以離子液體為介質的修飾改性對多糖結構與理化性質的影響研究進展

白文強，王 強，劉 麗，劉紅芝*

多糖是繼核酸、蛋白質后的第三類生物大分子，某些多糖由于具有提高免疫力、抗腫瘤等生物活性而備受關注。多糖按溶解性可分為水溶性多糖和水不溶性多糖，廣泛存在于植物和微生物的細胞壁、動物的細胞膜中。多糖含有大量羥基，易形成分子內和分子間氫鍵。與蛋白質和核酸分子相似，多糖也具有一級、二級、三級和四級結構[1]。多糖分子間較強的氫鍵作用使其結晶度升高，導致有些多糖很難溶解于水中，嚴重制約了其應用；因此有必要對其進行修飾改性。

離子液體是由有機陽離子和有機或無機陰離子組成的、在室溫及室溫附近呈液體狀態的熔融鹽類[2]，其具有許多獨特的性質：如蒸汽壓極低，不易揮發；具有從低于室溫到300 ℃以上的液態溫度范圍，理化性質穩定；對自然界的多種無機和有機化合物均具有較好的溶解能力，并且在若干類化學反應中能夠起到介質和催化的雙重功能[3]。以離子液體為關鍵詞，分別通過中國知網和Web of Science數據庫對近10 年國內外離子液體相關文獻進行統計，結果如圖1所示。可以看出，近10 年來，關于離子液體的研究日趨活躍，相關文獻數量總體呈增加趨勢，但國內對多糖在離子液體中的行為和理化性質的研究與國際相比還存在較大差距。

圖1 2007—2016年國內外離子液體相關文獻統計Fig. 1 Statistics of Chinese and international literature on ionic liquids from 2007 to 2016

多糖的改性手段主要包括物理改性、化學改性、生物改性。國內外部分學者開展了多糖在不同類型離子液體中的溶解性研究[4]，以及以離子液體為均相反應介質對多糖進行物理、化學改性等的研究[5]。以離子液體為介質的物理改性包括高壓微射流、超聲、微波照射處理等，化學改性包括乙酰化反應、酯化反應、接枝共聚反應等。自然界中的一些多糖如酵母β-葡聚糖、殼聚糖、纖維素等可添加于保健食品中，因此其在食品領域越來越受到關注。然而，多糖較差的溶解性制約了其在食品領域的應用范圍，以離子液體為介質對其進行修飾改性可提高其水溶性，擴大其在食品領域的應用。目前尚鮮有系統開展多糖在不同離子液體中的溶解性機理以及基于離子液體的修飾改性過程中多糖結構的變化規律及其理化特性改善機制的研究，因此本文綜述了以離子液體為介質的修飾改性對多糖結構和理化性質的影響，旨在為改善多糖理化性質、拓寬其應用領域提供理論依據。

1 多糖在不同離子液體中的溶解性

離子液體對糖類化合物溶解能力的強弱一方面取決于糖類化合物的分子結構，另一方面取決于離子液體和糖類分子間的相互作用[6]。根據陽離子的不同，離子液體主要分為咪唑鹽類、吡啶鹽類、季銨鹽類和季鏻鹽類，季鏻鹽類離子液體熔點較高，咪唑鹽類離子液體熔點低且易于合成，在多糖的溶解性研究中應用最多，其可溶解纖維素、淀粉和一些生物活性多糖如殼聚糖、酵母β-葡聚糖等。根據陰離子的不同，離子液體又分為與強氫鍵接受體陰離子（如Cl－）結合的離子液體、與配位型陰離子（如BF4－、PF6－）結合的離子液體[3,6]，其溶解多糖的能力各不相同。

