超分子深共熔溶剂作为双功能绿色平台：整合姜黄素类化合物提取与生物聚合物构建

《Molecules》：Supramolecular Deep Eutectic Solvents as a Janus Green Platform: Integrating Curcuminoid Extraction and Biopolymer

　　

姜黄长（Curcuma longa L.）中的姜黄素类化合物（姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去甲氧基姜黄素）是具有吸引力的生物活性成分，但其应用受到低水溶性和化学不稳定性的限制。本文提出一种超分子深共熔溶剂（Supramolecular Deep Eutectic Solvent, SupraDES）作为“双面神（Janus）”绿色平台，将提取与稳定化功能结合，并进一步衔接“溶剂到材料”的策略。研究人员评估了8种基于氯化胆碱（choline chloride, ChCl）或甜菜碱（betaine）与甘油（glycerol, Gly）或柠檬酸（citric acid, CitA）组成、并含或不含β-环糊精（β-cyclodextrin, βCD）的NaDES/SupraDES配方。研究在425 nm处外推最有前景溶剂的消光系数，用于姜黄素类化合物的紫外-可见吸收光谱（UV–vis）定量，以判定提取性能。SupraDES ChCl:Gly:βCD在第一轮溶剂筛选中表现最佳，同时提高了生物活性物质的稳定性（储存30 d后损失47.5%，而单独ChCl:Gly为62.8%）。随后，对微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）进行优化，确定80 °C为最优工艺温度，并且在15 min内接近平衡（3139.4 μgCurc/gEXT）。Peleg模型拟合（R² = 0.997）表明该体系具有较快的提取速率，延长停留时间带来的收益有限。最后，将负载姜黄素类化合物的SupraDES引入以CitA和2,5-双（羟甲基）呋喃（2,5-bis(hydroxymethyl)furan, BHMF）交联的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）网络中；热分析证实形成了稳定的交联结构。据研究人员所知，这是首个关于βCD基SupraDES作为Janus平台的报道，该平台将亲脂性生物活性物质的超分子提取与其直接掺入生物基聚合物材料相结合，体现了一种符合循环生物经济原则的绿色化学一体化路径。

该文发表于《Molecules》，研究聚焦于姜黄长（Curcuma longa L.）中姜黄素类化合物的绿色提取、稳定化及材料化利用。姜黄素、去甲氧基姜黄素和双去甲氧基姜黄素作为姜黄根茎中的主要多酚活性成分，具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗菌、神经保护和心血管保护等多重生物学活性，但其工业转化长期受限于低水溶性以及在光、热和不同pH条件下易降解的缺陷。传统索氏提取、浸渍和有机溶剂提取不仅效率有限、耗时较长，而且依赖危险有机溶剂，易造成活性成分破坏及环境负担。因此，开发兼具高效提取、稳定保护与后续应用兼容性的绿色体系，是该领域面临的关键问题。

在这一背景下，研究人员提出将天然深共熔溶剂（Natural Deep Eutectic Solvents, NaDES）与超分子深共熔溶剂（Supramolecular Deep Eutectic Solvents, SupraDES）用于姜黄素类化合物的提取与稳定，并进一步将提取得到的功能溶剂体系直接转化为聚合物材料构件，构建所谓“Janus”双功能平台。其核心思想在于：一方面，DES体系通过氢键网络和可调极性提高脂溶性活性物质在亲水介质中的溶出；另一方面，引入β-环糊精（β-cyclodextrin, βCD）后，体系可借助主-客体识别（host–guest recognition）对姜黄素类化合物进行包合，从而在提取过程中同步提升其化学稳定性，并为后续聚合物网络提供结构单元。该研究的重要意义在于，它并非仅停留于绿色溶剂提取层面，而是进一步打通了“提取—稳定—材料构建”的连续流程，体现出绿色化学与循环生物经济导向下的系统性整合。

研究人员首先构建并筛选了8种NaDES/SupraDES体系，分别以ChCl或甜菜碱（betaine, Bet）为氢键受体，以甘油（glycerol, Gly）或柠檬酸（citric acid, CitA）为氢键供体，并设置是否加入βCD两个维度。通过室温避光提取、425 nm紫外-可见吸收光谱（UV–vis）定量、消光系数校准和货架期评价，比较不同体系对姜黄素类化合物的提取能力及稳定化效果。随后，采用微波辅助提取（MAE）对最优体系进行温度与时间动力学优化，并利用Peleg模型拟合提取动力学参数。进一步地，研究将负载姜黄素类化合物的最优SupraDES引入PVA基聚合网络，并与果胶（pectin）、CitA、BHMF等组分组合，通过热固化构建生物聚合物，最终采用热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）和ATR-FTIR进行结构表征。文中果胶来源于橙皮废弃物的亚临界水提取回收组分。

