深共晶溶剂（DES）在食品科学中的分子机制与应用：从可设计溶剂到食品安全监管挑战

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Deep Eutectic Solvents in Food Science: From Molecular Mechanisms to Applications

　　

深共晶溶剂（deep eutectic solvents, DES）因其灵活性、潜在低毒性和可生物降解性，在食品科学中受到越来越多关注。该综述旨在总结DES的特性及其在食品中的最新应用进展。通过调节氢键供体（hydrogen bond donors, HBD）和氢键受体（hydrogen bond acceptors, HBA）的类型及摩尔比，可设计具有定制极性、粘度和稳定性的DES，从而高效提取生物活性化合物。在食品分析中，DES用作色谱改性剂和灵敏检测平台的组分，改善复杂食品基质中的分离度和灵敏度。在食品加工中，DES可促进酯化和糖基化反应，并作为载体或包衣材料提高食品品质。尽管具有这些优势，DES在食品工业中的应用仍受限于安全性评估不足以及残留和迁移风险。总体而言，该综述强调DES在食品科学中的潜力，同时指出指导其实际应用必须解决的挑战。

1 Introduction
随着可持续发展和绿色制造理念重塑食品工业，传统有机溶剂（如甲醇和乙醇）因毒性、挥发性和环境污染成为绿色转型瓶颈。深共晶溶剂（deep eutectic solvents, DES）由氢键供体（hydrogen bond donors, HBD）和氢键受体（hydrogen bond acceptors, HBA）分子自组装形成，具有低毒性、可生物降解性和高度可设计性。其核心优势在于通过选择胆碱、有机酸、糖等天然组分及比例，精确调控极性、粘度和溶解性，从而高效选择性提取多酚、蛋白质和多糖等。DES已从传统溶剂替代品扩展为覆盖食品供应链的平台技术。当前研究多集中于应用案例，缺乏分子互作机制和构效关系认识，且提取、分析、加工研究相对孤立；规模化传质与回收、长期毒理与迁移、法规标准滞后等挑战仍存。本综述从分子到系统、从原理到挑战进行整合，旨在为DES合理设计与安全高效应用提供路线图。

2 Molecular Basis of Tunability and Universal Properties of DES
DES通常由HBA和HBD按一定摩尔比组成，因广泛分子间氢键网络和其他弱相互作用，熔点显著低于单一组分。例如氯化胆碱（choline chloride, ChCl）熔点302°C、尿素133°C，二者按摩尔比1:2形成体系熔点约12°C。多数DES仅需混合和温和加热制备。按组成和结构，DES可分为季铵盐-金属氯化物、季铵盐-金属氯化物水合物、季铵盐-HBD、金属氯化物-HBD、非离子有机HBA-HBD五类；按HBA性质可分酸性、碱性和中性。常用HBD包括乳酸（lactic acid, LA）、草酸（oxalic acid, OA）、尿素、乙酸和甘油；常用HBA包括ChCl、烯丙基三甲基氯化铵、盐酸胍和脯氨酸。食品领域选材遵循功能导向和食品安全原则：提取多酚常选ChCl与LA、苹果酸（malic acid, MA）或柠檬酸（citric acid, CA）组合；提取脂溶性组分优选百里香酚-辛酸（2:1）或薄荷醇-癸酸等疏水DES；以甜菜碱（zwitterion）为HBA与甘油或果糖组合可提高生物相容性。物性高度可调：极性可从强极性ChCl-尿素到疏水百里香酚-月桂酸；粘度可通过乙二醇（ethylene glycol, EG）替换甘油或加入10–30% w/w水降低；疏水DES密度常低于水，利于相分离；多数食品级DES在<150°C稳定。所有性质源于动态氢键网络，设计DES本质上是氢键网络工程。水是微环境调节剂，微量水可重构网络降低粘度；在甜菜碱-甘油体系中约3个水分子可替代每个甘油、约5个水分子替代每个甜菜碱；水含量超过约29.5 wt%时二级溶剂化壳破坏，系统从DES主导转为水溶液，需精确控制水含量。

