《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted green hydrophobic deep eutectic solvents extraction of capsanthin from red peppers: optimization, kinetics, stability, and insights into extraction mechanisms
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**摘要专业翻译**
辣椒红素（capsanthin）是一种广泛应用的天然色素，但采用传统溶剂提取时存在效率低和环境污染等问题。为解决上述问题，本研究采用超声辅助疏水性低共熔溶剂（hydrophobic deep eutectic solvent, HDES
**摘要专业翻译**
辣椒红素（capsanthin）是一种广泛应用的天然色素，但采用传统溶剂提取时存在效率低和环境污染等问题。为解决上述问题，本研究采用超声辅助疏水性低共熔溶剂（hydrophobic deep eutectic solvent, HDES）提取辣椒红素。筛选出百里香酚:薄荷醇（摩尔比1:2）（HDES-3）为最优溶剂。辣椒红素的提取过程符合菲克第二定律（Fick's second law）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析证实，HDES组分间的氢键相互作用促成了HDES的形成。HDES-3对原料结构具有最显著的破坏作用，并表现出更强的提取能力。采用密度泛函理论（density functional theory, DFT）和分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟进一步探究了HDES-3与辣椒红素之间的相互作用。辣椒红素与HDES之间的主要相互作用为范德华力和氢键，其中范德华力起主导作用。同时，HDES-3与辣椒红素之间更稳定的氢键增强了辣椒红素的稳定性。本研究为辣椒红素提取中传统溶剂的使用提供了一种高效、绿色的替代方案。
**论文解读文章**
**一、研究背景与意义**
食品色泽是衡量其品质的关键指标，对消费者的接受度具有重要影响。尽管合成色素因色彩鲜艳、性质稳定而在工业中广泛应用，但日益增长的安全性担忧使得其应用受到越来越严格的审视。相比之下，天然色素因其更高的安全性和良好的着色性能逐渐受到消费者青睐。辣椒红素是一种脂溶性化合物，在干红辣椒粗提物中含量最为丰富。研究表明，辣椒红素占干红辣椒粗提物的92.51%，其红色至红橙色来源于分子结构中的共轭多烯发色团和酮基。辣椒红素已被联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）认定为具有突出安全性的A类色素成分，这促进了其在食品、染料和化妆品工业中的广泛应用。此外，辣椒红素还具有抗氧化、抗肥胖、抗炎、抗肿瘤等生物学功能，展现了其在功能性食品和药品领域的应用潜力。
目前，正己烷和石油醚等有机溶剂是辣椒红素提取的主要介质，但长期使用会带来环境和人体健康风险。此外，这些传统方法提取率低，所获色素稳定性有限。离子液体（ionic liquids, ILs）和超临界流体虽被提议作为绿色替代方案，但离子液体存在制备成本高、毒性大、生产工艺复杂等缺点；超临界流体萃取则受限于设备昂贵和操作复杂。低共熔溶剂（deep eutectic solvents, DESs）近年来作为离子液体和传统溶剂的有效替代品受到广泛关注，其通过氢键受体（hydrogen bond acceptors, HBA）和氢键供体（hydrogen bond donors, HBD）之间的氢键作用形成，具有生产成本更低、制备更简单、生物降解性更强和稳定性更好等优势。然而，大多数DESs具有亲水性，限制了其在脂溶性样品中的应用。疏水性低共熔溶剂（hydrophobic deep eutectic solvent, HDES）的出现解决了这一问题，已被证明在脂溶性色素提取中具有高效率和良好的稳定性。然而，利用HDES提取辣椒红素的研究尚属少见，其相互作用机制迄今也缺乏深入探究。
