離子液體在生物質(zhì)提取中的應(yīng)用

王娜，杜怡凡，白魯源，王程峰，扈本荃

開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

離子液體在生物質(zhì)提取中的應(yīng)用

王娜，杜怡凡，白魯源，王程峰，扈本荃*

（西安醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，陜西 西安 710021）

離子液體應(yīng)用于提取具有節(jié)能省時(shí)、提取率高、不易揮發(fā)、溶解性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是良好的新型綠色提取溶劑，并且可通過(guò)改變陰陽(yáng)離子的構(gòu)成產(chǎn)生不同的性質(zhì)，從而使提取范圍更大。綜述離子液體在蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、磷脂、生物柴油和淀粉等生物質(zhì)提取中的應(yīng)用，并對(duì)離子液體在生物質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望，并提出了離子液體應(yīng)用中有待解決的問(wèn)題，以期有助于離子液體的利用。

離子液體；生物質(zhì)；提取分離

離子液體（ILs）是由陰陽(yáng)離子組成、室溫下呈液態(tài)的鹽。按其組成的陽(yáng)離子化學(xué)結(jié)構(gòu)，可分為咪唑類、季銨類、季膦類、吡啶類及膽堿類等離子液體，并且通過(guò)對(duì)陰、陽(yáng)離子的設(shè)計(jì)可合成具有特定功能的離子液體。其熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及電化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑。另外，離子液體具低熔點(diǎn)、可調(diào)性強(qiáng)、低毒等特點(diǎn)，對(duì)大多數(shù)生物質(zhì)溶解能力強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物分離簡(jiǎn)單，可循環(huán)再利用[1]。

生物質(zhì)是所有生命體生存的必需品，不僅應(yīng)用于各種生產(chǎn)加工的原料中，還可以提供各種能源給人類生存發(fā)展，因此其高效環(huán)保的提取具有重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，離子液體溶液已經(jīng)被應(yīng)用于提取各種高附加值活性物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、磷脂、生物柴油、淀粉[2]。

1 生物質(zhì)提取中的應(yīng)用

1.1 蛋白質(zhì)

離子液體在蛋白質(zhì)提取分離方面應(yīng)用廣泛。BELCHIO[3]等在不同pH值條件下，通過(guò)由四烷基銨基離子液體和磷酸二氫鉀溶液組成的新型雙水相系統(tǒng)對(duì)溶菌酶提取效率和回收率進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH值為7時(shí)，在所有體系中，溶菌酶的完全提取和回收率都能達(dá)到富離子液體相，用冰冷乙醇沉淀法從富離子液體相中回收蛋白質(zhì)，其中高達(dá)99%的溶菌酶可被回收，這些結(jié)果充分支持了離子液體雙水相體系提取溶菌酶的可行性。陳靜[3]等采用季銨鹽類環(huán)氧官能團(tuán)離子液體-雙水相萃取法萃取胰蛋白酶，以萃取體系的單因素考察，確定其最優(yōu)條件工藝時(shí)提取率為92.56%，后用各種光學(xué)儀器對(duì)該體系萃取機(jī)理進(jìn)行研究，表明該體系蛋白質(zhì)分離純化的主要驅(qū)動(dòng)力為離子液體與蛋白分子間的疏水作用力、雙水相的鹽析效益和分子間的簇集現(xiàn)象，此方法提取率高，對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)顯著影響，為蛋白質(zhì)提取分離工藝提供了新方法。

烘干法、鹽析沉淀法、超濾法等傳統(tǒng)方法提取木瓜蛋白酶雖操作簡(jiǎn)單，但是容易較大程度破壞酶結(jié)構(gòu)，并且易引入雜質(zhì)影響酶的活性，產(chǎn)品質(zhì)量易受到影響，因此木瓜蛋白酶不適在工業(yè)生產(chǎn)上的大規(guī)模開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。曾穎[5]采用1-乙基/丁基/戊基/辛基-3-甲基咪唑醋酸鹽{[Cnmim]Ac(n=2, 4, 6, 8)}與K2HPO4離子液體雙水相體系對(duì)木瓜蛋白酶進(jìn)行提取。利用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法確定pH值8.55、離子液體[C8mim]Ac質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.03%、K2HPO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.08%為最佳提取條件，此時(shí)分配系數(shù)可達(dá)到11.65。此方法具有提取率高、兩相界面清晰、黏度低等優(yōu)點(diǎn)，但[C8mim]Ac質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致上相黏度增加，阻礙木瓜蛋白酶的轉(zhuǎn)移能力，且總體分配系數(shù)下降，提取能力減弱。