技术方法概括而言，本文主要采用以下几类关键方法：其一，制备并筛选ChCl/Bet与Gly/CitA及βCD组合形成的NaDES和SupraDES体系，以ATR-FTIR验证超分子氢键网络特征；其二，利用室温提取与微波辅助提取（MAE）开展姜黄素类化合物提取，并通过425 nm处UV–vis校准曲线和Lambert–Beer定律进行定量；其三，通过30 d室温避光储存实验评价提取物稳定性，并以Peleg模型解析提取动力学；其四，将最优提取体系直接用于PVA/CitA/βCD/BHMF/果胶生物聚合物构建，并以TGA、DSC和ATR-FTIR表征其交联结构与热稳定性。

在“2.1.1 Component Selection”部分，研究人员围绕“Janus”双重角色筛选溶剂体系，即既要有利于姜黄素类化合物提取，也要具备后续聚合物构建潜力。结果显示，CitA基体系形成所需温度高于Gly基体系，而βCD的加入普遍降低了形成温度。ATR-FTIR结果表明，ChCl:Gly:βCD中C–O伸缩振动峰发生蓝移，说明βCD并非简单分散于DES中，而是参与形成更致密的超分子氢键网络，支持SupraDES结构的形成。

在“2.1.2 NaDES Screening and UV-Vis Calibration”部分，研究人员首先在室温避光条件下进行提取筛选，以尽量降低热降解干扰并突出溶剂与代谢物亲和性的影响。结果表明，Bet:CitA及Bet:CitA:βCD在提取过程中出现明显降解，表现为颜色改变和沉淀形成，说明低pH环境下姜黄素类化合物不稳定，且βCD在该条件下并未提供有效保护。因此，CitA基DES被排除出后续提取研究。对保留的Gly基体系进行425 nm消光系数标定后发现，Bet基溶剂提取效率较低，且βCD在Bet:Gly中反而降低提取性能；相比之下，ChCl:Gly体系表现最佳，而加入βCD后形成的ChCl:Gly:βCD实现约2倍增益，说明βCD不仅提供稳定化作用，还可能通过包合作用增强溶质捕获与溶解，从而提高传质驱动力。ATR-FTIR进一步显示，姜黄素与βCD在SupraDES环境中形成包合复合物，支持其作为“超分子储库”的功能。

在“2.1.3 Shelf-Life Evaluation”部分，研究人员考察了30 d室温避光储存后的降解比例。结果显示，两种二元DES体系的姜黄素类化合物降解率均超过60%，而加入βCD后，无论ChCl基还是Bet基体系，降解均明显降低。具体而言，ChCl:Gly由62.77%降至47.52%，Bet:Gly由69.01%降至45.81%。综合提取效率与储存稳定性后，ChCl:Gly:βCD被确定为最优体系，因为其不仅初始提取量最高，而且30 d后残留活性成分也显著高于其他体系。这表明βCD参与构建的SupraDES确实增强了体系对姜黄素类化合物的稳定保护。

在“2.1.4 MW-Assisted (MAE) Extraction Optimization”部分，研究人员对ChCl:Gly:βCD进行微波辅助提取优化。固定15 min进行温度筛选时，提取产率随温度升高而显著增加，并在80 °C达到峰值3139.4 μgCurc/gEXT；升至100 °C后产率下降，且空白溶剂出现褐变，提示体系及活性物质均出现热损伤。随后在80 °C下进行时间动力学研究，发现0–15 min内提取迅速进行，15 min后趋于近似平衡，30 min虽略有提高，但增幅有限，而60 min则出现明显降解。Peleg模型拟合得到R² = 0.997，说明模型可较好描述该过程，且低k₁值对应较快初始提取速率，k₂所反映的理论渐近容量与实测平台值相符。由此，研究人员认为80 °C、15 min是兼顾效率与体系稳定性的合理工艺窗口。

在“2.2 PVA-Based Biopolymers”部分，论文将研究推进至Janus平台的第二个层面，即材料构建。研究人员指出，PVA因其可降解性、低毒性和良好成膜性而适用于食品活性包装领域，而Gly、果胶、βCD和BHMF等组分可进一步改善材料功能。本文的独特之处在于，以负载姜黄素类化合物的ChCl:Gly:βCD为基体，使提取溶剂直接转化为聚合物网络中的功能组分，从而实现“溶剂到材料”的路径整合。