3 Key Application: Extraction of Bioactive Compounds From Food
DES作为可定制靶向提取分离平台，与物理场协同，对不同目标分子发挥作用。

3.1 Enhancement of Extraction Process
DES高粘度限制传质，物理场技术可克服瓶颈。超声辅助利用空化微射流和剪切力破坏植物细胞壁，局部高温高压降低DES粘度，加速扩散。例如ChCl-OA超声从苹果渣提取多酚，总多酚从2.18增至9.97 mg/g FW，约提高4.57倍。微波辅助通过偶极旋转和离子传导产生分子级摩擦热，快速均匀加热，缩短时间，对热敏多酚可能优于超声。超声与微波顺序或同时使用可协同提取根材料酚类和萜类。高压辅助提取（HPAE）在100–600 MPa下通过细胞壁破坏和溶剂渗透，适合热敏或细胞壁坚固原料。物理破碎与DES化学溶解协同使效率倍增。

3.2 Extraction of Polyphenols
多酚与细胞壁多糖结合，结构多样、极性广。DES的酸性和氢键供体能力关键。LA、CA、OA等与酚羟基形成强氢键，将多酚从基质中“拉出”并稳定。ChCl-果糖（1:2）提取多酚最大25.452 mg GAE/g，且非挥发可回收；L-脯氨酸-甘油（1:2）超声提取藜麦总酚6.078 mg GAE/g，高于70%乙醇（2.18 mg GAE/g）和70%甲醇（4.85 mg GAE/g）。水含量显著影响产率，过量水（>50%）破坏DES内部氢键网络，降低溶解和络合能力。

3.3 Extraction of Flavonoids
黄酮以苷元或糖苷存在，极性差异大。酸性DES因丰富氢键和可调酸度，对黄酮溶解络合能力强。微波辅助ChCl-MA（1:1）从紫苏叶提取总黄酮72.54 mg/g，高于甲醇53.19、乙醇51.28和水45.12 mg/g。酸性与疏水DES组合可分工：酸促糖苷水解，疏水增强苷元稳定性。CA-脯氨酸（1:1）含60%水对多数目标黄酮提取效率高于甲醇，黄芩素和汉黄芩素提取率高2–6倍，汉黄芩素接近10倍；水增塑提高氢键柔性，但过量水破坏结构降低选择性。酶解与DES结合中，β-葡萄糖苷酶与ChCl-丙二醇（含20%水）从菊花提取芹菜素3.380 mg/g，比单DES（0.421 mg/g）高8倍以上。

3.4 Extraction of Pigments
植物色素极性和稳定性问题突出。DES密集氢键网络和可调极性/疏水性适应花青素、类胡萝卜素等。酸性天然DES为花青素提供稳定氢键环境，减少降解；疏水DES通过疏水作用增溶类胡萝卜素。疏水DES最优总抗氧化能力达5.10 mmol番茄红素当量/kg，显著高于常规提取0.27 mmol番茄红素当量/kg。DES还作为分子保护剂提高色素生物利用度、可及性和稳定性。低粘度疏水DES结合微波可破坏细胞壁，促番茄和胡萝卜类胡萝卜素释放；酸性天然DES结合脉冲超声增强传质和细胞破碎，延缓花青素高温光照降解。分子动力学模拟表明氢键和离子辅助相互作用是主要稳定因素。

3.5 Extraction of Polysaccharides and Proteins
DES提取多糖和蛋白效率高、杂质少、保持天然结构。微波辅助ChCl-MA从苎麻叶提取多糖16.67 ± 1.10%；ChCl-EG（1:3）从苦荞绿叶提取果胶75.93 mg/g，比热水提取32.13 mg/g提高136.3%，并选择性富集RG-I区，与免疫刺激和抗氧化活性相关。蛋白提取中，DES可作分子拥挤剂稳定构象、抑制聚集，减少碱法导致的赖氨酰丙氨酸形成和功能损失。ChCl-尿素（1:2）水性两相体系从螺旋藻提取藻蓝蛋白效率94.21%。基于DES的水性两相体系（DES-aqueous two-phase system, DES-ABS）通过调整HBA/HBD比调控相行为和极性窗口，实现蛋白、酶、核酸和色素等高选择性分配，提取效率>90%，DES五次循环回收≥65%。可切换DES（switchable DES, SDES）可通过CO₂、温度或pH可逆切换。pH响应疏水DES可同时提取和原位分离桑叶黄酮与生物碱，三次循环无明显下降；温度诱导苯甲酰胺-MA体系可从甜茶提取黄酮，五次循环无明显下降；双消化提取功能SDES用于中药多酚提取和矿质元素消化。

