通过天然深共晶溶剂增强Arthrospira叶绿素光稳定性的新机制：甜菜碱-木糖醇与卟啉环之间的轴向协同作用

《Bioresource Technology》：Novel mechanism of enhancing Arthrospira chlorophyll photostability by natural deep eutectic solvent: Axial coordination between betaine-xylitol and the porphyrin ring

基于天然深熔盐溶剂（NADES）的高效绿色提取与光稳定性机理研究，筛选出Bet-Xyl溶剂在连续光照6小时后叶绿素保留率达90.61%，量子化学分析揭示其通过氢键与Mg2+配位稳定色素结构。

　　

王书宇|皮天祥|刘奕晓|王扬斌|李芳伟|曾明勇

中国海洋大学食品科学与工程学院海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，中国青岛266404 / 中国海洋大学三亚海洋研究所，中国三亚572000

摘要

使用传统有机溶剂从Arthrospira中提取叶绿素（Chl）受到毒性、环境问题以及色素稳定性差的限制。本文探讨了天然深共晶溶剂（NADES）作为叶绿素提取和稳定化的绿色介质的潜力。在筛选的八种NADES体系中，甜菜碱-木糖醇（Bet-Xyl）表现出最佳的提取效率和光稳定性。在连续光照（19,200 lx）下处理6小时后，使用Bet-Xyl提取的叶绿素保留率为90.61 ± 2.61%，显著高于传统溶剂的效果。通过单因素实验进一步优化工艺后，叶绿素的产率达到65.06 ± 4.57%。量子化学结果表明，Bet-Xyl通过与叶绿素中的氢键结合以及与卟啉环中的Mg²⁺的轴向配位来稳定色素结构。总体而言，本研究展示了Bet-Xyl作为可持续叶绿素提取介质的潜力，并提供了对天然色素稳定化机制的见解。

引言

叶绿素（Chl）是一种具有多种生物活性的天然色素，包括抗氧化、抗肿瘤和抗炎作用（Yang等人，2024年）。传统的提取方法，如酶法、微波法和超声波辅助法，通常依赖于有机溶剂（例如甲醇和丙酮）（Bakirtzi等人，2016年）。然而，这些溶剂往往具有毒性、易挥发且对环境有害（Vannuchi等人，2022年）。因此，开发绿色和可持续的提取策略非常有必要（Chadorshabi等人，2022年）。

近年来，深共晶溶剂（DES）在绿色提取领域展现出巨大潜力。DES通常由两种关键成分的二元或三元混合物组成：氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）（El Achkar等人，2021年）。2011年，Choi等人（2011年）将细胞中的天然代谢物（如糖类、多元醇和氨基酸）按特定比例混合，发现它们可以形成天然深共晶溶剂（NADES）。NADES是天然的、绿色的、无毒的、易于合成的、可生物降解的，并且具有低挥发性或可忽略的蒸气压。它们在绿色提取、生物医学和酶反应中显示出巨大潜力，被认为是能够替代传统有机试剂和离子液体的真正绿色溶剂（Airouyuwa等人，2024年；Dai等人，2013年）。

NADES与目标化合物形成氢键的能力是其提高多种化合物溶解度的根本原因（Lanjekar等人，2022年）。基于这一特性，NADES已被应用于各种领域中生物活性物质的提取。它们越来越多地被用于从多种生物质资源中提取生物活性物质，如废弃咖啡渣、酸樱桃果渣、柑橘皮和杜尔西默叶（García-Roldán等人，2023年；Gómez-Urios等人，2022年；Popovic等人，2022年；Zhu等人，2023年）。研究结果表明，NADES不仅有效提取了目标化合物，还改善了其稳定性等关键性质。作为天然色素，叶绿素在食品加工过程中容易受到光、热、氧气和pH值等因素的影响而降解（Cao等人，2021年；Li等人，2022年）。尽管NADES已被用于叶绿素的绿色提取，但其与叶绿素相互作用和稳定的具体机制仍不完全清楚。解决这一知识空白对于促进其合理设计和在食品工业中的广泛应用至关重要。

然而，由于NADES的挥发性较低，从NADES提取物中进一步分离和纯化目标化合物仍然具有挑战性。为了解决这个问题，有研究表明，这种天然无毒且可生物降解的绿色溶剂可以直接添加到食品配方中而无需去除（Alchera等人，2024年；Wu等人，2022年）。同时，一些研究人员也尝试了多种策略来分离NADES和目标化合物，包括大孔树脂吸附、反溶剂沉淀、活性炭吸附和固相萃取（Amador-Luna等人，2025年；Della Posta等人，2022年；Hang和Uyen，2022年）。

基于绿色提取和可持续性原则，本研究使用多种NADES从Arthrospira中提取叶绿素，并评估了其在光照条件下的稳定性，以评估其保护效果。此外，还通过分子间相互作用分析阐明了光稳定性提高的机制。本研究提供了一种绿色且高效的叶绿素生产方法。

材料

实验中使用的叶绿素（含量86.6%）是从海南新大泽生物技术有限公司（中国海南）提供的Arthrospira粉末中提取的，提取方法参考了Wang等人（2023年）的研究。本研究中使用的Arthrospira干粉是商业购买的，由人工培养的生物质干燥后制成，确保了相对稳定的叶绿素含量。所有实验均使用同一批原材料进行。

NADES的制备

NADES的制备基于之前的研究方法

NADES的提取效果

按照2.2节NADES制备方法和2.3节从Arthrospira中提取叶绿素的方法制备了八种NADES，随后用于从Arthrospira中提取叶绿素。八种NADES及其相应提取物的对比图像见图1A，提取物的归一化紫外-可见光谱图见图1B。根据先前的研究，叶绿素在430 nm附近以及650–700 nm范围内具有特征吸收峰

结论

本研究从最初的八种候选溶剂中筛选出了三种能够高效从Arthrospira中提取叶绿素（Chl）的天然深共晶溶剂（NADES）。其中，甜菜碱-木糖醇（Bet-Xyl）在光稳定性方面表现最佳，其叶绿素光降解率最低。随后，通过单因素实验确定了使用Bet-Xyl提取叶绿素的最佳工艺参数。此外，X射线衍射（XRD）分析进一步揭示了...

CRediT作者贡献声明

王书宇：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。皮天祥：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、数据分析、概念化。刘奕晓：可视化、验证、资源管理、方法论、研究、数据分析。王扬斌：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、资源管理、方法论、研究。李芳伟：撰写

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32401982）和山东省自然科学基金（编号：ZR2023QC011）的支持。