综述：深共晶溶剂在可持续提取和回收动物来源蛋白质中的新兴作用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：The emerging role of deep eutectic solvents in sustainable extraction and recovery of animal-derived proteins

　　

• DES/NADES分解交联丰富的动物基质
• 酸性甜菜碱DES直接靶向胶原和角蛋白交联
• 混合DES（超声、微波、脉冲电场）加速顽固动物生物质转化
• DES实现海洋、禽类及屠宰场废弃物的循环高值化
• 综述绘制了食品级NADES的放大、监管及AI驱动路径

## 引言

全球对高质量动物源蛋白的需求正在激增，这由人口增长、城市化进程加快以及食品、保健品、制药、生物材料和化妆品领域对营养与功能性成分日益重视所驱动（Dhiman, Mukherjee, Kumar, & Krishan, 2026）。来源于肉类、禽类、乳制品和海洋产业的胶原、明胶、角蛋白及生物活性肽等蛋白在这些行业中发挥着至关重要的作用（Lee, Ledgard, Cypriano, Woodgate, & Becquet, 2025）。然而，集约化动物养殖产生了大量副产品和废弃物，通常占动物原始体重的40–60%（Boboua等人, 2024）。这些残留物，包括皮、骨、羽毛、鳞片及加工废水，通过温室气体排放、水体污染、土地占用和废弃物处置问题造成了巨大的环境负担（Lee等人, 2025）。这一悖论凸显了循环经济的迫切需求：将这些富含蛋白质的副产品转化为有价值的资源，而非负担。可持续回收不仅能减轻环境影响，还能减少对初级动物生产的依赖，提高资源效率，并支持更具韧性的生物经济发展（Nath等人, 2023）。

传统的动物源蛋白提取和回收方法长期依赖酸或碱水解、有机溶剂和酶法工艺。尽管这些方法已实现工业化生产，但存在严重缺陷。剧烈的pH变化往往导致蛋白质大量变性、必需氨基酸降解以及类赖氨酸等非期望副产物的形成，从而损害营养价值和溶解性、乳化性、起泡性和凝胶性等工艺技术功能特性（Hadidi, Aghababaei, & McClements, 2023; Hadinoto, Ling, Pu, & Tran, 2024; Le等人, 2025）。有机溶剂提取存在毒性问题、高挥发性和环境持久性，并产生需要昂贵处理的二次废物流（Soladoye等人, 2025）。酶解虽然更具选择性，但往往成本高昂、耗时且对基质干扰敏感，导致回收不完全和产率较低，尤其是在富含角蛋白的羽毛或高度交联的胶原组织等顽固动物基质中（Banasaz & Ferraro, 2024; Dhiman等人, 2026）。这些限制共同导致可持续性差、能耗和水耗高以及蛋白功能降低，从而阻碍了其在高附加值市场的应用，与现代绿色化学和可持续性标准相冲突（Chandran, Kashyap, & Thakur, 2024; Moktip等人, 2025）。

为应对这些挑战，深共晶溶剂（DESs）作为有前景的"设计型"绿色溶剂应运而生。DESs通常由氢键受体（HBA，如氯化胆碱或甜菜碱）与氢键供体（HBD，如尿素、有机酸（如草酸、柠檬酸）、甘油或糖类）按特定摩尔比混合而成（Ling & Hadinoto, 2022; X. Yang等人, 2026）。所得共晶混合物熔点显著降低，在室温或接近室温下呈液态。这些溶剂的特征为蒸气压极低、挥发性低、生物降解性高，且通常毒性较低，尤其是来源于天然代谢物时（通常称为天然深共晶溶剂或NADES）。其物理化学性质，包括极性、粘度和疏水性，可通过组分选择、摩尔比或控制加水进行精细调节（Ferreira & Sarragu?a, 2024; Martins等人, 2025; Negi等人, 2024）。这种多用途性结合低成本和简便制备，使DESs成为食品科学和生物炼制领域提取生物活性化合物、脂质和大分子的可持续替代方案（Ling & Hadinoto, 2022）。

