《Journal of Applied Research on Medicinal and Aromatic Plants》：Structure–Interaction Compatibility Framework for Rational Pre-Screening of Deep Eutectic Solvents in Plant Bioactive Extraction
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从植物基质中分离生物活性化合物传统上依赖正己烷、乙醇、甲醇和乙酸乙酯等常规有机溶剂。尽管这些溶剂有效，但存在公认的局限性，包括溶剂与固体比高、易燃性、最终提取物中的残留毒性、与挥发性有机化合物相关的大气排放，以及增加提取操作环境负担的高能耗回收过程。因此，在过
从植物基质中分离生物活性化合物传统上依赖正己烷、乙醇、甲醇和乙酸乙酯等常规有机溶剂。尽管这些溶剂有效，但存在公认的局限性，包括溶剂与固体比高、易燃性、最终提取物中的残留毒性、与挥发性有机化合物相关的大气排放，以及增加提取操作环境负担的高能耗回收过程。因此，在过去十年中，在监管压力增加以及认识到溶剂选择直接影响提取物质量、过程可持续性和下游适用性的推动下，对更可持续提取介质的研究不断加强。在所提出的替代溶剂系统中，低共熔溶剂（DES）因其低蒸气压、可忽略的易燃性、易于制备和广泛的组成可调性而受到相当大的关注。DES通过氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）之间的分子间相互作用形成，产生熔点显著低于其单个组分的低共熔混合物。其结构多样性能够调节粘度、极性、氢键能力和疏水性，从而允许提取化学性质不同的植物生物活性物类别，从酚类化合物到萜类和大麻素。与传统分子溶剂相比，DES建立高度结构化的相互作用网络，能够通过氢键、离子相互作用、偶极稳定化和色散贡献来稳定目标化合物。尽管基于DES的提取研究迅速扩展，但溶剂选择在很大程度上仍由经验筛选或基于体相极性描述符指导，通常基于Reichardt经验极性参数ET(30)或相关的溶剂显色描述符。尽管这些描述符作为初步指标有用，但它们将溶剂行为简化为平均极性值，未能捕捉低共熔系统中溶剂-溶质相互作用的多维性质。因此，表观极性相似的DES配方对结构相关化合物可表现出显著不同的提取效率和选择性。这些不一致表明，提取性能较少由体相极性等效性决定，而更多由溶剂相互作用环境与目标分析物官能团架构之间的兼容性决定。通过溶解度参数理论合理化DES提取行为的尝试已部分解决了这一局限性。然而，Hildebrand参数从根本上局限于非极性或弱相互作用系统。Hansen溶解度参数，特别是与Kamlet-Taft溶剂显色描述符一起解释时，通过独立考虑色散、极性和氢键贡献，提供了溶剂-溶质亲和力的更详细表示。即便如此，这些方法在应用于高度结构化的多组分系统如DES时仍受到限制，其中协同氢键网络、供体-受体不对称性和局部溶剂异质性在决定提取选择性方面起决定性作用。本综述考察了DES系统与结构多样的植物来源生物活性化合物之间的兼容性，包括酚酸、黄酮类、二萜酚类、单萜、倍半萜和大麻素。这些化合物类别选自四种在食品、化妆品和营养保健品行业具有公认农工业和经济相关性的药用和芳香植物物种：Cannabis sativa L.（花）、Rosmarinus officinalis L.（叶）、Cymbopogon citratus (DC.) Stapf（地上部分）和Origanum vulgare L.（叶）。这些物种共同提供了一个化学多样化的平台，用于评估不同DES相互作用环境如何影响不同类别次生代谢物的提取选择性。为解决这一问题，本综述开发了一个结构-相互作用兼容性框架，将DES组分的官能团拓扑结构与目标生物活性化合物的相互作用需求联系起来。该框架的核心是七条组合规则，源自对DES文献中官能团兼容性和相互作用类型先例的系统分析，这些规则构成了本工作的主要原创贡献，并支撑了DES组分和混合物的四级极性分类系统。