1.2 DNA

CLARK[6]等發(fā)現(xiàn)3種磁性離子液體能快速有效提取DNA，用[(C8)3BnN+][FeCl3Br-]離子液體可得到小分子單雙鏈DNA，用[(C16BnIM)2Cl122+] [NTf2-FeCl3Br-]離子液體可獲取較大分子的DNA分子，但是離子液體[(C16BnIM)2Cl122+][FeCl3Br-]萃取時(shí)含有的蛋白質(zhì)含量較少。從細(xì)菌細(xì)胞裂解物中提取DNA時(shí)使用離子液體效果較好。離子液體對(duì)DNA的選擇性強(qiáng)，萃取提取效率高，溶劑可調(diào)節(jié)，在短時(shí)間內(nèi)可提取大量DNA。

EMAUS 等[7]發(fā)現(xiàn)用[P6,6,6,14+][Ni(hfacac)3-] 離子液體可提取單鏈和雙鏈DNA，提取時(shí)間短至2 min。與傳統(tǒng)的DNA提取法相比，該方法不需使用離液鹽或有毒有機(jī)溶劑，避免了傳統(tǒng)提取中的多個(gè)離心步驟，且此方法可同QPCR分析結(jié)合直接擴(kuò)增DNA，對(duì)臨床樣品提取DNA有潛在的意義。

BOWERS[8]發(fā)現(xiàn)離子液體與不同金屬中心（Ni2+、Mn2+或Co2+配位的N-取代的咪唑配體組成）作為陽(yáng)離子與雙[(三氟甲基)磺?；鵠亞胺陰離子反應(yīng)，生成能夠預(yù)濃縮DNA的與水不混溶的離子液體，可提取長(zhǎng)短雙鏈DNA，提取效率可達(dá)42%~99%，并且這種新型的離子液體制作簡(jiǎn)單，成本低廉，操作性更高，且與疏水性離子液體相比此法有較高的黏度，因此操作更簡(jiǎn)單。

1.3 纖維素

纖維素是在自然界中廣泛分布的含量最高的多糖。纖維素資源的充分利用對(duì)制備生物化學(xué)品有很大的意義。纖維素本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)分子質(zhì)量大，含有大量的氫鍵，難溶于水和常規(guī)的有機(jī)溶劑中，無(wú)法被有效利用。

2002年，新型綠色有機(jī)溶劑離子液體被引入纖維素領(lǐng)域，能夠較容易提取纖維素，是纖維素研究的一個(gè)全新方向[9]。王蒙[10]通過(guò)比較氯鹽類([Bmim]Cl)、磷酸酯類([Emim]DEP)及醋酸類([Emim]Ac) 3種咪唑類離子液體對(duì)甘蔗纖維素提取的差異，篩選出兼具良好的纖維素溶解能力又對(duì)纖維素酶具有較好的相容性的離子液體[Emim]DEP。WANG[11]等采用離子液體氯化烯丙基-3-甲基咪唑([Amim]Cl)/二甲基亞砜（DMSO）（質(zhì)量比84∶16）溶解木材，以DMSO的水溶液為沉淀劑，提取得到純度達(dá)85%的纖維素。侯雪丹[12]利用8種[膽堿][氨基酸]離子液體處理水稻秸稈，通過(guò)傅立葉變換紅外光譜（FTIR）及熱重（TG）分析，發(fā)現(xiàn)在處理過(guò)程中木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的主要組分木聚糖和木質(zhì)素僅部分酯鍵發(fā)生斷裂，其骨架結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化。因此，[膽堿][氨基酸]離子液體對(duì)木質(zhì)素提取具選擇性，具有高效預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料的應(yīng)用潛力。LI[13]等研究了用高溫水對(duì)草進(jìn)行預(yù)處理，再利用[Amim]Cl/DMSO提取出了71%的纖維素。但是用非選擇性離子液體提取纖維素仍然存在很多不足，離子液體會(huì)不同程度地抑制纖維素酶的活性，抑制纖維素的降解，且離子液體回收較難。因此，未來(lái)應(yīng)盡量開(kāi)發(fā)安全無(wú)毒、低成本、適用范圍更廣、能夠在溫和條件下溶解提取纖維素的離子液體。

