《Food Chemistry》：An integrated strategy to obtain ready-to-use carotenoid extract from persimmon (
Diospyros kaki Thunb.) using hydrophobic eutectic solvents: From virtual COSMO-SAC screening to atomistic level mechanism
编辑推荐：
•建立了一种综合策略来制备即用型类胡萝卜素提取物。
•通过量子化学计算方法筛选疏水低共熔溶剂。
•基于神经网络的优化为响应面方法提供了一种替代方案。
•筛选出的疏水低共熔溶剂具有良好的类胡萝卜素保护作用。
引言
类胡萝卜素在人类健康中发挥着关键作用，作为维生素A前体和抗氧
引言
类胡萝卜素在人类健康中发挥着关键作用，作为维生素A前体和抗氧化剂（Hossain等，2018），同时还参与预防慢性疾病（Bohn等，2021）和维护眼部健康（Duan等，2026）。柿子因其丰富的生物化合物成分——包括类胡萝卜素、酚类化合物和黄酮类化合物——与抗氧化活性等生物活性相关（Wang等，2023；Jia等，2024；Lee等，2025），而持续受到研究关注。然而，柿子中的类胡萝卜素组成表现出明显的变异性，受品种、生长环境和成熟阶段等因素影响（Etzbach等，2018；Gea-Botella等，2021；Lee等，2025；Ye等，2022；Zaghdoudi等，2017）。"公城月柿"是广西恭城——中国主要柿子产区之一——的重要地方品种（Chen等，2024）。尽管其农业意义重大，但对其类胡萝卜素组成的全面分析以及便捷可持续的提取方案仍然缺乏，从而阻碍了其商业化和增值加工。
传统类胡萝卜素提取方法通常使用大量有机溶剂，如乙酸乙酯、丙酮、乙醇和正己烷。这些溶剂由于其挥发性和毒性，不仅存在显著的环境和健康风险（Naveira-Pazos等，2024），而且限制了提取物在食品领域的应用。此外，后续的溶剂去除步骤（如蒸发和冻干）和处理步骤增加了工艺复杂性和操作成本，使其工业应用潜力令人不满意（Gonzalez等，2025）。而且，类胡萝卜素成分的多样性需要组合多种有机溶剂，如传统的正己烷、丙酮和乙醇1:1:1（v/v/v）组成的溶剂，这进一步增加了溶剂使用的复杂性。作为回应，几种新型提取方法应运而生，尤其是疏水低共熔溶剂（HESs），由于其可生物降解性、设备兼容性和在类胡萝卜素提取方面的显著效率而备受关注（Osamede Airouyuwa等，2024；Vardanega等，2023）。特别是，使用食品兼容的HES组分，如调味剂薄荷醇和百里酚，可以简化提取过程，并使所得提取物无需去除溶剂即可直接用于食品、保健品和化妆品配方中（Fraterrigo Garofalo等，2025；Pei等，2025），从而绕过能耗密集型的浓缩步骤。然而，HES组分巨大的组合多样性极大地扩大了理论筛选空间（Osamede Airouyuwa等，2024）。理论上，单一的氢键受体（HBA）可能与数十甚至数百个氢键供体（HBDs）形成低共熔体系，导致大量耗时且费力的试错合成和验证实验，从而阻碍了HESs的更广泛应用。
鉴于上述HESs的高组合复杂性，是否存在潜在的高效高通量溶剂筛选方法以替代传统实验验证方法，引起了广泛关注。值得注意的是，量子化学计算方法，特别是基于导体的屏蔽模型-分段活度系数（COSMO-SAC）方法（Gerber和de Soares，2010），提供了一种强有力的可选解决方案（Zhu等，2020；Wang等，2024；Fattahi等，2025）。COSMO-SAC方法能够通过无限稀释活度系数（即γ∞）来预测热力学性质，包括溶质在各种溶剂中的溶解度，这些系数源自基于真实溶剂的导体屏蔽模型（COSMO-RS）理论（Eckert & Klamt，2002）的分子表面电荷密度轮廓（σ-曲线）。这种方法可以根据分子结构和分子间相互作用，理性设计并高效筛选目标溶质的提取溶剂，从而通过减少对大量繁琐实验尝试的依赖，显著加速溶剂选择。COSMO-SAC已成功应用于深共熔溶剂的高通量筛选，用于提取各种植物化学物质，如香菇中的香菇多糖（Wang等，2024）、甜叶菊叶中的甜菊糖苷（Milani等，2020）和橄榄叶中的羟基酪醇（Zurob等，2020），从而有效架起了理论溶剂筛选与实际应用之间的桥梁。