Hansen溶解度参数的色散（δD）、极性（δP）和氢键（δH）组分，连同氢键酸度（α）和碱度（β）的Kamlet-Taft溶剂显色描述符，被整合为超越体相极性的DES-分析物亲和力解释的补充工具。目标是建立基于相互作用的原理，用于定性预筛选和优先排序DES配方，减少对不加区分经验筛选的依赖，并支持结构多样和热不稳定植物生物活性物的提取系统设计。SICF的实际相关性在于其能够在进行广泛实验筛选之前，将 readily available 的分子结构信息转化为可解释的溶剂选择工作流程。对于研究人员，这提供了生成和测试DES-溶质兼容性假设以及优先排序候选物进行实验、COSMO-RS、分子动力学或机器学习评估的系统基础。对于过程开发人员和工业界，同一框架可用作早期筛选工具，在优化溶剂组成、提取条件、产品回收、溶剂循环和过程集成之前减少配方空间。因此，SICF旨在桥接分子水平推理和实际溶剂选择决策，同时保持足够简单，无需专门计算基础设施即可应用。
研究背景：植物生物活性化合物的提取长期依赖正己烷、乙醇、甲醇和乙酸乙酯等常规有机溶剂，这些溶剂存在溶剂与固体比高、易燃、提取物残留毒性、挥发性有机物排放及回收过程能耗高等问题，环境负担较重。低共熔溶剂（DES）因低蒸气压、不可燃、易制备和组成可调等优点成为有前景的替代介质。然而，DES提取研究虽快速增多，溶剂选择仍主要依赖经验筛选或基于Reichardt ET(30)等体相极性描述符。这些描述符将溶剂行为简化为平均极性值，无法反映低共熔体系中溶剂-溶质相互作用的多维性，导致表观极性相似的DES对结构相关化合物表现出显著不同的提取效率和选择性。Hildebrand参数限于非极性体系，Hansen溶解度参数结合Kamlet-Taft描述符虽提供更详细信息，但在高度结构化的多组分DES体系中仍受限制，难以解释协同氢键网络、供体-受体不对称和局部溶剂异质性对选择性的决定作用。因此，需要建立基于相互作用的理性预筛选框架，减少对盲目经验筛选的依赖。
研究人员开展了系统性综述研究，考察DES与四种植物的结构多样生物活性化合物（酚酸、黄酮、二萜酚、单萜、倍半萜和大麻素）之间的兼容性，所选植物为Cannabis sativa L.（花）、Rosmarinus officinalis L.（叶）、Cymbopogon citratus (DC.) Stapf（地上部分）和Origanum vulgare L.（叶），这些物种在食品、化妆品和营养保健品行业具有商业相关性。研究构建了结构-相互作用兼容性框架（SICF），核心贡献为七条组合规则和四级极性分类系统，将DES组分的官能团拓扑与目标物的相互作用需求联系起来，并整合Hansen溶解度参数（δD、δP、δH）与Kamlet-Taft溶剂显色参数（α、β）作为补充解释工具。研究得出，DES选择应从体相极性匹配转向相互作用类型匹配，SICF可作为定性预筛选和假设生成工具，在实验或高分辨率计算评估前缩小配方空间。其重要意义在于为研究人员提供生成可检验兼容性假设的系统程序，为工业界提供早期决策支持工具，减少试验盲目性，但框架本身为概念性综合，非定量验证的预测模型。
关键技术方法：本综述基于Web of Science和Scopus数据库检索2012至2025年间以"deep eutectic solvent""plant extraction""bioactive compounds"为术语的提取研究，构建包含116种DES系统的数据集；通过结构分析将每种氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）按官能团特征归入四级极性类别（LM、H、VH、C）；采用七条组合规则从HBA/HBD配对定性估算混合物极性；整合Hansen溶解度参数与Kamlet-Taft参数解释DES-分析物亲和力；并以四种药用芳香植物为平台进行框架应用与证据追溯。
研究结果：
2. 低共熔溶剂的结构基础与分类：通过文献分析阐明DES形成机制源于HBA与HBD间协同氢键网络导致的熔点降低和非理想混合行为，DES呈现动态纳米级异质性而非均相液体；归纳Type I至Type V分类及NADES、SUPRADES扩展；指出HBA/HBD拓扑决定溶剂粘度和极性，氯化胆碱为Type III最常用HBA，HBD选择决定最终相互作用环境。
