©北京泰科博思科技有限公司   /   京ICP备09107432号-1   /   网站建设:中企动力 北京

解决方案

Solution

>
>
>
【COSMOlogic应用实例】Coutinho教授团队成果: COSMO-RS在深共晶溶剂设计的应用-迷迭香抗氧化剂的提取
产品名称

【COSMOlogic应用实例】Coutinho教授团队成果: COSMO-RS在深共晶溶剂设计的应用-迷迭香抗氧化剂的提取

所属分类
产品中心
联系我们
相关资料
方案详情
行业
性质
分类
COSMOlogic

摘要:

试错法仍然是选择提取天然产物的合适溶剂的最常用方法,特别是在处理新型、研究不足的溶剂时,如深度共晶溶剂(DESs)。这可能导致溶剂选择的时间长或次优。利用量子化学热力学模型COSMO-RS筛选了迷迭香中鼠尾草酸和香诺酚的最佳提取溶剂。选择28个氢键受体(HBA)和49个氢键供体(HBD)进行初步计算评价,结果表明,以氯化铵为HBA形成的疏水DESs,以脂肪酸、芳香羧酸或醇为HBD形成的疏水DESs是最合适的萃取溶剂。然后用这些溶剂进行固液萃取,确定最佳溶剂并优化其组成。通过对提取物的抗氧化活性的测定,考察了这些溶剂获得富含鼠草酸和肉酚的提取物的能力,四丙氯化铵用量为15%,1,2-丙二醇用量为55%,水用量为30%的溶剂性能最佳。采用响应面法优化提取条件,使其抗氧化活性达到85mgTE/gdw,分别为鼠尾草酸14.8mg和鼠尾草酚18.9mg/gdw。最后,考察了不含HBA卡的溶剂提取物的抗氧化活性。这些1,2-丙二醇的水相混合物表现出较小的性能损失。然而,由于提取过程简化,这种酒精是生物兼容的,并允许在配方中,二元混合物相对于三元混合物似乎是一个良好的,更可持续的替代品。

 

引言:

抗氧化剂具有控制脂质氧化的作用,在延长食品货架期方面具有重要作用,而脂质氧化是食品被微生物破坏后变质的最重要原因。COSMO-RS (COnductor-like screenmodel for Real solvent)是一个基于量子化学和统计热力学的热力学模型,它可以预测单个化合物在液体混合物中的化学势。COSMO-RS可以预测溶剂的固液相图,包括溶剂的共晶温度; COSMO-RS可以预测生物分子在DESs中的溶解度,如柑橘精油中的萜类化合物、橘子皮废弃物中的柠檬烯、橄榄叶中的羟基酪醇。以迷迭香为原料,采用DESs法从迷迭香中提取香酚和鼠尾草酸。由于有多种可能的物质组合形成DESs, COSMO-RS被用作一种初步筛选工具,以选择最有前途的溶剂,避免了实验试错的方法。研究了水含量对DESs溶解度的影响。通过初步筛选,确定了最佳溶剂,并对迷迭香中鼠尾草酸和鼠尾草酚进行了提取实验。丙酮和乙醇也用于比较目的。然后,采用混合设计优化两种最佳溶剂的组成,即优化每种化合物(HBA, HBD和水)的比例。最后,采用响应面法(RSM)对最佳DES的提取操作条件进行优化,即温度、液固比(L-S比)和提取时间。本文将计算方法与实验方法相结合,采用DES和固液萃取的方法,开发出一种富含鼠尾草酸和鼠尾草酚且具有较高抗氧化活性的迷迭香叶提取物,减少了所需的实验次数。

 

计算细节:

COSMO-RS模拟。为了使用COSMO-RS,需要使用DFT优化系统中单个分子的几何形状和电荷密度。本研究利用TmoleX软件包(TURBOMOLE接口)的COSMO-bp-tzvp模板对每个分子进行了优化,该模板包括def-TZVP基组、B-P83泛函水平的DFT和COSMO溶剂化模型(无限介电常数)。所有COSMO-RS计算均使用COSMOtherm软件和BP_TZVP_C30_19进行。由于COSMO-RS不适合用离子种类进行计算,本文采用28种季铵盐作为HBA,用TmoleX.26对离子对进行了优化在COSMO-RS.43框架内,以固定的化学计量速率将DESs视为HBD和HBA的二元混合物通过这种方法,无需额外的量子化学计算就可以获得大量的DESs,这与DESs筛选尤其相关。

 

结果与讨论:

本研究的第一步是设计DESs,利用COSMO-RS提取迷迭香叶中主要的抗氧化物质鼠尾草酸和香酚。这些溶质和水的σ-剖面,如图1所示,显示鼠草酸和肉酚是极性的,如在0e/Å2附近的大峰所示,对应于绿色的表面。

 

