59.36 mg/g (HAS) 和 14.61 mg/g (HBS)。分子动力学揭示提取效率取决于拓扑结构和静电互补性。具体而言，ChCl/1,2-BD 通过协同氢键和范德华相互作用提取胡椒碱，而 UR/HAc 通过网络重组溶解花椒酰胺，锚定极性末端并容纳柔性链。本工作建立了理性设计 DES 的三个可推广原则：静电互补性匹配、刚性框架的空间拓扑适应以及柔性链的范德华补偿。

引言

Piper nigrum L. 和 Zanthoxylum bungeanum Maxim. 被广泛用作香料和药食两用植物，生物碱是其高价值生物活性成分（Debebe et al., 2018; Yuan et al., 2015）。胡椒碱（PIP）是P. nigrum的主要生物活性生物碱，负责黑胡椒的特征辛辣味，并表现出显著的抗氧化、抗乳腺癌和降血糖活性（Hu et al., 2022; Rajarajan et al., 2021; You et al., 2026）。在Z. bungeanum中，羟基-α-花椒酰胺（HAS）和羟基-β-花椒酰胺（HBS）等烷基酰胺生物碱是其独特麻木感的关键贡献者，这在亚洲料理中备受推崇（Zhang et al., 2019）。除了感官重要性外，这些花椒酰胺在食品应用方面引起了越来越多的关注。HAS 通过 TRPV1/AMPK 激活促进白色脂肪组织褐变，表明其在体重管理功能食品方面的潜力（Zhang et al., 2023），并显示出作为天然局部麻醉剂的潜力（Tan et al., 2022）。HBS 在调节肠蠕动方面发挥作用（Maeda & Sasaki, 2023）。由于这些独特的感官和生物活性特性，花椒酰胺在风味食品、饮料和功能性食品产品中的应用不断扩展（Mitani et al., 2023）。因此，高效提取这些生物碱，特别是 PIP、HAS 和 HBS，是其在食品产品开发中得到充分利用的先决条件。

目前，这些生物碱的提取严重依赖甲醇和乙醇等传统挥发性有机溶剂，这与高溶剂消耗、巨大的能源需求以及环境和职业健康隐患相关（Thomas et al., 2025; Wang et al., 2019; Zahin et al., 2021; Zhang et al., 2019）。更关键的是，香料提取物中的残留有机溶剂引发了食品安全顾虑，这与现代食品行业日益要求的绿色和可持续原则相冲突。因此，迫切需要开发可持续的提取技术，以克服这些局限性，同时保留最终食品配料的生物活性和安全性。深共晶溶剂（DESs）由氢键供体（HBDs）和受体（HBAs）按特定摩尔比组合而成，产生广泛的氢键相互作用，导致共晶系统的熔点显著低于单个组分（Dangre et al., 2023; Ling & Hadinoto, 2022）。与传统离子液体和有机溶剂相比，DESs 的特点是制备简单、成本低、生物相容性良好以及结构可调性高，能够设计具有定制溶解能力的任务专用溶剂（Fu et al., 2022; Qiang et al., 2023; Vorobyova et al., 2026）。这些特性使 DESs 成为食品加工应用中特别吸引人的绿色介质，包括从香料和草药材料中回收生物活性化合物（Dangre et al., 2023）。

越来越多的证据表明，对于食品相关的生物活性化合物，基于 DES 的系统在效率、选择性和过程经济性方面优于传统提取方法。在胡椒碱的超声辅助提取中，热响应利多卡因 - 戊酸 DES（1:1）比传统溶剂达到了更高的产率，目标化合物可通过简单的温度调节分离，且粗提取物保留了完整的抗氧化和降血糖活性（You et al., 2026）。已证明基于 DES 的水性双相系统能有效破坏植物细胞壁结构并促进生物碱原位分配到疏水相中，总生物碱回收率比甲醇提取高出数倍（Qiang et al., 2023）。天然 DESs 也比羟基醇溶剂将异喹啉生物碱的产率提高了约 32%（Kumaria & Sharma, 2025）。总之，这些发现证实 DESs 不仅提高了提取效率和目标选择性，还降低了设备和运营成本，强调了其作为食品配料制备的绿色和可持续介质的强大潜力。

尽管取得了这些令人鼓舞的结果，但控制 DES 从复杂香料基质（如P. nigrum和Z. bungeanum）中提取的微观机制仍知之甚少。关键的是，本研究针对的两类生物碱具有根本不同的结构特征，这直接影响其食品相关属性。胡椒碱具有刚性和疏水框架，由亚甲二氧基苯环和哌啶部分组成。相反，HAS 和 HBS 是柔性的和两亲性的多不饱和脂肪酸酰胺。这种结构二分法表明，这些生物碱的最佳 DES 系统可能需要截然不同的溶剂化环境。然而，这一假设在食品生物碱提取的背景下尚未得到系统测试。迄今为止，任务专用 DESs 的开发仍主要依赖于经验性的试错选择 HBA/HBD 组合。对溶质拓扑结构和极性如何支配 DESs 与生物碱之间相互作用的系统理解仍然明显缺失。

