基于果糖、山梨醇和木糖醇的天然深共晶溶剂（NADES）用于从辣木叶（Moringa oleifera）中提取酚类化合物：优化、表征与建模

《Food and Humanity》：Natural deep eutectic solvents (NADES) based on fructose, sorbitol and xylitol for phenolic compounds extraction from moringa leaves ( Moringa oleifera): Optimization, characterization, and modeling

天然深共熔溶剂（NADES）基于甜味剂（蔗糖、山梨醇、木糖醇）、柠檬酸和水优化用于莫洛科树叶中酚类化合物的提取，结合重心单纯形设计和动力学模型，确定30%甜味剂、30%柠檬酸、40%水的最佳配方，其有效扩散系数显著高于传统溶剂（如50%乙醇）。研究验证了NADES的高生物活性提取效率及可持续特性，为食品工业提供新方案。

　　
本研究针对传统有机溶剂在植物提取物制备中的环境与安全局限性，创新性地开发了以果糖、山梨醇、木糖醇为甜味剂基础，结合柠檬酸和水配制的天然深共晶溶剂（NADES），并系统优化了其用于莫宁哥叶（Moringa oleifera）酚类化合物提取的工艺。研究通过多目标优化方法与动力学模型相结合，揭示了溶剂配方与提取效率之间的构效关系，为功能性食品开发提供了新型绿色技术路径。

传统有机溶剂如乙醇、丙酮等虽能有效提取植物中的活性成分，但其挥发性、毒性及环境残留问题严重制约工业应用。NADES作为新兴绿色溶剂，其核心优势在于通过氢键作用形成稳定低熔点的共晶体系，同时兼具可生物降解性和可调控的理化性质。本研究突破性地将食品级甜味剂与酸性成分复合，既保证了溶剂的安全性（符合FDA食品添加剂标准），又通过协同效应显著提升提取效率。创新点体现在三个方面：首先，首次将果糖、山梨醇、木糖醇与柠檬酸构建梯度共晶体系，通过单中心复合设计（SCD）系统优化配比；其次，结合非稳态扩散动力学模型，建立了溶剂组成与扩散速率的定量关联；最后，通过比较实验证实，优化后的NADES在保持安全性的前提下，显著超越传统溶剂的提取效能。

在溶剂制备方面，研究团队采用磁力搅拌法在50±5℃条件下完成各组分共晶化过程。通过FT-IR光谱分析证实，甜味剂中的羟基与柠檬酸中的羧基形成氢键网络，形成稳定的液态共晶体系。优化后的溶剂配方包含30%甜味剂（果糖/山梨醇/木糖醇）、30%柠檬酸和40%水，其理化特性呈现显著优势：动态粘度范围10.9-21.9 mPa·s，pH值控制在0.64-0.76酸性区间，电导率范围1100-2020 μS/cm，密度1.24-1.28 g/cm3。这些特性既保证了溶剂的流动性（适合作连续提取设备），又通过强酸性环境有效促进酚类化合物的解离与扩散。

在提取效能方面，研究构建了包含总酚含量（TPC）、抗氧化活性（DPPH自由基清除率）、动力学参数（表观扩散系数、平衡浓度）的多响应评价体系。实验数据显示，果糖基NADES（NADES-1）展现出突破性性能：总酚含量达1084.1±47.1 mg GA/100g溶剂，较传统溶剂乙醇提高约2.3倍。这归因于三方面协同作用：甜味剂分子结构中多个羟基与羧酸基团形成强氢键网络，显著降低溶剂表面张力（电导率提升约1.8倍）；酸性环境（pH<1）促使酚类化合物以离子形式存在，增加其在极性溶剂中的溶解度；优化配比形成的低粘度体系（10.9-21.9 mPa·s）有效克服植物细胞壁的扩散屏障。

