《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Integrated DES-based biphasic extraction of bromelain and bioethanol: A DFT-guided approach for waste-to-resource process intensification
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本研究提出一种基于密度泛函理论（DFT）指导的深共熔溶剂（DES）-水两相萃取（ABE）框架，用于同时高效回收菠萝废料中的 bromelain（菠萝蛋白酶）和生物乙醇。通过筛选9种Type III DES及其氧化酸改性衍生物，结合B3LYP-D3计算方法和实验验证，确定最佳溶剂组合实现89%的蛋白酶和82%的乙醇回收率。该工艺整合了酶解和发酵步骤，在97%纯度下获得18.7 g/L乙醇，为可持续生物精炼提供新范式。
Srimathi Umasekar|Nagajyothi Virivinti
印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利国立技术学院 620015
摘要
高效利用农业工业废弃物对于推进循环生物经济战略至关重要，然而，在生物精炼过程中同时回收具有不同物理化学性质的生物化学品仍是一个主要挑战。尽管已经独立报道了基于深共晶溶剂（DES）的水相双相萃取（ABE）和基于密度泛函理论（DFT）的溶剂筛选方法，但它们在同时回收酶和生物燃料方面的集成应用尚未得到验证。本研究提出了一种基于DFT和DES的双相萃取框架，用于从菠萝废弃物中同时回收菠萝蛋白酶（BN）和生物乙醇（BEtOH），解决了溶剂选择效率低下和下游分离复杂的问题。与以往依赖经验筛选或仅针对单一产品的研究不同，本工作将分子级别的溶剂设计与实验双相萃取相结合，实现了单一工艺配置下的双产品回收。通过B3LYP-D3/6-311++G(d,p)方法，并结合QTAIM、NBO和COSMO-RS分析，对九种二元III型DES（T3-DES）及其草酸改性的三元类似物（T3-DES*）进行了筛选，以评估溶剂-溶质相互作用和萃取选择性。筛选结果显示T3-DES7–Na?SO?和T3-DES8*–Na?CO?是最优系统，实验验证表明其分配系数分别为K = 6.42（对于BN）和5.7（对于BEtOH），萃取产率分别为89 wt%和82 wt%。将这两种溶剂与酶解和发酵过程结合后，可获得纯度为97 wt%的18.7 g/L生物乙醇，证实了转化与分离的有效耦合。总体而言，本研究建立了一种新的基于DFT的DES-ABE策略，用于双酶-生物燃料的回收，减少了实验中的试错次数，并实现了绿色废弃物向资源的可扩展转化。
引言
有效的废弃物管理仍然是食品加工行业面临的主要挑战，尤其是在水果和蔬菜领域，因为在榨汁、罐装等相关操作过程中会产生大量废弃物[1]。菠萝加工过程中的废弃物尤为严重，大约75-80%的果实被丢弃为果皮、果核和果茎[2,3]。虽然这些废弃物传统上被用作动物饲料或肥料，但由于附加值低且需求不稳定，这种用途越来越被认为不可持续。因此，将菠萝废弃物转化为高价值生物化学品已成为支持循环生物经济目标的一种有前景的策略[2,4]。这里的菠萝废弃物特指农业工业副产品，如果皮、果核、果冠和纤维残渣，它们占加工后果实的很大比例[5,6]。这些废弃物富含简单糖类（如葡萄糖、果糖和蔗糖）以及复杂碳水化合物（如纤维素和半纤维素），后者可以水解为可发酵的糖类[7]。此外，菠萝废弃物还含有生物活性化合物（如酶和酚类），使其能够转化为高附加值产品（如生物乙醇、有机酸和蛋白酶[[8], [9], [10]]。这些特性使得菠萝废弃物成为集成生物精炼过程的理想原料，可用于同时生产生物乙醇和高价值酶。然而，要高效利用菠萝废弃物，需要适当的预处理和下游分离技术，因为传统处理方法通常能耗高、依赖强化学物质，并可能影响酶活性和整体工艺经济效益[11]。为克服这些挑战，人们正在探索基于溶剂的双相萃取、反胶束萃取和提取发酵等替代方法[12,13]。这些更环保的方法旨在降低能耗同时保持效率，使其更适用于工业应用。深共晶溶剂（DES）因其低挥发性、可调性质、稳定性、无毒性和成本效益而成为传统溶剂的理想替代品[14]。DES通常由两种或更多组分合成，通常是氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）[15]。HBA和HBD之间的分子相互作用以特定比例结合后，混合物的熔点低于各组分单独存在时的熔点[16]。最新研究表明，深共晶溶剂在提取多种高价值生物分子方面具有高效和可持续性[17, [18], [19], [20]]，特别是在从农业食品废弃物中回收生物燃料和酶方面表现出色[21,22]。Tripathy等人[23]探讨了DES在从农业食品废弃物中回收生物乙醇等高附加值产品中的应用，强调了其在绿色生物加工中的作用。Roselli等人[24]报告了使用包括DES在内的环境友好型萃取系统从食品工业废弃物中回收生物活性化合物（如菠萝蛋白酶）。Nakka等人[25]进一步证明了DES在萃取和保持酶活性方面的双重功能。