引言
全球能源需求持续增长，加剧了对化石燃料的依赖，进而恶化了温室气体排放和资源枯竭等环境挑战（Shen et al., 2023）。为解决这一问题，必须开发可再生的替代方案（Chen et al., 2022a; Azarpour et al., 2022）。其中，微藻因其光合效率高、生长速度快且能够在非耕地上繁衍生息等特点，成为第三代生物燃料的有前景的原料（Gaurav et al., 2024; Zhao et al., 2022; Jin et al., 2024）。微藻生物柴油具有高热值和良好的储存稳定性，特别适用于航空、运输和工业应用（Yang et al., 2024）。然而，微藻脂质极性较低，需要经过干燥和溶剂萃取，而此类工艺通常使用三氯甲烷或己烷等挥发性有毒溶剂（Tien Thanh et al., 2022）。这些过程不仅对健康和环境构成威胁，还增加了能源消耗，限制了其大规模应用的可行性（Jacob et al., 2021; Huang et al., 2022a）。此外，先前的生命周期评估（LCA）研究表明，干燥、脂质提取和水热预处理是微藻基生物柴油生产系统中累积能源需求和温室气体排放的主要贡献因素，凸显了对更高效能和更环保提取路线的需求（Vellaiyan, 2024; Song et al., 2023; Mohit et al., 2024）。因此，确定既环保又节能的提取溶剂至关重要。
深度共晶溶剂（DESs）因其制备简便、理化性质可调且组成灵活，作为一种可调节的低挥发性替代溶剂，受到了越来越多的关注（Chen et al., 2024; Cao et al., 2021; Sportiello et al., 2023; Vaid et al., 2021）。根据其组分的性质和极性，DES相关体系通常被分为亲水性DES、疏水性DES、天然深度共晶溶剂（NADESs）和基于酸的共晶体系（Chen et al., 2021）。凭借其这些特性，DES已在萃取、生物质分级、催化、电化学和环境分离过程中得到研究应用。其中，基于脂肪酸的疏水性共晶溶剂（FHESs）因其兼具脂肪酸的低毒性、无腐蚀性和结构可调性，以及实现非极性化合物选择性分配所需的疏水性，在脂质提取方面尤为引人注目（van Osch et al., 2015; Yue et al., 2023）。近期研究表明，基于脂肪酸的疏水性溶剂体系可在热水解条件下有效处理湿微藻，并在提取过程中减少脂质降解（Huang et al., 2024）。其他研究进一步拓展了FHES在从复杂基质中提取生物活性物质或有害化合物方面的应用（Chen et al., 2021; Maletta et al., 2023; Kyriakoudi et al., 2022），进一步证明其通用性和应用前景。然而，尽管已有若干研究从能量或生命周期角度评估了亲水性DES辅助水热预处理（Huang et al., 2025），但基于脂肪酸的疏水性共晶溶剂实现原位脂质提取的环境影响在工艺和系统层面仍鲜有探索。
由于湿采微藻含水率超过90%，直接进行水热处理通过省去了干燥步骤，提供了一种更具能效的替代方案（Gan et al., 2021; Chen et al., 2022b）。水热处理利用热水压缩水，通常在自身压力下，作为反应介质和水解剂（Lachos-Perez et al., 2022）。对于湿微藻而言，该方法无需能耗巨大的干燥步骤，并有助于细胞破碎和胞内组分释放，因此极具吸引力。然而，相同的水热环境也可能加速不期望的副反应，使得快速相转移和选择性提取对于保持脂质质量至关重要。FHES相作为疏水性提取介质，实现释放脂质的快速原位分配，从而有助于限制其在水热环境中的进一步降解。然而，大多数已报道的基于脂肪酸的疏水性共晶溶剂体系采用的是相对较长的脂肪酸链（Yue et al., 2023），这会增加粘度并阻碍界面传质。亲水性DES与水相生物质相兼容且富含氢键位点，能够促进水化微藻基质的破坏，并在水热条件下促进胞内组分的释放（Huang et al., 2022b）。因此，采用亲水性DES破坏微藻细胞壁并增强水热预处理，可显著提高脂质释放效率。然而，后续提取仍需要己烷，导致脂质长时间暴露在高温条件下，造成品质下降（Huang et al., 2022b）。此外，FHES组成的实验筛选成本高且耗时（Zhou et al., 2022）。
分子动力学（MD）模拟提供了一种克服上述局限性的有力策略。双相体系中的界面厚度、稳定性和氢键相互作用已知控制着脂质扩散和提取效率（Huang et al., 2024）。通过预测这些界面性质，MD模拟可以加速FHES的理性设计并减少实验工作量。尽管取得了这些进展，将MD引导的溶剂设计与水热原位提取相结合在工艺和环境层面的潜力尚未得到评估，这构成了一道关键的研究空白，亟需对其综合可持续性进行评价。
本研究开发了一种双相水热体系，采用亲水性DES（氯化胆碱–甲酸）和基于脂肪酸的疏水性DES，实现从湿微藻中原位提取脂质。通过分子动力学模拟筛选了十种候选FHES，并进行了实验验证。对最优溶剂体系进一步进行了工艺优化、动力学分析和残余物表征，展示了微藻基生物燃料生产的一种集成化、可持续的方法。同时开展了从摇篮到大门的生命周期评估，量化了FHES辅助路线相对于传统水热加己烷提取的能源和环境效益，为其在可持续微藻生物炼制中的潜力提供了系统层面的洞见。本工作的创新之处在于将分子动力学引导的溶剂筛选与实验提取优化和生命周期评估整合到一个统一的框架中。与以往主要关注溶剂设计或提取性能的研究不同，本研究进一步在双相水热微藻加工体系中将界面分子行为与提取性能及环境影响联系起来。