传统提取技术耗时久、效率低，不符合绿色可持续发展目标。超声辅助提取（ultrasonic-assisted extraction, UAE）因其简单、经济高效而被广泛用于天然生物活性物质的提取。高频超声波产生的空化气泡能够有效破坏植物细胞壁，促进溶剂渗透到细胞基质中。超声技术通过显著缩短提取时间和降低能耗，提供了一种更环保的替代方案。HDES本身对植物细胞壁也具破坏作用，因此HDES与超声辐射相结合能有效破坏细胞壁，提高目标化合物在溶剂中的溶解度和提取率。超声辅助HDES提取已被广泛用于天然植物的化合物提取，但将其应用于辣椒红素提取的研究仍十分有限。基于此，本研究以红辣椒为原料，采用超声辅助绿色HDES提取辣椒红素，利用响应面法（response surface methodology, RSM）优化提取工艺，并系统评价提取动力学、稳定性及提取机制，旨在为辣椒红素提取提供一种新型、高效、环境可持续的替代方法。
**二、研究设计与主要技术方法**
该研究采用多种关键技术方法：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析溶剂形成机制及对原料结构的破坏作用；采用响应面法（RSM）中的Box-Behnken设计（BBD）优化提取工艺参数；基于菲克第二定律建立提取动力学模型；运用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟从分子层面阐明提取机制。样本来源为新疆库尔勒市采集的红辣椒（Capsicum annuum 'Honglong 25'）。
**三、主要研究结果**
**1. DES的筛选**
通过紫外-可见光谱（UV-Vis）分析，所有提取液与辣椒红素标准品在470 nm处呈现相同最大吸收波长，表明提取液主要成分为辣椒红素。在5种溶剂中，HDES-3的提取率最高（14.06 mg/mL），其次为HDES-2（12.90 mg/mL）、HDES-4（12.51 mg/mL）、HDES-1（11.73 mg/mL）和乙醇（10.03 mg/mL）。HDES的密度（0.88–0.93 g/cm3）低于水，与水的密度差均超过0.05 g/cm3阈值，适用于提取非极性辣椒红素。HDES-3虽在所有溶剂中黏度最大（27.81 mPa·s），但远低于100 mPa·s临界值，不会对传质产生明显限制，且较高的黏度对应较强的氢键能力，可增强辣椒红素溶解度并稳定其共轭结构。HDES-1和HDES-4呈酸性（pH分别为-1.28和-0.62），而辣椒红素在酸性环境中易分解，这解释了其相对较低的提取效率。HDES-2虽具有较多氢键，但过量氢键增加了溶剂极性，依据"相似相溶"原理反而降低了非极性辣椒红素的提取率。因此，HDES-3（pH=7.87）被选为最优提取溶剂。
**2. 基于RSM的DESs-UAE条件建模与优化**
单因素实验考察了提取温度、超声功率和时间对辣椒红素得率的影响。BBD实验设计中，17个实验组的辣椒红素得率介于12.00–14.50 mg/mL之间。方差分析显示模型F值为273.88（p<0.01），失拟项p值为0.1982，模型稳定且拟合准确；决定系数R2为0.9972，变异系数（CV）为0.4958，信噪比为48.05，验证了模型的高可靠性和精确度。RSM优化得到的最佳提取条件为：温度61 °C、功率417 W、时间46 min，模型预测浓度为14.48 mg/mL。在此条件下进行三次平行实验，实际辣椒红素浓度为14.58 ± 0.25 mg/mL，实验值与模型预测值高度一致，表明RSM优化的参数具有较高的准确性和可靠性。
**3. 提取动力学模型**
基于菲克第二定律建立了HDES提取辣椒红素的动力学模型。提取过程分为三个阶段：溶剂快速渗透进入红辣椒颗粒内部；辣椒红素分子在相互作用下从颗粒内部迁移至固-液界面；辣椒红素分子扩散进入DES溶液。在不同温度（303–343 K）下，ln[C∞/(C∞?C)]与提取时间t呈显著线性关系，所有拟合线性方程的相关系数（R2）均超过0.95，证实提取过程符合菲克第二定律。HDES-3的k值范围为0.1200–0.1906，乙醇为0.1082–0.2561，温度升高可加速辣椒红素的溶解。通过阿伦尼乌斯方程计算，乙醇和HDES-3的活化能（Ea）分别为20.61 kJ/mol和9.99 kJ/mol，表明在相同温度条件下，HDES-3具有更高的提取速率且所需能量更低。在333 K（60 °C）条件下提取20 min，辣椒红素达到最大提取值。
**4. 稳定性分析**
热稳定性研究表明，在不同温度（25 °C、60 °C、80 °C）下加热处理后，HDES提取的辣椒红素稳定性均优于乙醇。色差值（ΔE）增长速率顺序为：乙醇 > HDES-1 > HDES-4 > HDES-2 > HDES-3。在100 °C加热10 h后，HDES-3提取的辣椒红素ΔE仅为6.72，而乙醇高达16.67。HDES-3的高稳定性源于百里香酚的酚羟基与薄荷醇形成强氢键相互作用，同时百里香酚的芳香环与辣椒红素的共轭多烯链发生π-π堆积，增强了范德华力。光稳定性研究表明，经过12天自然光暴露后，HDES-3提取的辣椒红素ΔE值最低（0.61），而乙醇为4.21。HDES通过氢键作用限制溶质流动性和氧接触，加上百里香酚的抗氧化特性，有效抑制了辣椒红素的氧化降解。