1.4 磷脂

磷脂具有多重生理功能的天然活性，廣泛分布在生物體細(xì)胞組織中。磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰絲氨酸（PS）等一系列磷同系物單體組成了磷脂。這些磷脂同系物在生理功能和活性上存在一定差異，但同系物之間結(jié)構(gòu)相似、分離難度大。磷脂分子在結(jié)構(gòu)上含有非極性和極性部分，極性部分的取代基團(tuán)決定了磷脂同系物的結(jié)構(gòu)區(qū)別。絲氨酸為取代基團(tuán)時(shí)為PS，膽堿為取代基團(tuán)時(shí)為PC。不同取代基團(tuán)然會(huì)影響結(jié)構(gòu)相似的PS和PC的理化性 質(zhì)[14]，在極性和氫鍵酸堿性方面存在微小差異，可利用離子液體較強(qiáng)的氫鍵堿性和氫鍵作用能力選擇性分離上述化合物[15]。

師維[16]等對(duì)比常用磷脂同系物分離技術(shù)弊端，應(yīng)用離子液體于PS和PC的提取分離。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者提出以Br-為陰離子的離子液體具有較高的分配系數(shù)和出色的PC和PS選擇性，延長(zhǎng)陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)可顯著提高PC的分配系數(shù)。

1.5 生物柴油

生物柴油可經(jīng)由低元醇與動(dòng)植物油脂通過(guò) 堿/酸催化酯交換反應(yīng)獲得。脂肪酸單酯或乙酯是生物柴油的主要成分。生物柴油性能與石化柴油相似，可作為石化柴油的替代液體燃料。生物柴油被稱為典型“綠色能源”，其環(huán)保性能好、原料易獲取、可再生。制備生物柴油的酯交換法主要有酸/堿催化法、酶催化法、超臨界法等[17-18]。制備時(shí)使用均相催化劑，在應(yīng)用時(shí)存在一些問(wèn)題，如可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)物與反應(yīng)體系分離難度大、催化劑難以回收、廢水處理以及產(chǎn)生設(shè)備腐蝕等問(wèn)題，固體酸等非均相催化劑在制備生物柴油的過(guò)程中無(wú)法達(dá)到較好的催化效果。

基于以上問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)綠色能源的提取利用，尋找出反應(yīng)中高催化性和清潔的催化劑非常關(guān)鍵。離子液體被認(rèn)為是當(dāng)代最有希望的綠色溶劑和催化劑之一，其有溶解性強(qiáng)、不易揮發(fā)、離子液體和產(chǎn)品之間容易分離的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)多次循環(huán)利用后仍顯示較好的催化活性。

LI[19]等研究發(fā)現(xiàn)，1-磺丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽（ [BHSO3MIM]HSO4）起到催化劑與溶劑的雙重作用，使生物柴油中油酸甲酯的收率達(dá)到97.7%。劉承先[20]曾合成系列Lewis酸性離子液體催化文冠果種仁油制備生物柴油反應(yīng)，以[Et3NH]Cl-2FeCl3作為催化劑時(shí)，生物柴油產(chǎn)率在95%以上，且該離子液體重復(fù)使用6次后，其催化性能仍保持穩(wěn)定。堿性離子液體催化劑活性高，易分離。張敏[21]等研究堿性離子液體催化大豆油制備生物柴油，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲醇與大豆油摩爾比為12∶1，催化劑堿性離子液體的用量為2.5%，反應(yīng)溫度為55 ℃，反應(yīng)時(shí)間1.5 h時(shí)，生物柴油的產(chǎn)率可達(dá)41.3%。韓磊[22]等合成氫氧化丁基三甲基咪唑（[Bmim]OH）離子液體，以[Bmim]OH為催化劑，采用菜籽油酯交換反應(yīng)獲取生物柴油。結(jié)果表明，[Bmim]OH催化活性高，生物柴油收率能達(dá)到96.2％，同時(shí)，[Bmim]OH具有良好的穩(wěn)定性，連續(xù)循環(huán)使用5次催化性仍保持基本不變，工業(yè)應(yīng)用前景較好。