3. 从分子结构估算DES极性：指出现有体相极性描述符无法捕捉氢键方向与密度、离子吸引和位阻约束，提出四级结构极性分类（LM、H、VH、C），并制定七条组合规则从HBA/HBD类别定性估算混合物极性；引用39种NADES溶剂显色数据佐证规则排序的相对一致性，但明确声明不构成正式验证。
4. 四种植物主要生物活性化合物：通过官能团分析确定各物种主要活性成分的极性类别，大麻素和萜类为LM，迷迭香酸和二萜酚为H，柠檬醛处LM/H过渡区，香芹酚和百里香酚为LM；提出各化合物类别最兼容的DES类型。
5. 目标生物活性物的构效关系：通过分析氢键官能团密度、芳香与疏水贡献、离子与偶极相互作用，得出多羟基化合物适配H/VH体系、大麻素适配HDES、糖苷化降低有效相互作用位点可及性等结论，强调DES整体相互作用环境而非单一组分性质决定选择性。
6. 结构-相互作用兼容性框架：整合前述要素提出SICF，设定三条前提和四项官能团兼容性判据（极性类别匹配、氢键供受体互补、芳香疏水兼容、位阻与尺寸考量），给出五步操作筛选流程，构建化合物类别-DES类型兼容性图谱，并识别疏水DES研究不足、LM-H边界化合物证据缺乏、同类化合物选择性排序困难三个差距。
讨论部分总结了框架的定位：SICF为概念性和假设生成性框架，而非定量验证的预测工具，不预测摩尔比、含水量、提取动力学或定量产率，也不在同一兼容类别内排序候选配方。文献比较仅显示化学一致性，不构成独立验证。提取性能混淆了平衡亲和力与传质动力学，高粘度DES可因扩散限制在固定时间内表现较低产率。从生物炼制角度，溶剂兼容性仅为实际选择的要素之一，还需考虑残渣 valorization、产品回收、溶剂再生和技术经济性。未来严格验证应分离框架开发与测试，使用 curated 且化学更多样的数据集，对独立DES-溶质组合进行盲评，并与HSP筛选、COSMO-RS、分子动力学和数据驱动模型进行基准比较。
研究结论翻译：本研究开发的结构-相互作用兼容性框架（SICF）为植物来源生物活性化合物提取中的定性DES预筛选提供了结构化、机理 informed 的基础。该框架不单纯依赖体相极性描述符，而是考虑氢键能力、离子特性和色散相互作用如何组合以生成可能与不同类别代谢物兼容的溶剂环境。SICF应被解释为概念性和假设生成性框架，而非定量验证的提取产率预测器。为DES组分提出的LM/H/VH/C极性分类允许在实验筛选之前从分子结构推断定性相互作用谱。在本综述考察的植物系统中，若干归类与已报道的提取行为一致，特别是对极性酚类和大麻素，但现有文献在溶剂组成和提取条件上异质，不能作为独立验证集。H和VH类别内的Type III DES常与酚酸和其他多羟基化代谢物相关，而疏水性DES对亲脂性组分有效；边界化合物需要针对相互作用类型和传输条件进行个案评估。框架还突出了当前DES提取文献的一个重要局限：大多数实验研究仍集中在极性Type III系统，而疏水性DES尽管与萜类和中性大麻素等亲脂性代谢物结构兼容，但仍相对研究不足。这种不平衡反映了对极性提取系统的历史偏好，而非疏水性DES化学的内在局限。总体而言，分析支持SICF作为分子水平理解与溶剂选择决策之间的实用桥梁。通过将DES组成与目标化合物的官能团架构和主要相互作用需求联系起来，该框架为研究人员提供了生成可检验兼容性假设并优先排序缩减后DES候选物进行实验或更高分辨率计算评估的透明程序。这可减少对不加区分试错筛选的依赖，将实验资源集中在化学上合理的配方上。从工业角度，SICF可作为早期决策支持工具，在针对DES组成、含水量、提取条件、产品回收、溶剂循环和生物炼制方案集成的过程特定优化之前缩小溶剂设计空间。其简单性和对溶剂制备前通常可获得的分子信息的依赖可能促进其在早期过程开发中的应用。然而，其实际价值和预测分辨率需要在更大且更平衡的数据集上进行独立验证，并最终必须与粘度、传质、下游回收、溶剂循环、技术经济性能和过程集成一起评估。