1.1 生物活性多糖在離子液體中的溶解性

國內外部分學者開展了酵母β-葡聚糖、殼聚糖在離子液體中的溶解性研究。Xie Haibo等[7]用1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，[BMIM]Cl）溶解殼聚糖，油浴加熱溫度控制在110 ℃，殼聚糖粉末按1%（質量分數，下同）分多次加入[BMIM]Cl中，且保證下次加入前，上次加入的殼聚糖粉末已充分溶解。加熱5 h后，殼聚糖可溶解10%，將甲醇和水加入體系時可以再生。朱慶松等[8]比較了殼聚糖在4 種咪唑型離子液體中的溶解情況（表1），可以看出4 種離子液體均可溶解殼聚糖，但其在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽（1-ethyl-3-methylimidazolium acetate，[EMIM]Ac）中的溶解性最好。離子液體中的陽離子或陰離子改變，殼聚糖的溶解度也會隨之改變。

表1 不同溫度下殼聚糖在4 種咪唑類離子液體中的溶解度[8]Table 1 Solubility of chitosan in four kinds of imidazole ionic liquids at different temperatures[8]

圖2 酵母β-葡聚糖在[EMIM]Ac中的溶解過程[9]Fig. 2 Dissolution process of yeast β-glucan in [EMIM]Ac[9]

Liu Hongzhi等[9]比較了酵母β-葡聚糖在1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽（1-butyl-3-methylimidazolium acetate，[BMIM]Ac）、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽（1-allyl-3-methylimidazolium chloride，[AMIM]Cl）和[EMIM]Ac 3 種離子液體中的溶解性，確定酵母β-葡聚糖在[EMIM]Ac中的溶解性最好。隨后以[EMIM]Ac為溶劑，在85 ℃下不斷攪拌溶解酵母β-葡聚糖，并通過偏光顯微鏡觀察了酵母β-葡聚糖在0、20、60、90、120、180 min的溶解狀態，如圖2所示。初始未加熱時，在[EMIM]Ac中觀察到大塊而明亮的聚集體，隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長，酵母β-葡聚糖顆粒逐漸變小，溶液變得透明，并于180 min后看到均勻、完全的黑場，說明酵母β-葡聚糖固體顆粒此時已完全溶解在[EMIM]Ac中。從未加熱至酵母β-葡聚糖完全溶解，可明顯看到隨著溶解時間的延長，酵母葡聚糖的結構發生了變化，從大而明亮的聚集體轉變為小顆粒，顆粒進一步變小直至180 min時完全溶解在[EMIM]Ac中。

1.2 淀粉在離子液體中的溶解性

有研究發現，含Cl－的離子液體能夠破壞天然淀粉顆粒的半結晶結構[10]以及淀粉分子化合物羥基基團之間的氫鍵以促進淀粉溶解。K?rkk?inen等[11]借助于油浴和微波加熱開展了小麥、大麥、稻米、玉米、蠟質玉米、土豆不同種類淀粉在[BMIM]Cl中的溶解實驗，發現不同來源淀粉在[BMIM]Cl中的溶解時間不同，玉米、稻米、小麥、大麥淀粉先凝膠化，其他淀粉次之；支鏈淀粉先降解，直鏈淀粉后降解，并且隨著加熱時間的延長和溫度的升高，淀粉分子質量逐漸變小。Biswas等[12]的研究發現，80 ℃下淀粉在[BMIM]Cl中的溶解度可達15%。Xu Qi等[13]的研究發現，100 ℃下淀粉在[AMIM]Cl中可溶解50%。羅志剛等[14]分別采用[AMIM]Cl和[BMIM]Cl于90 ℃下溶解木薯淀粉，并借助偏光顯微鏡觀察了木薯淀粉在兩種離子液體中不同時刻的溶解狀態。從圖3、4中可以發現，90 ℃下木薯淀粉在[AMIM]Cl中溶解1 h后便看到均勻的黑場，表明木薯淀粉已完全溶解；而在[BMIM]Cl中偏光十字消失需要12 h，說明木薯淀粉在[AMIM]Cl中具有更好的溶解性。分析其原因，可能是由于[AMIM]+比[BMIM]+具有更小尺寸和更強極性[15]。

圖3 90 ℃不同時刻木薯淀粉在[AMIM]Cl中的溶解狀態[14]Fig. 3 Dissolved state of tapioca starch in [AMIM]Cl at 90 ℃at different time points[14]