1.6 淀粉

淀粉是人類膳食中最為豐富的碳水化合物，淀粉營(yíng)養(yǎng)豐富，在烹調(diào)、調(diào)味中發(fā)揮著積極的重要作。淀粉不溶于水，但水中可分散，常被用作藥物制劑的賦形劑，如崩解劑、黏合劑、稀釋劑等，也是淀粉漿和糊精的制備原料。大量氫鍵存在于淀粉分子內(nèi)或分子間，室溫條件下，難溶解于水中，沸水可溶解部分淀粉分子。目前，有關(guān)淀粉溶解的研究熱點(diǎn)主要集中在尋找能完全溶解淀粉的溶劑。例如二甲基亞砜（DMSO）[23]、強(qiáng)堿溶液（KOH、NaOH）、NaOH-尿素、ZnCl2水溶液等。然而，這些溶劑也有易燃易爆、難以回收、毒性較強(qiáng)等缺點(diǎn)[24]。近年來(lái)，被稱為“綠色溶劑”離子液體，以其獨(dú)特的理化性質(zhì)在也可以有效地溶解淀粉。

淀粉的化學(xué)改性能夠改善淀粉的理化及功能特性，使其更能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。采用生物催化劑在離子液體中進(jìn)行酯化反應(yīng)，淀粉酯化率高且淀粉醋酸酯的取代度和熱穩(wěn)定性成正比[25]。少量的水與淀粉混合，由于高溫和剪切作用，破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，形成了熱塑性淀粉（TPS）多元醇的均質(zhì)熔體，具有熱塑性特性，特別是經(jīng)此反應(yīng)，甘油成了最廣泛使用的淀粉加工塑化劑。但甘油塑化劑會(huì)在貯藏過(guò)程中影響塑化淀粉重結(jié)晶，導(dǎo)致塑化淀粉較快的硬化和脆化[26]。不同于傳統(tǒng)溶劑，離子液體能夠塑化多種生物聚合物，可以作為復(fù)合型塑化材料的重要介質(zhì)，且離子液體具有導(dǎo)電性，可以作為導(dǎo)電淀粉材料的媒介[27]。

2 展 望

本文從萃取不同的活性物質(zhì)的角度出發(fā)，綜合論述了離子液體在蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、磷脂、生物柴油和淀粉提取中的應(yīng)用。使用離子液體作為提取劑，相較傳統(tǒng)方法不僅產(chǎn)率更高，且更節(jié)能、節(jié)時(shí)，并且由于離子液體易于制備和結(jié)構(gòu)易改造的特性，通過(guò)對(duì)陰陽(yáng)離子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，使其在提取中具有更強(qiáng)的應(yīng)用性。但同時(shí)離子液體存在以下有待解決的問(wèn)題：①黏度高，導(dǎo)致傳導(dǎo)阻力變大，降低提取效果；②提取選擇性差，缺乏專一性；③離子液體與生物體組分的自發(fā)反應(yīng)會(huì)影響其回收，對(duì)環(huán)境存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨著不斷深入的研究和硬件設(shè)施的發(fā)展，離子液體在物質(zhì)提取中的應(yīng)用必然更加廣泛。

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Application of Ionic Liquid in Biomass Extraction

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（Department of Pharmacy, Xi'an Medical University, Xi'an Shaanxi 710021, China）

When ionic liquid is applied for extraction, it has the advantages of energy saving, time saving, high extraction rate, non-volatile, strong solubility, etc. It is a good new green extraction solvent. In addition, the properties of the ionic liquid will be changed when the composition of anion and cation are changed. In this article, the applications of ionic liquids in the extraction of biomass were summarized, including protein, DNA, cellulose, phospholipids, biodiesel and starch. Furthermore, the future development trend of application in biomass extraction was also prospected. And unsolved problems in the application of ionic liquids were put forward in order to help the utilization of ionic liquids.

Ionic liquids; Biomass; Extraction

陜西省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20196670）；西安醫(yī)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：121519037）。

2020-10-20

王娜 (1999－ )，女，貴州省畢節(jié)市人，研究方向：藥學(xué)專業(yè)。

扈本荃 (1971－)，女，山東省濰坊市人，教授，碩士，主要從事藥物制劑及其質(zhì)量控制的研究。

TQ028.7

A

1004-0935（2021）03-0361-04