然而，重要的实际问题仍然存在。许多纯DES制剂表现出高粘度，可能阻碍传质和溶剂向致密动物组织的渗透；在复杂富蛋白基质中溶剂回收和长期可重复使用性仍不完善；某些HBA或HBD组分可能因预期应用不同而引发毒性或监管担忧；从实验室到连续工业化规模的技术和经济障碍依然存在，涉及设备设计、粘度管理能耗和工艺整合等问题（Bowen等人, 2022; ?ahin等人, 2026）。

尽管DESs在生物质加工领域引起越来越多关注，但关于其具体应用于动物源蛋白基质的知识空白仍然存在。与通常富含纤维素、半纤维素和球状蛋白的植物基材料不同，动物组织呈现出一系列独特且往往比大多数植物基质更难对付的挑战：(i) 致密、高度交联的纤维网络（胶原三螺旋通过共价交联稳定；角蛋白通过广泛的二硫键稳定）；(ii) 骨骼、鳞片和壳中较高的矿物含量可能干扰溶剂渗透和后续纯化；(iii) 复杂的脂质-蛋白质相互作用和残余脂肪促进乳液形成和污垢堆积；(iv) 水分、pH和内源酶活性的变异性影响提取可重复性；以及(v) 对高价值食品、生物医学和化妆品应用经常需要保持天然或近天然的工艺技术功能特性（凝胶性、乳化性、成膜性）（Hanafi, Anwar, & Saari, 2024）。

这些特征需要定制化的溶剂策略，如酸性DES制剂能在不过度降解的情况下破坏强分子间键。虽然已有多篇优秀的综述研究了DESs在一般蛋白质提取或主要从植物/植物来源提取蛋白质的应用（Bowen等人, 2022; Hanafi等人, 2024; Kumoro等人, 2024; Liu等人, 2025; Tarahi, Aghababaei, McClements, & Hadidi, 2025），但没有一篇提供专门针对动物源蛋白的集中综合评述。现有著作要么仅边缘性地涉及动物基质，要么采用广泛的生物质视角而未系统性地解决胶原、角蛋白、肌原纤维及乳蛋白独特的结构、组成和下游挑战。因此，关于可扩展性、长期保持蛋白质结构和功能性、复杂动物体系中溶剂可重复使用性、食用应用食品级安全性以及全生命周期环境影响等关键问题仍然存在。

本综述填补了这一空白，首次提供专门针对动物源蛋白的DES/NADES平台的集中批判性评估。其独特贡献包括：(i) 针对胶原、明胶和角蛋白高度交联纤维网络的详细分子相互作用机制；(ii) 跨海洋副产品、屠宰场和禽类副产品、乳制品及新兴昆虫生物质的系统性靶向提取策略；(iii) 混合辅助技术的评估；(iv) 下游分离、DES可重复使用性、蛋白质质量和工艺技术功能特性的深入分析；以及(v) 技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和监管/食品安全考虑的整合讨论。

关键的是，DES/NADES技术的工业前景和遗留问题在不同化合物类别中并不相同。动物源基质呈现出独特的物理化学和加工挑战——高度交联的纤维结构、较高的矿物和脂质含量以及保持天然工艺技术功能特性的需求（用于食品、生物医学和化妆品应用）——这些与植物次生代谢物、多糖或木质纤维素组分中遇到的挑战有显著差异。因此，溶剂设计标准、下游分离策略、可重复使用性限制、监管路径和放大障碍是基质特异性的，不能简单地从其他生物活性化合物的广泛DES文献中移植（Hanafi等人, 2024; Wong, Khoiroh, Gan, & Croft, 2025）。通过在循环生物经济框架内综合这些要素，本综述提供了比现有文献更清晰的工业转化路线图。

据此，本综述的具体目标是：(1) 概述与蛋白质体系相关的DES化学基础，包括合成、分类、性质调节及与动物基质的分子相互作用机制（第2节）；(2) 批判性审视跨主要动物生物质流（海洋副产品、屠宰场和禽类副产品、乳制品及替代来源）的靶向DES提取策略及混合辅助技术（第3节）；(3) 评估DES提取对蛋白质构象稳定性、工艺技术功能特性及感官质量的影响（第4节）；(4) 讨论下游分离方法、DES可重复使用性及整体工艺质量平衡（第5节）；(5) 评估技术经济性能和生命周期性能以及监管和食品安全考虑（第6节）；以及(6) 识别剩余瓶颈并提出前瞻性的研究和工业路线图（第7节）。这些章节共同旨在为研究人员、过程工程师和产业界利益相关者提供清晰的、可操作的综合评估，推动动物副产品在循环生物经济中的可持续高值化。