3.6 Valorization of Food Waste
DES可将食品加工副产物升级为高值功能配料。其可有效从苹果渣回收多酚、从大豆残渣回收黄酮，产率高于常规溶剂。DES还能从植物废物流中提取蛋白和多糖，并可能同时修饰其技术功能。与物理场辅助结合可建立可扩展环保工艺，将废物处置挑战转化为循环生物经济机会。

4 Functionality Expansion
从提取转向功能视角，DES作为绿色分析介质、绿色反应介质及递送与保鲜材料。

4.1 Green Analytical Medium
DES在分析检测中应用广。样品预处理中，DES预处理木质纤维素生物质可降低结晶度、改善表面结构。ChCl-LA（1:2）预处理红麻纤维使结晶度从70.33%降至69.5%，表面更光滑，纤维束分离，利于木质素分离。乙醇与ChCl-CA（1:2）按1:1.5预处理竹，有效分离木质素并保留β-O-4结构约70.70%，组分回收约68.51%。微波辅助甘油-LA-FeCl₃·6H₂O（2:1:0.2）预处理毛竹，脱木质素81.17%，葡聚糖和木聚糖酶解产率90.15%和99.51%，高纯木质素97.64%。色谱中，DES作为高效液相色谱（high-performance liquid chromatography, HPLC）流动相添加剂，低浓度0.1–1.0%可增加理论塔板数、减少峰拖尾和谱带展宽；0.10%甘油-ChCl（3:1）缩短咖啡酸保留时间并改善峰形，平均理论塔板数1567.5；0.73% ChCl-EG（1:3）使2-苯乙胺与腐胺分辨率1.92，腐胺与尸胺2.25，总分析时间15.76 min。气相色谱（gas chromatography, GC）中，油酸-四丁基溴化铵（2:1）固定相可选择性分离芳香化合物、醇和烷烃。传感检测中，四甲基氯化铵-丙二酸（1:2）检测大米中AFG1、AFB1、AFG2和AFB2，回收率78.93%–113.64%；硅酮表面活性剂-十二酸（1:5）吸附有机磷农药，回收率80%–119%；磁性分散液液微萃取DES结合HPLC检测水、果汁、葡萄酒和醋中琥珀酸脱氢酶抑制剂，回收率76.5%–97.8%；赖氨酸-EG（1:2）柔性银纳米颗粒凝胶表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering, SERS）基底检测冷冻鸡翅抗生素，检测限达10^?10 mol/L；四丁基溴化铵-4-苯基丁酸（1:1）比色传感器检测牛奶中痕量Fe²⁺，线性范围0.003–0.040 mg/L，检测限0.95 μg/L。

4.2 Green Reaction Medium
DES为酯化和糖基化等反应提供绿色环境。酯化中，酸性ChCl-乙酸（1:2）无需外加催化剂将蜡质玉米淀粉转化为月桂酸淀粉酯，取代度0.161，效率79.63%；ChCl-尿素（1:1）促进淀粉乙酰化，取代度2.87，效率95.4%。ChCl与D-阿拉伯糖醇（1:1）组成的反应性天然DES中多元醇参与反应，月桂酸转化率80 mol%，1,5-二月桂酰-D-阿拉伯糖醇产率95%。糖基化中，ChCl-甘油（1:2）固定β-D-葡萄糖苷酶于壳聚糖微球，催化酪醇与D-葡萄糖合成红景天苷，平均转化率31.6%，重复五次保留>80%活性；果糖-山梨醇-水（1:1:5）使蔗糖酶和转化酶比活提高7.42和5.80倍，最适温度从50°C升至>70°C，热稳定性半衰期延长数千倍。DES组分可作为糖基受体，或作为模板制备固体酸催化剂；ChCl-尿素（1:2）合成多孔硫酸锆比表面积80 m²/g，约为传统水相催化剂41 m²/g的两倍，催化葡萄糖与正丁醇合成丁基糖苷，葡萄糖转化率100%，第四次循环82%。甜菜碱-EG（1:2）中β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶联合催化人参提取物转化为脱糖基人参皂苷，产率比缓冲液高1.1倍。