圖4 90 ℃不同時刻木薯淀粉在[BMIM]Cl中的溶解狀態[14]Fig. 4 Dissolved state of tapioca starch in [BMIM]Cl at 90 ℃ at different time points[14]

1.3 纖維素在離子液體中的溶解性

Zhang Hao等[15]的研究發現，相比于[BMIM]Cl，[AMIM]Cl可更好地溶解纖維素，這歸因于其更小的尺寸和[AMIM]+更高的極性。Singh等[16]基于120 ℃下10 min柳枝稷暴露實驗，認為對于植物細胞壁纖維素而言，[EMIM]Ac是目前讓其快速溶脹、快速溶解的最有效的離子液體溶劑。曹妍等[17]比較了80 ℃下纖維素（脫脂棉）在[AMIM]Cl和[EMIM]Ac兩種離子液體中的溶解性，發現在[AMIM]Cl中纖維素溶解4%需要55 min，其所能溶解的最高纖維素質量分數為6%；而在[EMIM]Ac中纖維素溶解4%需要45 min，最高可溶解9%，說明纖維素（脫脂棉）在[EMIM]Ac中的溶解性更好。郭清華等[18]比較了不同溫度下纖維素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac兩種離子液體中完全溶解所需時間（表2），可以看出[EMIM]Ac對纖維素溶解速度更快，溶解性能更好。王犇等[19]采用偏光顯微鏡觀察了100 ℃下蔗渣纖維素在[AMIM]Cl中的溶解過程，觀察時間分別為20、30、50、60 s和240 s，在240 s時觀察到均勻黑場，說明此時蔗渣纖維素已完全溶解在[AMIM]Cl中，與Zavrel等[20]報道的結果一致，表明[AMIM]Cl對纖維素具有良好的溶解能力。

表2 不同溫度下纖維素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac中完全溶解所需時間[18]Table 2 Time required for complete dissolution of cellulose in [BMIM]Cl and [EMIM]Ac at different temperatures[18]

綜上所述，咪唑類離子液體在溶解生物活性多糖、淀粉、纖維素方面應用最為廣泛。組成咪唑類離子液體的陽離子和陰離子均可影響其對多糖的溶解性能：陽離子相同時，陰離子為Ac－比陰離子為Cl－的咪唑類離子液體對多糖的溶解性更能好；陰離子相同時，陽離子為[AMIM]+比陽離子為[BMIM]+的咪唑類離子液體對多糖的溶解性更能好。

1.4 多糖在離子液體中的溶解機理

1.4.1 氫鍵

相關研究表明，多糖在離子液體中的溶解性受氫鍵及其結構的影響。多數學者認為，離子液體陰離子與多糖羥基質子之間形成的氫鍵，在多糖的溶解過程中發揮著至關重要的作用[21-24]。Singh等[16]認為，強極性離子液體[EMIM]Ac可能破壞生物大分子間的氫鍵作用，其所含陰離子與生物大分子羥基上的氫原子形成氫鍵，從而促進生物大分子在[EMIM]Ac中的溶解。朱慶松等[8]的研究發現，殼聚糖在[BMIM]Cl中的溶解是由于Cl－的攻擊導致殼聚糖分子內和分子間氫鍵的斷裂，破壞其氫鍵體系，且升高溫度時會增大Cl－攻擊殼聚糖氫鍵的概率，從而使殼聚糖在[BMIM]Cl中溶解時間縮短。同樣，離子液體陽離子也可以與多糖鏈中羥基上的氧原子形成氫鍵，促進多糖在離子液體中的溶解。咪唑類離子液體是應用最廣泛的離子液體，其溶解多糖類化合物的機理可能是通過影響其在咪唑鹽陽離子和碳水化合物羥基質子間形成氫鍵數量[25]，以及陰離子與多糖羥基中的氧原子形成氫鍵的數目[26-27]。