**5. FTIR分析**
FTIR光谱显示，纯试剂中观察到C–H伸缩振动（2958–2865 cm?1）、–OH伸缩振动（百里香酚3237 cm?1，薄荷醇3319 cm?1）和C=O峰（辛酸1706 cm?1）。辣椒红素提取液与HDES相比未出现新峰，表明HDES与辣椒红素之间主要通过物理相互作用（氢键、范德华力等）而非化学键结合。HDES在3660–3195 cm?1区域波数变化大于乙醇，表明HDES中氢键数量更多。HDES-2和HDES-3在3531 cm?1处出现额外–OH振动，表明形成了氢键且氢键密度较高。
**6. SEM分析**
SEM观察显示，未经处理的原料表面光滑平整，细胞壁结构完整。乙醇提取后的残渣表面相对粗糙并伴有轻微皱缩。相比之下，HDES提取后的残渣表面呈现粗糙多孔的纹理结构，其中HDES-3提取后的残渣破坏效果最为显著。这种多孔形态增加了粉末-溶剂界面面积，促进了辣椒红素的快速释放。超声空化产生的微射流和冲击波破坏植物细胞壁，而HDES-3优异的溶解性和渗透能力进一步破坏了红辣椒粉表面结构，增加了表面粗糙度并创造了额外孔隙，这是HDES提取效率显著高于乙醇的关键机制。
**7. DFT理论计算**
静电势（ESP）分析显示，HDES-3中薄荷醇的羟基氢与百里香酚的羟基氧之间形成氢键，证实了供体-受体相互作用。HDES-3中负电势最低位位于–OH氧（?38.86 kcal/mol），正电势最高位位于其氢原子；辣椒红素负电势最低位位于C=O基团的O原子（?41.46 kcal/mol），正电势最高位位于–OH基团的H原子（42.34 kcal/mol）。提取过程中，HDES-3中–OH基团带正电的氢与辣椒红素的羰基氧配对形成相互作用。DFT计算表明，HDES与辣椒红素的结合能低于乙醇，结合能从小到大的顺序为：HDES-3 < HDES-2 < HDES-4 < HDES-1 < 乙醇，与实验提取效率趋势一致。HDES-3与辣椒红素的结合能最负（?42.42 kcal/mol），对应最高提取效率。相互作用区域指标（IRI）分析显示，溶剂与辣椒红素之间的相互作用以绿色峰（范德华力）分布最为集中，同时也存在蓝色峰（氢键），证实了范德华力为主导、氢键协同的相互作用模式。
**8. MD模拟**
分子动力学模拟直观显示，在乙醇溶液中0–100 ns期间辣椒红素分子相互靠近形成团簇，而在HDES-3中辣椒红素分子均匀分布，表明辣椒红素在HDES-3中溶解度更高。两种提取体系的温度和密度在模拟期间保持恒定，验证了模型的可靠性。HDES-3与辣椒红素之间的氢键数量仅为乙醇体系的1/3，但平均寿命为211.80 ps，远长于乙醇体系的53.92 ps。这表明薄荷醇羟基与辣椒红素酮基形成了强定向氢键。乙醇因高极性形成瞬态氢键网络（数量多但寿命短），破坏了辣椒红素的疏水环境；过量氢键可能因体系极性增加而产生空间位阻，阻碍非极性化合物的溶解。相互作用能计算显示，HDES-3与辣椒红素的平均相互作用能最负，其中范德华能项超过静电能项，进一步证实范德华力是主要驱动力，并与氢键协同实现高效提取。
**四、结论与讨论**
本研究筛选出一种绿色高效的HDES（百里香酚:薄荷醇=1:2，即HDES-3）用于辣椒红素提取。在最佳提取条件（61 °C、417 W、46 min）下，辣椒红素得率达到最大值14.58 mg/mL。提取动力学研究表明该过程符合菲克第二定律。与乙醇和其他HDES相比，HDES-3提取的辣椒红素表现出最佳稳定性。FTIR和SEM分析证实了HDES组分间存在氢键作用，HDES-3具有更强的侵蚀能力，显著提高了辣椒红素的溶出效率。DFT和MD模拟进一步阐明，辣椒红素与HDES-3之间的主要结合力为范德华力和氢键，其中范德华力起主导作用；同时，两者间的氢键显著更稳定，从而增强了辣椒红素的稳定性。研究结果证实百里香酚-薄荷醇体系可成为有机溶剂的绿色高效替代方案。讨论部分指出，该研究仅在实验室层面开展，未来应着力于利用经济高效的分离技术优化百里香酚:薄荷醇HDES的回收和纯化，以降低生产成本并提高环境可持续性，同时探索其与现有工业辣椒红素生产线的兼容性，以降低设备改造成本。解决这些挑战将为绿色HDES提取技术在辣椒红素工业中的大规模应用奠定坚实基础。
