BC是一种由β-D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键组成的细菌胞外多糖，形成了独特的超细三维网络（Bulkina & Prilepskii, 2025; Girard et al., 2024）。由于其独特的纤维结构，BC具有较高的机械强度、强的持水能力和优异的生物相容性。因此，细菌纤维素被认为是食品工业中植物来源纤维素的潜在替代品，可以开发各种新型富含纤维的功能性食品（Lin et al., 2020）。BC不仅可以作为食品工业的原料（Wang, Li et al., 2024），还可以作为食品添加剂来提高食品质量（Corral et al., 2017）和延长保质期。此外，它还可以应用于食品包装材料（Chen et al., 2023）。然而，BC的化学结构中存在大量的分子间和分子内氢键，使其不溶于水和大多数有机溶剂，从而限制了其实际应用。
BC的结晶度通常达到80%–90%，显著高于植物纤维素（40%–60%）。其分子链排列紧密有序，形成了更坚固的氢键网络，难以被溶剂破坏。BC的分子链长度是植物纤维素的2–3倍，链缠结更为严重，增加了分子在溶剂中的扩散难度（Cacicedo et al., 2016）。此外，BC完全由纯纤维素组成，不含木质素和半纤维素等杂质。相比之下，植物纤维素中的杂质会破坏纤维素分子的规则排列，间接降低溶解阻力。BC还具有密集的纳米纤维网络，纤维间的物理缠结紧密，使得溶剂难以渗透并与其分子充分相互作用（Andriani et al., 2020）。这些特性要求更高的温度、更长的时间或更强的氢键供体/受体试剂来破坏分子间力以实现溶解，严重限制了其通过化学修饰或物理加工（如薄膜或凝胶制备）的功能化。因此，迫切需要寻找合适的溶剂来溶解BC，以便将其加工成所需产品，并充分利用其独特的性质和优势。虽然植物纤维素的溶解研究较为成熟（Kishani et al., 2018; Li et al., 2021），但BC的溶解仍然受到限制，主要依赖DMAc/LiCl（Soykeabkaew et al., 2009）、NMMO（Ul-Islam et al., 2019）、ZnCl?·3H?O（Lu & Shen, 2011）和水溶液NaOH/尿素（Askiewicz, 1998）等传统溶剂，这些溶剂存在成本高、回收性差或预处理复杂的问题。开发合适的溶剂对于解锁BC的功能应用至关重要。
离子液体，或室温离子液体，是在100°C以下熔化的离子对盐（Kaur et al., 2022）。它们具有热稳定性、溶剂化和回收性，可作为生物质处理的绿色溶剂，包括木质素（Atanassova, 2021）、纤维素（Lethesh et al., 2020）和壳聚糖（Hu et al., 2021）。最近的研究强调了ILs在BC溶解方面的潜力：[C4MIM]Cl能够溶解BC（溶解度DP = 6500），实现均质衍生化。近年来（Schlufter et al., 2006），[BMIM]Cl诱导了BC膜中的孔隙形成和氢键破坏（Suryanto et al., 2020），[EMIM]Ac/DMF混合物通过降低粘度提高了BC的溶解度（Raghuwanshi et al., 2021）。这些发现共同展示了ILs系统在BC溶解方面的潜力。然而，目前这些ILs的合成方法繁琐，溶解效率低，仅适用于低聚合度的BC。因此，本研究旨在探索绿色、环保、高效且易于合成的ILs。丰富的阳离子和阴离子选择及其可调性，使得ILs具有广泛的应用前景（Liu et al., 2024）。然而，确定最佳阳离子-阴离子组合以溶解BC仍是一个重大挑战。因此，在考虑经济和时间因素的情况下，计算工具对于筛选潜在的ILs至关重要。作为新型溶剂，ILs对BC显示出独特的溶解性。然而，目前尚不清楚ILs如何准确破坏BC的氢键网络和有序的晶体结构。阐明这一机制可以揭示ILs与BC之间的相互作用（如离子对与纤维素羟基的协调作用、疏水相互作用等），并为解决BC溶解问题提供理论基础。
COSMO-RS被认为是一种将量子化学计算与统计热力学相结合的预测模型（Cui et al., 2024; Tiezhu et al., 2021; Wojeicchowski et al., 2022）。这种方法无需实验数据即可准确预测液体混合物的热力学性质，已被研究人员广泛用作各种溶解相关应用的高效筛选工具（Liu et al., 2020）。与UNIFAC（通用准化学）和NRTL（非随机两液体）等群体贡献模型（Anugraha et al., 2018）相比，COSMO-RS不需要预定义的群体相互作用参数。它可以直接基于分子结构预测新型ILs与BC的相容性，避免了传统模型因缺乏相关参数而无法准确预测的局限性。此外，与分子动力学（MD）模拟等定量模型相比，COSMO-RS具有更高的计算效率，可以在短时间内完成大量ILs的筛选。在生物质溶解领域，COSMO-RS已成功用于预测ILs的关键性质，包括活性系数、溶解度参数和过量焓（Mohan et al., 2022）。在几项研究中（Iqbal et al., 2019; Liu et al., 2016），活性系数被证明有助于预测物质在ILs系统中的溶解度。需要注意的是，这种方法尚未用于结晶度较高、溶解难度较大的BC系统。因此，本研究提出使用COSMO-RS模型进行ILs的合理设计和筛选，以实现BC的高效溶解。COSMO-RS模型具有操作方便、计算速度快和结果准确等优点。其在大规模筛选中的应用可以显著降低时间和成本。
总之，本研究基于COSMO-RS模型筛选了高效溶解BC的ILs，并验证了它们的优异溶解度和回收性。为了验证这一假设，基于先前的研究（Abdalla Suliman Haron et al., 2022; Li et al., 2020; Long et al., 2024; Rahman et al., 2024），我们系统地研究了792种由22种阳离子（包括超碱、胆碱、咪唑啉和吡咯烷）和36种阴离子（亲水性和疏水性）组成的ILs，并通过活性系数和过量焓值筛选了最佳的阳离子-阴离子组合。随后，合成了COSMO-RS预测的8种ILs，实验验证了该模型在预测BC溶解行为方面的准确性。结果表明，[DBN][AC]表现出最佳的BC溶解性能，溶解度为6%。为了进一步阐明ILs中BC的溶解机制，我们结合量子化学计算分析了ILs的化学结构与其溶解行为之间的关系，探讨了ILs的重复使用性，并通过密度泛函理论（DFT）分析了回收机制。在这项研究中，我们成功筛选出了可以通过高效、经济和环保策略温和合成和回收的ILs，实现了BC的有效溶解和再生（如膜、凝胶和凝胶球），为BC开发不同形式的新功能食品提供了新途径。