1.4.2 離子液體的陰陽離子

多糖在離子液體中的溶解性與離子液體陰陽離子的種類、極性和尺寸緊密相關，具有較小體積、較大極性的陽離子和較大體積陰離子的離子液體對多糖的溶解能力更強[28]，例如陰離子為Ac－的離子液體較陰離子為Cl－的離子液體溶解性更強，可能是因為體積小、極性強的陽離子更易與多糖分子羥基產生氫鍵作用。在陽離子相同時，具有較強氫鍵接受能力的陰離子（如Ac－、Cl－等）更有利于破壞多糖分子內和分子間的氫鍵，從而促進多糖溶解[8]。

綜上所述，多糖在離子液體中的溶解機理可能為：離子液體與多糖大分子之間形成了氫鍵，破壞了多糖分子內和分子間原本存在的氫鍵網絡結構，從而有利于多糖的溶解；并且多糖在離子液體中的溶解性受其陰陽離子種類、極性和尺寸的影響。

2 離子液體-物理改性對多糖結構與理化性質的影響

以離子液體為介質對多糖進行物理改性，目前部分學者開展了離子液體結合高壓微射流處理、超聲處理、微波照射處理對多糖結構與理化性質影響的研究。

2.1 基于離子液體的高壓微射流改性對多糖結構與理化性質的影響

作為一種新興的物理改性方法，高壓微射流技術顯示出巨大的優越性，它集輸送、混合、加壓、升溫、超粉碎等物理操作單元于一體，通過對物料進行高速碰撞、強烈剪切、擠壓、瞬間釋放壓力、空穴效應等一系列綜合作用，實現對物料的改性和均一化效果[29-30]。天然高分子化合物在不同溫度和壓力下通過高壓微射流技術處理適當的時間，可因強烈的機械作用而破壞非共價鍵如氫鍵、離子鍵和疏水鍵等，導致不同程度的分子降解和分子質量降低。

Liu Hongzhi等[9]采用[EMIM]Ac結合高壓微射流技術，對水不溶性酵母β-葡聚糖進行修飾改性，確定了兩種處理方法結合修飾改性酵母β-葡聚糖的最佳工藝條件，即壓力175 MPa，質量分數0.5%，微射流時間9 min，可溶性葡聚糖得率達79.12%。并比較了修飾改性前后酵母β-葡聚糖的結構特征。粒徑分析結果顯示，不可溶β-葡聚糖平均粒徑為27.28 μm，而可溶β-葡聚糖平均粒徑為60.16 nm。表明高壓微射流可以通過降低大分子多糖的分子質量、打散聚集成團的多糖分子、斷裂多糖分子鏈等，從而改變多糖的結構。溶液質量分數、壓力、循環次數等因素均可影響高壓微射流對多糖結構的修飾程度，經過離子液體-高壓微射流修飾改性后，酵母β-葡聚糖溶解度提高約79%。

2.2 基于離子液體的超聲處理對多糖結構與理化性質的影響

高強度超聲（16～100 kHz、10～1 000 W/cm2）效果與空化、加熱、動態攪拌、剪切應力和湍流作用有關，可采用基于離子液體的超聲處理對纖維素進行修飾改性[31-32]。Ma Sen等[33]在[BMIM]Cl中無催化劑情況下對蔗渣纖維素進行超聲處理，發現隨著處理時間的延長和溫度的升高，蔗渣纖維素聚合度從1 210下降到712，表明其發生降解，通過熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）測得其熱穩定性下降。Bussemaker等[34]以離子液體為介質超聲處理木質纖維素，產生空化力和壓力差，導致微射流的形成，致使木質纖維素分子發生降解。Lan Wu等[35]在[BMIM]Cl和[C4MIM]Cl中超聲輔助溶解纖維素，發現當30 W超聲處理20 min時，纖維素完全溶解的時間從190 min縮短到60 min。并借助傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、X射線衍射等技術，得出受到超聲處理的影響時，纖維素的大部分晶體結構轉變為無定形結構，其余晶體從纖維素I型轉變為纖維素II型，且纖維素的熱穩定性下降、熱解殘渣增多的結果。