在“2.2.1 Biopolymer Fabrication”部分，研究人员对多种配方进行预筛选。结果显示，对于Gly基提取物体系，形成稳定固体材料的关键条件是CitA与βCD同时存在；缺少βCD的配方即使加入CitA和果胶，仍不能固化。由此可见，βCD在该类体系中不仅承担包合与稳定功能，还对聚合网络构建具有决定性作用。相较之下，Bet:CitA体系无论是否含βCD均可形成稳定固体，说明在该体系中CitA主导的交联缩合反应是材料形成的主要驱动力。BHMF并非材料成形的必要条件，更适合作为增强可持续性和调节聚合化学的反应性二醇组分。

在“2.2.2 Biopolymer Characterization”部分，研究人员对含BHMF和不含BHMF的代表性样品进行表征。外观上，不含BHMF的材料透明度较高，而加入BHMF后颜色加深为棕褐色。两者在390 nm紫外照射下均可观察到来自姜黄素类化合物的荧光，其中无BHMF样品荧光更强，提示该材料体系具备潜在的光学响应特性。TGA结果显示，两类样品热分解轮廓相近，约180 °C开始的失重与CitA和PVA、βCD及BHMF之间形成的酯键断裂有关，约300 °C附近的进一步失重则归因于PVA骨架及糖类组分的降解。DSC未观察到150–180 °C间显著热转变，说明合成阶段酯化反应已基本完成，后续升温未发生进一步明显交联。ATR-FTIR中1720–1721 cm^?1处的信号指示酯键形成，1122 cm^?1对应酯基C–O–C伸缩振动，1176 cm^?1则提示仍存在部分游离羧基；这些结果共同证明，CitA主导建立了稳定的交联聚合物骨架，而BHMF的引入未显著改变整体热行为，仅在局部红外特征上体现出呋喃环相关信号。

讨论部分表明，本文的核心贡献在于证明βCD基SupraDES可以同时承担高效提取介质、超分子稳定化平台和聚合物功能前驱体三重角色。研究结果显示，ChCl:Gly:βCD在提取与稳定之间实现了最佳平衡，并在微波强化条件下仍保持明显优势，表明βCD引入带来的主-客体包合作用与DES氢键溶剂化效应存在协同。另一方面，材料研究说明，不同DES化学环境对后续聚合网络形成具有显著影响：Gly基体系更依赖βCD和CitA共同作用，而Bet:CitA体系则主要受CitA交联驱动。整体而言，该工作将绿色提取与绿色材料设计贯通起来，为亲脂性天然活性物质的高值化利用提供了新的集成思路。

研究结论部分可译为：据研究人员所知，这项概念验证研究首次报道了基于βCD的超分子深共熔溶剂（SupraDES）可作为一种Janus绿色平台，在无需预纯化的统一“溶剂—材料”策略中整合姜黄素类化合物提取与后续生物聚合物构建。根据实验结果，ChCl:Gly:βCD在所有测试溶剂中表现出最佳综合性能，是最明确的优势配方。该体系在室温下即实现最高提取效率（788.82 μgCurc/gEXT，高于ChCl:Gly 2倍以上，并显著优于甜菜碱基体系），同时具有更优的货架期稳定性，30 d降解率明显更低（47.52%，而ChCl:Gly为62.77%）。因此，该SupraDES被选用于后续优化。温度筛选确定80 °C为最有前景的操作点，而在80 °C/15 min条件下的直接对比进一步证实，即便在强化提取条件下，βCD的引入仍然有利，ChCl:Gly:βCD始终优于不含βCD的NaDES。就Janus平台的材料构建层面而言，聚合物筛选表明，对于Gly基提取物，CitA的加入与βCD是关键组分，而BHMF作为多元醇来源并不足以促成固化。相反，Bet:CitA体系即使不含βCD也能容易形成缩合生物聚合物，这与CitA驱动的交联及在无Gly过量条件下PVA的有效参与一致。热分析、TGA和DSC证实形成了稳定的交联结构。组分之间的酯化反应很可能在合成阶段即已完成，无论对Sample 4还是4_control均如此，说明BHMF的存在对聚合物热行为影响可以忽略。未来仍需进一步研究结构—性质关系。现有证据结合该生物聚合物组分本身的特性，为后续探索其在活性包装或食品相关领域中的应用提供了基础。