Manivannan等人[26]研究了基于DES的预处理、水解和发酵过程在将水果废弃物转化为生物乙醇中的集成应用，强调了DES在推动可持续生物精炼方法中的关键作用。然而，这些研究主要集中在单一产品的回收上，并且很大程度上依赖于经验性的溶剂筛选，限制了其在集成生物精炼中的可扩展性和预测能力。此外，从单一生物质流中同时回收具有不同物理化学性质的多种产品（如酶和生物乙醇）的研究仍较为有限。同时，基于密度泛函理论（DFT）的计算工具因提供了溶剂-溶质相互作用的分子级见解而变得越来越重要。DFT有助于预测溶剂性质及溶剂与目标产物之间的相互作用[27,28]。通过拓扑参数分析[31]可以研究关键参数，如相互作用能[29,30]、键强度和相互作用类型。DFT结合QTAIM、NBO和COSMO-RS等补充分析，能够预测相互作用能、氢键特性和溶剂选择性。Balungile等人[32]分析了基于咪唑的深共晶溶剂的物理和分子性质（包括密度、折射率、摩尔体积和等熵压缩性），以研究其与羧酸（如乙酸和丙酸）的相互作用。Mazharuddin等人[33]使用COSMO-RS和DFT研究了Alanine/Lactic acid（1:1）深共晶溶剂与印度沥青质之间的相互作用，以分析其在油藏中的萃取效率。Ishaat等人[34]通过DFT和TDFT分析了p-甲苯胺和苯四羧酸复合物的形成常数、相互作用能、自由能和离子化势以及振荡强度，以确定其光催化活性。Ying等人[35]展示了DFT在极化连续模型中使用三种不同泛函评估40种离子分子对有机化合物影响的能力。Yan-Zhen等人[36]分析了七种不同溶剂的氢键和溶剂化性质对山柰酚分子抗氧化性能的影响。Daniela等人[37]比较了DFT-D、MO5和MO6-2X等泛函在检测非共价相互作用方面的有效性。Lennart等人[38]使用多种泛函研究了蛋白质与配体之间的自由结合能，展示了DFT在分子相互作用研究中的多功能性。Fariba Ghafari等人[39]使用DFT研究了布洛芬和对乙酰氨基酚等止痛药与PEG 600和氯化钾等溶剂之间的相互作用，以评估双相萃取效率。这些研究强调了DFT在优化溶剂选择过程中的潜力，使其成为集成生物精炼应用的宝贵工具。尽管这些工作展示了DFT在溶剂评估中的实用性，但DFT引导的溶剂设计与实验双相萃取过程的集成仍然有限，特别是在从复杂生物质中回收多种产品时。对于菠萝废弃物生物精炼而言，这一差距尤为明显，因为菠萝蛋白酶和生物乙醇需要不同的分离条件。
本研究提出了一种综合的计算-实验框架，通过使用DES作为可持续萃取剂，同时从菠萝废弃物中提取两种高价值产品——菠萝蛋白酶（BN）和生物乙醇（BEtOH）。系统地设计并筛选了九种二元III型DES（T3-DES）及其草酸改性的三元类似物（T3-DES*），并与五种无机盐进行了对比，以评估其萃取潜力。使用三种混合泛函（B3LYP-D3、M06-2X和ωB97X）在6-311++G(d,p)理论水平上对所有组分（包括HBA、HBD、DES-产物复合物和盐-产物系统）进行了结构优化。为了阐明控制溶剂-溶质亲和力的分子间相互作用机制，进行了量子原子分子理论（QTAIM）分析、自然键轨道（NBO）分析和核心-价键分叉（CVB）指数评估，并通过COSMO-RS建模量化了溶剂选择性和容量。基于计算结果，选定的DES系统被集成到生物精炼框架中，与酶解和酵母发酵结合用于生物乙醇的生产和蛋白酶的回收。分配系数和产率被作为评估参数。总体而言，本研究通过将分子级别的溶剂设计与双产品回收相结合，建立了一种全新的废弃物转化范式，实现了工艺的强化，同时减少了实验筛选并推动了可持续生物精炼的发展。
部分摘录
化学品和试剂
氯化胆碱、甜菜碱、甘油、薄荷醇、乙二醇、丁二醇、丙二醇、尿素、乙酸、乳酸和癸酸购自sigma Aldrich Pvt Ltd（纯度99%）；Na?SO?、NaH?PO?、Na?CO?、KH?PO?和K?HPO?盐购自Himedia（纯度95%）。Ananas comosus的果皮和果茎废弃物来自印度Thanjavur的当地水果供应商。为确保完全消毒，将废弃物浸泡在100 ml 2%（v/v）次氯酸钠溶液中15分钟。
二元和三元DES系统的热物理性质
为了评估所设计的二元III型DES（T3-DES1–T3-DES9）及其草酸改性的三元类似物（T3-DES1*–T3-DES9*）在提取生物精炼应用中的适用性，系统地研究了它们在萃取和下游处理相关温度范围内的热物理性质（即密度和粘度）。
二元和三元DES系统的密度随温度的变化情况见图2a
结论
本研究提出了一种基于DFT指导和实验的策略，通过选择性提取菠萝蛋白酶（BN）和生物乙醇（BEtOH），利用III型深共晶溶剂（T3-DES）及其草酸改性衍生物实现了菠萝废弃物的转化。DFT筛选表明B3LYP-D3是最可靠的泛函，用于描述溶剂-溶质相互作用。QTAIM和NBO分析证实，主要由氢键主导的可逆非共价相互作用控制了这一过程
资助
Srimathi Umasekar感谢印度教育部通过总理研究学者（PMRF）计划——2023年第11轮提供的研究资助。
CRediT作者贡献声明
Srimathi Umasekar：撰写——原始草稿、研究、数据分析、概念构思。Nagajyothi Virivinti：撰写——审稿与编辑、验证、监督。