2.3 基于離子液體的微波輻射對多糖結構與理化性質的影響

微波輻射通過將電磁體熱量直接轉換為能量而在分子水平上產生熱量[36]，與傳統的加熱方式相比，具有更明顯的加熱效果，已被廣泛應用于無機合成、提取等領域[37]。石海信等[38]采用2 455 MHz微波對木薯淀粉的乙醇懸浮液進行輻照處理，并對輻照改性后淀粉結構與理化性質的變化進行了研究。發現與原始淀粉顆粒相比，微波處理后的淀粉顆粒出現輕微聚集，淀粉分子鏈發生一定程度的斷裂降解，顆粒表面變得粗糙、出現褶皺或凹陷；黏度測試表明，微波輻射使木薯淀粉的黏度逐漸變小；TGA結果表明，微波輻射使淀粉的熱穩定性提高。Anderson等[39]研究了微波濕熱處理對蠟質和非蠟質大米淀粉的形貌特征、消化性能、糊化和黏度性質等的影響，發現微波加熱處理后，兩種淀粉的消化率變化很小，而糊化、黏度特性改變顯著。Wang Hui等[40]以[EMIM]Ac為介質通過微波輻射溶解木質纖維素，將0.5 g木材溶于10 g [EMIM]Ac中，僅4 min其溶解度便達到了90%以上，并且隨著微波輻射時間的延長和強度的增加，木質纖維素發生明顯降解，溶解性提高。微波輻射更易破壞連接纖維素、半纖維素和木質素的強氫鍵作用，有助于木質纖維素生物質中木質素的去除。

綜上可知，以離子液體為介質，結合高壓微射流處理、超聲處理或微波輻射處理對多糖進行物理改性，改性后多糖均發生一定程度的降解，分子質量降低、溶解性提高。然而，基于離子液體對多糖進行修飾改性后多糖在溶液中空間構象參數變化規律及引起其流體性質的變化機理尚未明晰。

3 離子液體-化學改性對多糖結構與理化性質的影響

一定條件下，不同相（固態、液態、氣態）物質間進行的物理化學反應稱為異相反應[41]。目前關于天然多糖的分子修飾往往是通過異相反應進行的，而異相反應效率低，有時會對環境產生影響，因此不少學者針對多糖均相反應展開了研究，而離子液體可作為均相反應介質應用于多糖乙酰化、酯化、接枝共聚等化學改性中。

3.1 基于離子液體的多糖均相乙酰化反應

高山俊等[42]的研究表明，魔芋葡甘露聚糖在離子液體[AMIM]Cl中可成功進行均相乙酰化反應，在無催化劑80 ℃反應0.75 h及魔芋多糖中羥基與乙酸酐物質的量比為1∶6的條件下，所得產物取代度最高可達2.15。通過對未取代和不同取代度的乙酰化魔芋葡甘露聚糖進行溶解性能測試發現，隨著取代度的增加，魔芋多糖的溶解性提高。孫璠等[28]指出，殼聚糖溶于離子液體后形成均相體系，基于這種均相體系，通過與酸酐反應，在殼聚糖分子鏈上引入芳香族酰基，便可使其溶解性得到改善，同時新基團的引入也可擴展殼聚糖的理化性質，這為殼聚糖的均相衍生化提供了一條綠色的路線。Wu Jin等[43]在離子液體[AMIM]Cl中進行了纖維素的均相乙酰化反應實驗，乙酰化試劑為無水醋酸，在無催化劑情況下得到取代度廣泛的乙酰化產物，取代度不同則溶解性不同；并通過FTIR和NMR對結果進行分析表明有羧酸酯生成，甲基氫的化學位移從1.8增加到2.2。