在合理选择溶剂后，优化提取参数构成下一个关键步骤。响应面方法（RSM）是广泛用于优化植物化学物质提取参数的统计工具。然而，其性能严重依赖于实验设计，并可能因噪声或缺失数据而受到影响，限制了稳健性和预测准确性（Abdullah等，2021）。相比之下，人工神经网络（ANN）在建模复杂的非线性提取过程中展现了替代性的一般化能力和预测能力（Ciric等，2020；Pan等，2017）。ANN通过分层网络结构自适应地捕捉输入变量和输出响应之间的线性和非线性关系（Sun等，2019）。与遗传算法（GA）结合使用时，GA可以通过选择、交叉和变异机制进行全局搜索，以在ANN定义的空间中确定最优解。ANN-GA能够实现提取参数的有效建模和优化，如印度菊花（Flos chrysanthemi indici）中的野漆黄素（Pan等，2017）、香菇中的香菇多糖（Wang等，2024）和蒜（Allium sativum L.）中的多酚（Ciric等，2020）。这些研究清楚地证实了ANN-GA框架的有效性和准确性，突出了其作为传统RSM方法有力替代方案的潜力（Giri等，2024）。
因此，本研究旨在建立一种综合目标提取策略，使用食品兼容的HESs从柿子中制备即用型类胡萝卜素提取物。开发的策略结合了高通量COSMO-SAC溶剂筛选、ANN-GA优化和分子动力学模拟以可视化溶解行为。本研究突出了COSMO-SAC在疏水植物化学物质提取溶剂筛选中的应用，并验证了ANN-GA在提取过程建模和优化中的效用。建立的基于HESs的便捷、可持续和即用型方法为柿子类胡萝卜素的商业利用提供了重要潜力，同时也为植物化学物质的提取提供了可重复的理性设计和机理分析途径。
章节摘要
材料和试剂
成熟的"公城月柿"（Diospyros kaki Thunb.）果实采自中国广西恭城瑶族自治县（桂林）。果实采收后立即切片并冻干，用10%（v/v）乙醇洗涤以有效去除糖分，同时最大程度保留主要植物化学物质，所得粉末密封并在-20 °C下储存。正己烷、丙酮、乙醇、甲酸、乙酸乙酯和HES组分（即苯甲酸、愈创木酚……
柿子类胡萝卜素谱分析
尽管"公城月柿"的类胡萝卜素之前已有研究，但其具体组成的全面和详细鉴定仍然有限（Ye等，2022）。传统比色法基于特定波长（如450 nm）的吸光度，使用经验消光系数来定量总类胡萝卜素含量，本质上无法区分单个类胡萝卜素种类（Amorim-Carrilho等，2014）。同时，标准……
结论
本研究开发了一种综合目标提取策略，结合了量子化学计算推导的虚拟溶剂筛选、分子动力学模拟引导的机理阐明和人工神经网络辅助的提取过程建模与优化。基于目标化合物的组成分析，COSMO-SAC模型被证明是高效设计有效HESs的有力工具，显著减少了对繁琐的……
致谢/资金来源
本工作得到湖北省科技厅科技创新专项资金（2024BBB034）的支持。
CRediT作者贡献声明
Qingyun Guan：写作——初稿，方法论，调查，正式分析，数据整理。Feixue Wu：写作——初稿，方法论，调查。Yunfei Huang：方法论，正式分析。Ruifeng Wang：方法论，调查。Chunmei Li：写作——审阅与编辑，监督，概念化。
未引用文献
Guan, Wu, Li和Li, 2026
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。
Qingyun Guan | Feixue Wu | Yunfei Huang | Ruifeng Wang | Chunmei Li
