魔德科技案例：利用分子模拟方法对双水相萃取机理的探索

合作单位：Shihezi University

参考文献：Helin Xu, Xueqin Li, Yanyan Hao, et al. Journal of Molecular Liquids, 2021. DOI：10.1016/j.molliq.2021.115982（IF = 6.0）

背景：

PhG化合物是肉苁蓉的一组水溶性生物活性成分，毛蕊花苷(ACT)是PhG类化合物的主要成分，是肉苁蓉含量测定的指标成分。ACT具有多种药理活性，在医药保健等领域有着广阔的应用前景。然而，由于PhG化合物组成复杂，ACT的分离和纯化很困难。目前ACT的分离纯化方法主要有分子印迹法、大孔吸附树脂分离法等。但这些方法有许多缺点，如耗时，程序复杂，低选择性。因此，开发一种简单有效的方法从天然产物中选择性分离生物活性成分是必要的。

双水相萃取系统(ATPS)作为一种新型的液-液萃取技术，成为分离生物活性成分的一种新技术。然而，几乎所有的成相聚合物都具有高粘度和窄极性范围，不利于传质且限制了选择性。在这种情况下，离子液体(ILs)挥发性可忽略不计、化学稳定性好、对有机化合物具有全面溶解度等特点使得IL-ATPS在分离生物活性成分方面比传统的ATPS具有更好的性能。

目前IL-ATPS尚未应用于ACT的分离纯化，但IL-ATPS用于多糖等的提取分离结果表明，IL-ATPS在天然产物生物活性成分分离方面具有潜在的应用前景，因此有望实现肉苁蓉中ACT的高选择性分离。

方案设计：

本研究探索了一种简单高效的基于IL-ATPS提取的肉苁蓉粗提物中ACT的高选择性分离技术。考察了不同离子液体和盐对ACT提取的最佳IL-ATPS。此外，详细讨论了不同提取条件(如提取温度、IL浓度、样品溶液浓度、盐浓度、pH值、萃取平衡时间)对ACT提取性能的影响。最后，为了探索萃取机理，经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，拟采用分子模拟的方法研究了ACT与[C₄min]⁺、BF₄^–和H₂O之间可能的相互作用模式。

主要结果：

根据分子模拟结果，ACT与[C₄min]⁺有两个最佳结合构象, ACT与BF₄^–有一个最佳结合构象，ACT与H₂O有五个最佳结合构象（如图1）。此外，计算了结合能来解释两个分子之间的相互作用。ACT与[C₄mim]BF₄的结合能比与H₂O分子的结合能强。因此，ACT对[C₄mim]BF₄具有较高的亲和力，容易进入富[C₄mim]BF₄相。

图1 ACT-[C₄min]⁺、ACT-BF₄^– 和ACT-H₂O相互作用的IGM分析：(a) ACT-[C₄mim] ⁺-1, (b) ACT-[C₄mim] ⁺-2, (c) ACT-BF₄ _x0005_, (d) ACT-H₂O-1, (e) ACT-H₂O-2, (f) ACT-H₂O-3, (g) ACT-H₂O-4, and (h) ACT-H₂O-5.

为进一步研究不同分子之间的相互作用，利用IGM分析阐明了ACT -[C₄min]⁺、ACT-BF₄^– 和ACT-H₂O的相互作用模式。如图1a、b所示，ACT与[C₄min]⁺的相互作用主要包括氢键和范德华力。ACT-[C₄min]⁺的两个构象具有相似特征，ACT的苯环与[C₄min]⁺的咪唑环相互平行，距离约为4 Å。这表明ACT与[C₄min]⁺之间存在π-π堆积相互作用。图1c显示ACT和BF₄^–之间存在强氢键和范德华相互作用。此外，如图1d-h所示，当ACT溶解于H₂O中时，ACT与H₂O分子主要通过氢键和范德华键结合。因此，根据构象特征和结合能值，可以得出ACT是通过氢键、范德华相互作用和π-π堆积在富[C₄mim]BF₄相中被提取出来的。

综上，本文采用离子液体(IL)为基础的双水相萃取系统(ATPS)从肉苁蓉粗提液中提取毛蕊花苷(ACT)。由[C₄mim]BF₄和(NH4)₂SO₄组成的IL-ATPS具有优异的萃取性能。利用分子模拟方法深入探索了IL-ATPS的提取机制以及IL-ATPS中ACT与[C₄mim]BF₄的相互作用模式。本研究有望为天然产物中生物活性成分的分离提供有价值的参考。