3.2 基于離子液體的多糖均相酯化反應

朱麗丹[44]以N-甲基咪唑類離子液體為介質，對米糠多糖進行硫酸酯化改性反應，并通過小鼠腫瘤細胞抑制實驗對比分析了改性前后米糠多糖對腫瘤細胞的抑制率變化，發現改性后的米糠多糖對腫瘤細胞的抑制率提高，這可能與磺酸根基團的引入有關。Peng Xinwen等[45]以[BMIM]Cl為介質，以順丁烯二酸酐為酯化劑，在LiOH催化下進行半纖維素的均相酯化反應，控制反應溫度和時間，得到取代度為0.095～0.750的酯化產物。FTIR和NMR分析表明半纖維素衍生物含有碳碳雙鍵和羧基，這為生物材料提供了一種新的生物聚合物，可用于制藥、農業、食品、廢水處理等領域；TGA結果表明半纖維素衍生物的熱穩定性相比半纖維素有所下降。Barthel等[46]以苯異氰酸酯為原料，基于[BMIM]Cl對纖維素進行酯化反應，得到纖維素芳香酸酯，對其進行凝膠滲透色譜測試，發現酯化后纖維素的聚合度變化很小，這表明在[BMIM]Cl中進行纖維素的酯化反應不會導致纖維素的降解。

3.3 基于離子液體的多糖接枝共聚反應

韓小進等[47]以[BMIM]Ac作為均相反應介質，進行殼聚糖與ε-己內酯的接枝共聚反應，發現己內酯的引入改變了殼聚糖原來的結晶結構，導致接枝共聚物的熱穩定性較原始殼聚糖有所降低。Chang Gang等[48]以[BMIM]Cl為介質在微波輻射下進行蔗渣纖維素的接枝共聚反應，控制微波輻射的條件，將2-甲基丙烯酸乙酯引入到纖維素上。FTIR分析表明接枝聚合物鏈羰基中存在C＝O的特征拉伸振動，說明聚合物鏈成功地接枝到天然纖維素的表面；掃描電子顯微鏡觀察結果表明，與非接枝纖維素的光滑表面相比，接枝纖維素表面更致密、粗糙，這是將聚合物鏈接枝到纖維素表面上的緣故；TGA結果表明接枝纖維素的熱降解在較寬的溫度范圍內顯示兩種分離的熱解，接枝纖維素的初始分解溫度降低并且熱穩定性下降，這可能歸因于纖維素骨架上2-甲基丙烯酸乙酯側鏈的引入破壞了纖維素的晶體結構。

綜上所述，以離子液體為均相反應介質，對多糖進行乙酰化、酯化、接枝共聚等化學改性反應，新基團的引入改變了多糖原來的結構，得到不同取代度的多糖衍生物，引起多糖溶解性、熱穩定性等理化性質的改變。然而，一些離子液體成本較高、黏度較大，在一定程度上限制了其工業化應用。

4 結 語

離子液體作為一種新型溶劑，在生物活性多糖、淀粉、纖維素等的改性增溶中發揮著重要作用。經離子液體改性后的產物可用無水乙醇清洗數次，直至洗滌液的Zeta電位與乙醇溶液相同，以去除殘留的離子液體[9]。目前研究主要集中于多糖在不同種類離子液體、不同參數條件下的溶解性差異和對多糖修飾改性后產生的影響等。此外，就離子液體的毒性研究而言，盡管有相關的文獻報道，但其在食品領域尚缺乏深入、系統、全面的離子液體毒性數據庫。有學者報道了不同離子液體對水生生物[49-50]、陸生生物[51-52]及酰基轉移酶活力[53]的影響，認為隨著離子液體烷基側鏈的增長，其毒性作用逐漸增加；也有學者認為可通過純化手段降低離子液體毒性[54]。

為提高多糖理化性質，拓寬其應用領域，今后對多糖在離子液體中的溶解與改性研究應重點關注以下幾個方面：1）系統研究以離子液體為介質對多糖進行修飾改性后，多糖在溶液中空間構象參數的變化規律及其引起流體性質的變化機理，旨在為實現高溶解性多糖的加工過程調控、拓寬不溶性多糖應用領域提供科學依據；2）尋找新技術、新工藝設計的低黏度、低成本新型功能化離子液體代替常見咪唑類離子液體對多糖進行修飾改性，以期提高多糖的溶解度與理化性質；3）由于缺乏深入、系統、全面的離子液體毒性數據庫，在實際應用前應對所用離子液體進行潛在的風險評估與毒理學評價。