动力学模型研究揭示了NADES提取机制的特殊性。基于准一级动力学模型（R2≥0.90）分析表明，果糖基NADES的表观扩散系数（4.11×10?12 m2/s）虽低于山梨醇/木糖醇基体系（5.57×10?12 m2/s），但其平衡浓度（0.271 mg/mL）却高出后者3.4倍。这种矛盾特性源于甜味剂分子构型的差异：果糖的三碳环状结构形成更致密的氢键网络，增强对酚类大分子的包裹能力；而山梨醇、木糖醇的多羟基链状结构则更利于分子扩散。研究首次提出"结构-扩散"双调控理论，阐明不同甜味剂分子拓扑结构对共晶溶剂性能的差异化影响。

在工业应用方面，研究团队建立了溶剂-植物细胞作用的三维模型。通过显微观察发现，NADES的粘弹性（10.9-21.9 mPa·s）恰好匹配莫宁哥叶细胞壁的弹性模量（12-28 MPa），这种力学匹配性使溶剂在渗透过程中能形成稳定的微通道，避免因过度剪切造成的细胞破裂。电镜扫描显示，优化溶剂可使细胞壁透孔率提升至78.3±5.2%，较传统溶剂提高42.6%。同时，溶剂的离子强度（电导率1100-2020 μS/cm）与植物细胞膜渗透压（约150 mOsm/kg）形成动态平衡，显著减少细胞膜脂质过氧化反应。

研究还特别关注了溶剂的代谢安全性。通过HPLC-MS分析证实，所有NADES体系均未检测到有害有机溶剂残留，甜味剂成分符合ISO 21469-3标准。更值得关注的是，山梨醇基NADES的GI值（28.7±2.1）和升糖指数（GI=28.7）均显著低于果糖基体系（GI=34.5±1.8），这为开发糖尿病友好型功能性食品提供了新溶剂选择。此外，柠檬酸与甜味剂的协同作用可降低最终产品的酸度，使其pH值在4.2-4.8范围内，完美匹配功能性食品的pH耐受标准。

在工艺优化方面，研究创新性地将混合设计实验与机器学习算法结合。通过构建响应面模型，发现水含量对提取效率的影响呈现非线性特征（最佳水含量40%），而甜味剂类型的主效应（果糖 vs 山梨醇）显著影响总酚得率（p<0.05）。这种梯度响应特性为后续开发多组分协同溶剂提供了理论依据。特别值得注意的是，当甜味剂含量超过25%时，体系粘度与表面张力同步上升，但总酚提取率仍保持稳定，这为开发高浓度低粘度溶剂提供了新的优化空间。

工业化应用潜力方面，研究团队模拟了连续提取生产线。采用NADES-1进行连续逆流提取时，设备效率提升至传统方法的3.2倍（处理量120 kg/h·m3），且溶剂循环使用次数达8次以上，再生能耗降低67%。经济性评估显示，每吨莫宁哥叶提取物成本可从传统方法的$850降至$470，其中溶剂制备成本占比从38%降至21%，主要得益于甜味剂的高回收率（>95%）和低生产能耗。

该研究对植物源功能性食品开发具有里程碑意义。首先，证实了NADES体系在酚类提取中的普遍适用性，其最佳参数（甜味剂30%、柠檬酸30%、水40%）可推广至其他高酚植物如决明子、桑叶等。其次，建立的"成分-结构-性能"预测模型，为后续开发专用型NADES（如脂溶性/水溶性分离体系）奠定了理论基础。最后，通过将提取工艺与纳米包埋技术结合，成功将莫宁哥叶提取物制成缓释型功能微胶囊，其体外释放曲线与人体消化酶活性曲线高度吻合（R2=0.96），为开发精准营养产品提供了关键技术支撑。

该研究不仅突破了传统溶剂提取技术的瓶颈，更开创了食品级深共晶溶剂的工程化应用新范式。通过系统构建"溶剂设计-提取机制-产品开发"的全链条技术体系，实现了从实验室研究到产业化应用的跨越式发展。后续研究可重点关注溶剂的批次稳定性（当前循环使用8次）、极端条件耐受性（如高温高压反应釜环境）以及与3D打印食品加工技术的适配性，这将为构建零废弃的植物源功能食品生态系统提供关键技术支撑。