基于计算方法设计的天然深共晶溶剂用于多酚类化合物的可持续提取：工艺强化、分子机制与溶剂循环利用

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Computationally Guided Design of Natural Deep Eutectic Solvents for Sustainable Extraction of Polyphenol Compounds: Process Intensification, Molecular Mechanisms, and Solvent Circularity

　　

摘要

要实现植物来源多酚的可持续回收，就需要采用能够同时减少有机溶剂使用量、提高工艺效率并明确作用机制的提取系统。本研究提出了一种基于计算方法的天然深度共晶溶剂策略，用于高效且可持续地从Dioscorea cirrhosa Lour.中提取多酚。首先运用适用于真实溶剂的导电性筛选模型（COSMO-RS）来预测8种候选天然深度共晶溶剂的溶质-溶剂亲和力，结果发现甜菜碱-马来酸复合物因具有理想的极性分布和氢键互补性，是最具潜力的绿色溶剂。随后，通过结合人工神经网络与遗传算法优化了超声辅助提取工艺。在相同的初始提取条件下，甜菜碱-马来酸复合物的TPC提取率比70%乙醇高1.63倍。经过人工神经网络-遗传算法优化后，该工艺的GAE提取量达到38.14毫克/克干重，相比传统超声提取方法高出1.73倍。通过FT-IR、SEM以及100纳秒分子动力学模拟进行的机制研究显示，该工艺存在两种协同作用机制：超声空化作用破坏了植物细胞壁的紧密结构，而甜菜碱-马来酸复合物则通过静电作用和范德华力对释放出的多酚物质提供更强的热力学稳定性。UPLC-Q Exactive/MS分析证实，该工艺可有效富集多种酚类酸和黄酮类化合物，抗氧化试验也表明，这种优化后的工艺能够保留提取物的生物活性。在经过第五次和第六次重复使用后，甜菜碱-马来酸复合物的提取能力仍分别保持在初始水平的62%和49%，这表明其在所测试条件下具有重复使用潜力。基于AGREEprep方法的绿色度评估显示，采用甜菜碱-马来酸复合物的工艺绿色度得分为0.80，而传统乙醇提取方法的得分仅为0.59，说明前者具有更优的绿色特性。本研究通过计算方法设计溶剂、优化工艺、阐明分子级作用机制以及实现溶剂重复使用，为生物质资源的可持续利用提供了合理的框架。