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摘要：
香蕉是世界上最受欢迎的水果，也是第四大粮食作物。经常被丢弃的香蕉皮含有有价值的化合物，以其相关的生物活性而闻名，包括芦丁。本研究采用纯有机酸和水合有机酸作为芦丁提取的替代溶剂。首先，我们评估了香蕉的成熟度(青香蕉、半熟香蕉和熟香蕉)，发现熟香蕉皮的芦丁含量最高。然后，应用基于量子化学的COSMO-RS热力学模型确定最佳萃取有机酸，随后进行实验评估，以65%的乙酸-水混合物(192mg芦丁/100gDW)获得最佳结果。其次，采用响应面法(RSM)优化提取条件，在27℃、80min、料液比1:15条件下，得到芦丁提取率为241mg/100g DW。最后观察到，在最佳操作条件下，溶剂可重复使用2次，而芦丁的提取效率没有明显下降。这项研究展示了水合有机酸混合物从天然资源中提取增值化合物的潜力，为减少食物浪费提供了一种解决方案，同时为循环经济做出了贡献。
引言：
芦丁，也被称为维生素P，是一种类黄酮，由于其抗氧化、抗菌、抗过敏和抗真菌的特性，具有一系列的健康益处。虽然它可以在70多种植物物种中发现，但其浓度因生物量来源而异。在大多数情况下，这些来源中的芦丁含量不是很高，这使得开发大规模工艺具有挑战性。因此，为了建立可行的工业规模工艺，必须确定富含芦丁的来源，这些来源可以大量、低成本地随时获得。
COSMO-RS(真实溶剂类导体筛选模型)被认为是替代传统上用于选择溶剂的冗长实验筛选的快速替代方法。具体来说，COSMO-RS可以用作评估目标化合物在各种溶剂中的溶解度的预测工具。这种方法已经在许多研究中证明了它的有效性，正如文献所证明的那样。COSMO-RS已证明其在预测迷迷香在乙醇:水混合物等人，2018)和深共晶溶剂，热水中的生姜和深共晶溶剂中的芦丁。这些研究突出了COSMO-RS在预测溶解度行为方面的适用性和可靠性，为萃取过程的溶剂选择提供了有价值的见解。
本研究的目的是利用有机酸从香蕉皮中提取纯化和水合两种形式的芦丁。本研究从确定香蕉皮的最佳成熟阶段开始，以最大限度地提高所需化合物芦丁的含量。然后，利用COSMO-RS作为筛选工具，筛选最有前途的溶剂，同时考虑有机酸的含水量对芦丁溶解度的影响。将初步筛选得到的最佳有机酸用于提取香蕉皮中的芦丁，以确定提取芦丁的最佳有机酸及其浓度。利用响应面法(RSM)对提取温度、提取时间、料液比(生物质:溶剂)等条件进行优化。最后对最佳工艺条件下芦丁提取的溶剂回收率和再利用进行了评价。这项工作旨在根据联合国2030年议程促进更可持续做法的目标，促进进一步开发可持续和经济上可行的从食物垃圾中提取增值化合物的工艺。
计算细节：
COSMO-RS是Klamt等人(1998)引入的一种预测模型，它结合了量子化学(类导体筛选模型，COSMO)和统计热力学(Real solvent, RS)的原理。在第一个计算阶段，被评估的溶质被嵌入到一个虚拟导体中，进行量子化学模拟。二是宏观步骤，得到分子区域电荷密度的概率分布，即σ-谱线。在本研究中，我们使用密度泛函理论(DFT)计算对所有单个化合物进行了几何和电荷密度优化，并通过TmoleX软件实现，遵循先前工作中概述的程序。在确定了每种化合物的几何形状和σ-分布后，我们使用了COSMOthermX 和BP_TZVP_19。在25℃的温度下，ctd参数化预测了芦丁在各种溶剂(纯溶剂和水合溶剂)中的相对溶解度。在这种方法中，COSMOtherm计算固体化合物(芦丁，无限稀释)和液体溶剂之间的相对溶解度的对数(log10(xS))。在溶解度值最高的溶剂中的相对溶解度(log10(xRS))的对数设为0，所有其他溶剂相对于该参比溶剂表示。
结果与讨论：
如图1所示，可以分辨出三个不同的区域:i)氢键供体，σ<-0.82(e/˙A˙2).10−2;ii)氢键受体，σ>+0.82(e/˙A˙2).10−2;iii)中间区域的非极性化合物。
将芦丁在不同溶剂中的溶解度表示为溶解度概率百分比(详见2.3节)，得到的结果如图2所示。
在前一节中选择的有机酸在纯和水合形式下对芦丁提取进行了评估，有机酸浓度范围从100到25wt%，以确定该过程中最有效的溶剂。得到的结果如图3A所示，详细信息见补充资料中的表S5。与该工艺中常用醇类的性能对比如图3B所示。应该指出的是，如前所述，柠檬酸和乙醇酸由于其固体性质，不能以纯形式用于提取过程。
对所得数据进行95%置信区间方差分析(ANOVA)，评价各变量及其相互作用对芦丁含量的显著性。统计分析见补充资料(表S6-S8和图6)S3-S5)，各自的数据如图4所示。
结果表明，由于第二次提取得到的芦丁含量很低(0.94±0.09mg/100gDW)，第一次提取的芦丁基本被完全提取，如图5A(补充资料表S10)所示。因此，在第一次提取后，不需要再利用生物质。
研究了萃取溶剂的再利用，以确定饱和溶剂所需的循环次数，并最大限度地提高成本、效率和工艺的可持续性。在最佳操作条件下从新鲜成熟香蕉皮中连续提取芦丁，如图3所示。不同萃取溶剂对成熟香蕉皮中芦丁含量的影响。用(A)纯有机酸及其混合物加水萃取(wt%);或(B)纯醇及其与水的混合物(wt%)。提取条件:t =60min;T=25◦C, S/L=1:10。连续四个循环表明，经过两次前萃取后，溶剂进一步利用的能力急剧下降。所得结果如图5B所示(补充资料表S11)。
为确保正在开发的萃取过程的经济和可持续可行性，另一个必要步骤是确认溶剂的可回收性。
萃取溶剂饱和后(两次固液萃取循环)，回收溶剂，减压蒸发，共三次循环。所提出的过程的示意图如图6所示。
总结：
本研究的主要目的是开发一种基于固液萃取的工艺，从香蕉皮中提取芦丁——一种具有与人体健康相关特性的增值生物化合物。结果表明，成熟香蕉皮是该化合物的最佳来源。然后，COSMO-RS作为溶剂选择的筛选工具，能够快速定性地评估芦丁在不同有机酸中的相对溶解度。COSMO-RS计算表明，无论是纯形式还是水合形式，柠檬酸、乳酸和乙酸都是最适合提取芦丁的有机酸。此外，还观察到水的存在对这些有机酸在芦丁提取中的效率有影响。65%的乙酸-水混合物是最有效的有机酸混合物，这表明有机酸在芦丁提取中比传统溶剂更有效。采用RSM优化提取条件，在温度27℃、提取时间80min、料液比1:15条件下，可得(241±2)mg/100gDW的芦丁。最后，对有机酸和水的混合物进行了三个循环提取(一个循环+两个可回收溶剂循环)，以评估所开发的提取工艺的经济可行性和可持续性，并证明溶剂可循环利用是可能的。总的来说，研究表明，水合有机酸为从天然来源提取芦丁提供了一种可行的替代醇，有可能推动更有效和可持续的提取工艺的发展。
文章详情：https://doi.org/10.1016/j.focha.2024.100612
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