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## 章节摘要

**合成与分类**

DESs通过定义好的摩尔比将HBA和HBD混合，在温和加热（50–100°C）并持续搅拌至形成清晰均匀液体来合成（图1）。这一单步、无溶剂过程本质上可规模化且不产生化学副产物，使其适用于工业生物加工。DESs中观察到的显著熔点降低源于密集分子间氢键网络的形成，该网络破坏了晶体晶格——

**跨动物生物质流的靶向提取策略**

动物源生物质包括广泛的加工副产品和废物流，每个都呈现出独特的组成和结构挑战。DESs已展现出卓越的多功能性，能够实现定制的提取策略以应对海洋、陆地和替代动物来源的独特特征。通过定制DES组成、含水量和操作条件，研究人员可以有效靶向顽固蛋白——

**DES对回收蛋白质质量、结构和功能的影响**

DESs和NADESs通常对动物源蛋白的影响比传统严苛提取方法更温和，可在优化条件下保持结构完整性和功能性能（表2）。然而，结构保持程度高度依赖于DES组成（尤其是酸度和含水量）、提取温度和时长以及目标蛋白的内在稳定性。本节考察了构象、工艺技术功能——

**下游分离、回收与DES可重复使用性**

下游处理是动物蛋白回收中DES工作流程的关键但常被忽视的方面（图5）。尽管DESs在溶解来自鱼皮或禽类等复杂基质中的顽固蛋白方面表现出色，但将目标蛋白从粘稠DES相中有效分离和溶剂回收对于实现工业化规模的经济可行性、高纯度和整体可持续性至关重要（Hanafi等人, 2024; Kumoro等人, 2024）。

**技术经济分析与生命周期环境评估**

技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）是评估深共晶溶剂（DESs）在动物蛋白回收中商业可行性和真实环境性能的必要工具（图6）。虽然DESs在提取效率和温和操作条件方面具有明显优势，但与常规方法或DES在木质纤维素中的应用相比，专门针对动物源蛋白体系的综合评估仍然非常有限——

**未来展望与结论**

DESs和NADESs已从实验室好奇之物迅速发展为可持续回收动物源蛋白的有前景绿色平台。本结论部分批判性评估了持续存在的挑战，概述了未来十年的战略路线图，并提供了该技术在全球食物系统中颠覆潜力的综合判断。

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## 未引用文献

Batista et al., 2025; Batista et al., 2024; EFSA, Panel on Additives, P. o. S. u. i. A. F. et al., 2025; Putranto et al., 2025; Wang et al., 2022.

## CRediT作者贡献声明

Mustapha Muhammad Nasiru：概念构思、撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化。
Evans Frimpong Boateng：撰写——审阅与编辑、可视化、调查。
Fawze Alnadari：软件、调查、可视化。
Sanusi Shamsudeen Nassarawa：调查、软件、可视化。
Abdullateef Taiye Mustapha：资源、调查。
Fangchao Cui：验证、资源、项目管理。
Jianrong Li：验证、指导、资源、经费获取。

## 生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）生成图件中的某些视觉组件，并辅助图件内容的初步撰写和组织。QuillBot和Grammarly也被用于改善语言清晰度、可读性并降低文本相似度。作者对AI辅助的所有输出进行了审阅、编辑和精炼，并对出版内容的准确性、完整性和最终内容承担全部责任。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到了辽宁兴辽人才计划领军人才项目（XLYC2402026）资助。

Mustapha Muhammad Nasiru | Evans Frimpong Boateng | Fawze Alnadari | Sanusi Shamsudeen Nassarawa | Abdullateef Taiye Mustapha | Fangchao Cui | Jianrong Li | Xuepeng Li