4.3 Delivery and Freshness
DES可作高效载体的同时改善疏水生物活性成分溶解度、稳定性和生物利用度。通过合理设计HBD/HBA，调节极性以增溶疏水和亲水分子，提高负载和稳定性。ChCl基DES含有机酸可溶解多酚和黄酮，DES组分还可通过氢转移或自由基清除协同抗氧化。低挥发和高稳定减少储存降解。保鲜方面，DES作为食品级材料用于智能包装和可食用涂层。壳聚糖与ChCl-柠檬酸（1:1）复合膜包裹面包，比聚乙烯（polyethylene, PE）膜延迟霉菌出现约29天，樱桃番茄21天保持品质；ChCl-甘油（1:2）膜维持包装内较低相对湿度，降低樱桃番茄腐烂率和总菌数。ChCl-戊二酸（1:1）和芒果皮提取物加入聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）复合膜，断裂伸长率从29%增至417%，水蒸气透过率从23.51增至1014.08 g/m²/day，DPPH自由基清除率从17.04%增至95.09%。DES作增塑剂时，葡萄糖-尿素（1:1）藻酸盐膜降低玻璃化转变温度（glass transition temperature, T_g），增强柔韧性并赋予抗氧化功能，自由基清除能力901.2 μmol TE/100 g。

5 Challenges and Future Perspectives
DES实际应用面临非系统安全评估。混合物毒理可能不同于单组分，热或化学降解可产生有毒副产物，如ChCl-EG（2:1）在常温下部分分解产生甲基氯和二甲基氨基乙醇。食品提取、加工或包装中DES组分残留或迁移风险及长期储存或极端条件下健康风险尚未充分评估。未来需建立系统标准化安全评估框架，开展体外和体内毒理研究，阐明降解途径和代谢命运，开发灵敏分析方法监测迁移。基础到工业转化还受机制理解不足和理性设计理论缺乏限制，结构-性质-功能关系认识有限，高粘度传质限制、过程集成和能耗挑战阻碍规模化。未来应建立机制导向设计范式，借助分子模拟、计算化学和先进表征开发预测模型；整合提取、分离、稳定和溶剂回收为统一绿色过程，并与超声、微波、酶法协同，纳入生命周期评估和技术经济分析。加工保鲜中，高粘度限制底物扩散和酶活，强酸性影响酶构象；包装膜需兼顾机械强度、水蒸气阻隔与抗菌抗氧化功能，控制释放、功能耐久性和食品基质兼容性需深入研究。未来应关注功能程序化，通过调控组成、摩尔比和加水含量平衡粘度、极性和功能，开发响应pH、湿度的智能DES-生物聚合物复合膜。监管模糊也是商业化障碍，全球缺乏明确分类，可能归为提取溶剂、食品添加剂、加工助剂或生物活性成分，不同类别安全数据集和评估流程不同。需产学研监管合作，生成完整合规档案，与欧洲食品安全局等机构对话，推动统一评价指南和分类标准；同时需理解美国FDA的GRAS和中国正面清单等框架。

6 Conclusions
DES作为高度可设计绿色溶剂系统，在食品中生物活性化合物提取、食品分析、加工和保鲜方面具有前景。其强溶剂化能力、环境兼容性及与生物活性分子的有利相互作用可提高提取效率和稳定性，改善复杂基质分析性能，促进绿色加工反应，并发展可食用涂层和活性包装延长货架期。然而，DES安全性不能仅基于单组分良性假设，系统毒理评估尤其是降解产物、长期暴露、残留或迁移行为仍必要。监管分类不清是工业应用的主要障碍。未来应优先建立标准化安全评估框架，开展代谢和迁移研究，主动与监管机构沟通。解决这些挑战对DES可持续整合入食品工业至关重要。