以往合理化 DES 提取机制的尝试揭示了主导作用力的显著多样性，这取决于 DES 组成和溶质结构。对于来自常用食药两用草药黄连（Coptidis rhizoma）的异喹啉生物碱，甜菜碱/丙烯酸 DES（1:4，50% 水）主要通过丙烯酸的羧基与异喹啉骨架之间的静电相互作用和氢键达到了高效率（Han et al., 2024）。对于来自野鸦椿（Nanhaia speciosa）的野鸦椿碱，乳酸/果糖 DES（1:1，40% 水）由于酸性促进和多个氢键而有效（Dai et al., 2025）。对于来自千里光（Senecio scandens）的吡咯里西啶生物碱，薄荷醇/癸酸 DES（1:4）还额外涉及更强的范德华力以促进分配进入疏水相（Shi et al., 2025）。此外，来自不同系统的额外证据，包括用于防己（Cissampelos pareira L.）的甘油/草酸 DES，受疏水和芳香堆积相互作用驱动的用于阿片类生物碱的百里香酚/樟脑 DES，以及用于胡椒碱的利多卡因/戊酸 DES，一致强化了根据特定溶质结构定制溶剂特性的必要性（Casado-Hidalgo et al., 2024; Kumaria & Sharma, 2025; You et al., 2026）。这些研究共同表明，DES 效率源于动态氢键网络重组和特异性分子识别，而非简单的物理溶解。然而，它们也突显了一个关键的知识空白。目前尚不存在统一的框架来先验预测哪些 DES 组分和化学计量比将根据给定生物碱的分子拓扑结构和极性谱线最佳溶解。这一空白对于结构多样的食品生物碱提取过程的理性设计尤为相关。

因此，本研究系统地调查了使用 21 种 DESs 从胡椒（P. nigrum）中提取胡椒碱（PIP），从竹叶花椒（Zanthoxylum bungeanum）中提取 HAS/HBS。具体而言，本工作重点聚焦于三个目标：(1) 筛选每种生物碱的最佳 DES 组合和提取条件；(2) 通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、1H 核磁共振（NMR）、静电势（ESP）分析、分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算阐明差异化提取性能背后的分子水平机制；以及 (3) 将这些发现提炼为可推广的设计原则，将特定的生物碱结构特征与最佳 DES 选择联系起来。通过系统地比较这两类结构截然不同的食品生物碱，本研究的最终目标是建立一种稳健的、基于构效关系的原理，超越经验筛选，从而为高价值香料资源的绿色利用中 DESs 的定制设计提供实用指导。

章节片段

化学品和试剂

Piper nigrum 和 Zanthoxylum bungeanum 购自亳州金兴药业有限公司。胡椒碱（纯度≥98%，批号 X19D11Y13455）购自上海源叶生物科技有限公司。羟基-α-花椒酰胺（纯度≥98%，批号 PS18170005MG）和羟基-β-花椒酰胺（纯度≥98%，批号 PS012430）购自成都普施生物科技有限公司。用于合成 DESs 的试剂为分析纯，购自麦克林生化有限公司。

目标生物碱定量方法的开发与验证

使用 PIP、HAS 和 HBS 的标准溶液进行定性分析。配制不同浓度的工作溶液以构建 PIP、HAS 和 HBS 的校准曲线。回归方程如下：PIP 为 y = 59,391× + 177.18 (R² = 0.9991)，HAS 为 y = 70,000,000× + 6473.7 (R² = 0.9999)，HBS 为 y = 90,000,000× + 174,107 (R² = 0.9998)。所有校准曲线在相应的浓度范围内均显示出良好的线性。详细的限值

结论

本研究表明，任务专用深共晶溶剂（DESs）在从胡椒（P. nigrum）和竹叶花椒（Z. bungeanum）中提取结构多样的生物碱方面显著优于甲醇。通过结合实验和计算方法，我们确立提取效率根本上受微观拓扑结构和静电互补性支配。具体而言，ChCl/1,2-BD 系统通过强氢键和范德华协同作用最优地提取刚性胡椒碱。

CRediT 作者贡献声明

Jianbing Dong: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Yuchen Huang: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Mei Su: 写作 – 审阅与编辑，软件，方法学，形式分析。Fengtang Jing: 写作 – 审阅与编辑，软件，形式分析。Menglu Xi: 写作 – 审阅与编辑，软件，形式

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了中国天津市科技计划（编号 25ZXZSSS00250 和编号 25HHZYSS00005）的支持。

Jianbing Dong|Yuchen Huang|Mei Su|Fengtang Jing|Menglu Xi|Lei Jiang|Miaomiao Jiang