COSMO-RS被用于预测在无限稀释(γ)下,在所有可能的HBA和HBD组合(考虑到28HBA和49HBD的等摩尔组合,1372种可能的混合物)中芭蕉醇和鼠草酸的活度系数。这些结果以等高线图的形式显示在图2中,其中颜色代码表示35℃时DESs中鼠尾草酸(图2A)和牛膝酚(图2B)的lnγ。

 

图3与图2在性质上是相同的,但无论选择何种DESs,两种溶质的lnγ值都明显系统地增加。换句话说,在所研究的DESs中加入水会对鼠草酸和肉酚的溶解度产生负面影响,这是可以预料的,因为如上所述,这些溶质是高度疏水的。然而,lnγ值的增加并不显著,并没有改变上述关于最佳DES组分溶解鼠尾草酸和肉酚的结论。

 

通过抗氧化实验对鼠尾草酸和鼠尾草酚的提取进行定量分析,得到的响应如图4所示。在一个HBA组中没有棒表明溶剂在这些条件下是不稳定的,例如,N2222Cl:1,2-丙二醇在10%和30%的水。以水、丙酮和70%质量分数的乙醇为对照。

 

基于这个比例,作者使用最有希望的HBA, N3333Cl,与不同的HBDs(丙酸和1,2-丙二醇)和水进行三元混合物设计,以找到最佳的溶剂及其组成,获得具有最高抗氧化活性的提取物(图5)。

 

通过多元回归分析得到二阶多项式方程,绘制三维和二维响应面,以表达参数/变量对抗氧化活性的影响,如图6所示。很明显,较高的温度更有效地获得具有较高抗氧化活性的提取物。

 

如图7所示,在35℃条件下,1,2-丙二醇加水对抗氧化活性有正向影响,抗氧化活性从46.9mgTE/gdw提高到65.5mgTE/gdw,与实验结果一致。这在研究的两个温度下都发生。正如在三元混合物中看到的,由于非极性剖面,进一步的水对抗氧化溶质产生负面影响。

总结:

天然的抗氧化剂可以取代合成的抗氧化剂,为此,有必要确定合适的溶剂,允许这些溶质的溶解。采用COSMO-RS技术对迷迭香叶中鼠尾草酸和鼠尾草酚的提取溶剂进行了筛选。结果表明,COSMO-RS可以快速定性地评价生物活性分子在大量溶剂中的溶解度,从而减少了在实验室进行测试的溶剂数量。计算实验结果表明,氯化铵、脂肪酸、芳香羧酸和醇分别是最佳的HBA和HBD。通过实验设计,确定了最佳溶剂组成为n3333cl的15%,1,2-丙二醇的55%,水的30%(79.25 0.91mgTE/gdw)。结果表明,在84℃、129min以上、L-S比为21:1的条件下,迷迭香提取物的抗氧化活性最高,为85.04 1.52mgTE/gdw。HPLC结果与抗氧化活性测定结果一致;也就是说,富含肉酚和鼠尾草酸的提取物具有较高的抗氧化活性。尽管从DES中获得了最佳结果,但1,2-丙二醇水溶液(70%wt%)被证明是三元DES的一个很好的替代品,因为它的简单性,它会影响溶剂的回收或采用留置策略。

 

文章详情请见: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c03553.

 

北京泰科博思科技有限公司是TurbomoleCOSMOtherm软件的官方代理商,具有10+技术和商务服务经验,更多软件详情或者技术支持,请联系北京泰科。

 

电话:010-64951848

邮箱:sales@tech-box.com.cn

 

北京泰科为广大科研学者提供了交流讨论平台,建立了COSMOlogic及Turbomole专属微信群,欢迎广大学者来电/邮申请入群,一起解决科研中的困扰与难题,作者期待您的参与。

 

公司简介:

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队,以客户真正需求出发,服务客户,为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神,致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务,成为客户可信赖的合作伙伴。 

未找到相应参数组,请于后台属性模板中添加
暂未实现,敬请期待
暂未实现,敬请期待

更多解决方案

——

【COSMOlogic应用实例】COSMO-RS模型的扩展
【COSMOlogic应用实例】COSMO-RS模型的扩展
COSMOlogic COSMOtherm
 【MS应用实例】Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用
【MS应用实例】Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用
BIOVIA Pipeline Pilot Materials Studio
【DS应用实例】药物设计-为生成设计增加一个维度
【DS应用实例】药物设计-为生成设计增加一个维度
Discovery Studio
【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用
【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用
COSMOtherm COSMOlogic
【MS应用实例】桂林理工大学钟志贤教授成果展示:基于Materials Studio氮化硅稳定性分析
【MS应用实例】桂林理工大学钟志贤教授成果展示:基于Materials Studio氮化硅稳定性分析
Materials Studio Pipeline Pilot
CMC–Today and in the Future
CMC–Today and in the Future
COSMOlogic Materials Studio