離子液體在生物質提取中的應用

王娜，杜怡凡，白魯源，王程峰，扈本荃

開發與應用

離子液體在生物質提取中的應用

王娜，杜怡凡，白魯源，王程峰，扈本荃*

（西安醫學院藥學院，陜西 西安 710021）

離子液體應用于提取具有節能省時、提取率高、不易揮發、溶解性強等優點，是良好的新型綠色提取溶劑，并且可通過改變陰陽離子的構成產生不同的性質，從而使提取范圍更大。綜述離子液體在蛋白質、DNA、纖維素、磷脂、生物柴油和淀粉等生物質提取中的應用，并對離子液體在生物質中的應用進行了總結和展望，并提出了離子液體應用中有待解決的問題，以期有助于離子液體的利用。

離子液體；生物質；提取分離

離子液體（ILs）是由陰陽離子組成、室溫下呈液態的鹽。按其組成的陽離子化學結構，可分為咪唑類、季銨類、季膦類、吡啶類及膽堿類等離子液體，并且通過對陰、陽離子的設計可合成具有特定功能的離子液體。其熱穩定性、化學穩定性及電化學穩定性優于傳統有機溶劑。另外，離子液體具低熔點、可調性強、低毒等特點，對大多數生物質溶解能力強，反應產物分離簡單，可循環再利用[1]。

生物質是所有生命體生存的必需品，不僅應用于各種生產加工的原料中，還可以提供各種能源給人類生存發展，因此其高效環保的提取具有重要學術和應用價值。

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

1 生物質提取中的應用

1.1 蛋白質

離子液體在蛋白質提取分離方面應用廣泛。BELCHIO[3]等在不同pH值條件下，通過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對溶菌酶提取效率和回收率進行研究，結果發現pH值為7時，在所有體系中，溶菌酶的完全提取和回收率都能達到富離子液體相，用冰冷乙醇沉淀法從富離子液體相中回收蛋白質，其中高達99%的溶菌酶可被回收，這些結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]等采用季銨鹽類環氧官能團離子液體-雙水相萃取法萃取胰蛋白酶，以萃取體系的單因素考察，確定其最優條件工藝時提取率為92.56%，后用各種光學儀器對該體系萃取機理進行研究，表明該體系蛋白質分離純化的主要驅動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象，此方法提取率高，對蛋白質結構無顯著影響，為蛋白質提取分離工藝提供了新方法。

烘干法、鹽析沉淀法、超濾法等傳統方法提取木瓜蛋白酶雖操作簡單，但是容易較大程度破壞酶結構，并且易引入雜質影響酶的活性，產品質量易受到影響，因此木瓜蛋白酶不適在工業生產上的大規模開發與應用。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木瓜蛋白酶進行提取。利用單因素試驗和響應面法確定pH值8.55、離子液體[C8mim]Ac質量分數28.03%、K2HPO4質量分數20.08%為最佳提取條件，此時分配系數可達到11.65。此方法具有提取率高、兩相界面清晰、黏度低等優點，但[C8mim]Ac質量分數過大時會導致上相黏度增加，阻礙木瓜蛋白酶的轉移能力，且總體分配系數下降，提取能力減弱。

1.2 DNA

CLARK[6]等發現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-]萃取時含有的蛋白質含量較少。從細菌細胞裂解物中提取DNA時使用離子液體效果較好。離子液體對DNA的選擇性強，萃取提取效率高，溶劑可調節，在短時間內可提取大量DNA。

EMAUS 等[7]發現用[P6,6,6,14+][Ni(hfacac)3-] 離子液體可提取單鏈和雙鏈DNA，提取時間短至2 min。與傳統的DNA提取法相比，該方法不需使用離液鹽或有毒有機溶劑，避免了傳統提取中的多個離心步驟，且此方法可同QPCR分析結合直接擴增DNA，對臨床樣品提取DNA有潛在的意義。

BOWERS[8]發現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）作為陽離子與雙[(三氟甲基)磺?；鵠亞胺陰離子反應，生成能夠預濃縮DNA的與水不混溶的離子液體，可提取長短雙鏈DNA，提取效率可達42%~99%，并且這種新型的離子液體制作簡單，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制備生物化學品有很大的意義。纖維素本身結構復雜，相對分子質量大，含有大量的氫鍵，難溶于水和常規的有機溶劑中，無法被有效利用。

2002年，新型綠色有機溶劑離子液體被引入纖維素領域，能夠較容易提取纖維素，是纖維素研究的一個全新方向[9]。王蒙[10]通過比較氯鹽類([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，通過傅立葉變換紅外光譜（FTIR）及熱重（TG）分析，發現在處理過程中木質纖維素生物質中的主要組分木聚糖和木質素僅部分酯鍵發生斷裂，其骨架結構無明顯變化。因此，[膽堿][氨基酸]離子液體對木質素提取具選擇性，具有高效預處理木質纖維素生物質原料的應用潛力。LI[13]等研究了用高溫水對草進行預處理，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，未來應盡量開發安全無毒、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，但同系物之間結構相似、分離難度大。磷脂分子在結構上含有非極性和極性部分，極性部分的取代基團決定了磷脂同系物的結構區別。絲氨酸為取代基團時為PS，膽堿為取代基團時為PC。不同取代基團然會影響結構相似的PS和PC的理化性 質[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]等對比常用磷脂同系物分離技術弊端，應用離子液體于PS和PC的提取分離。根據實驗結果，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和出色的PC和PS選擇性，延長陽離子結構可顯著提高PC的分配系數。

1.5 生物柴油

生物柴油可經由低元醇與動植物油脂通過 堿/酸催化酯交換反應獲得。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]。制備時使用均相催化劑，在應用時存在一些問題，如可能會出現產物與反應體系分離難度大、催化劑難以回收、廢水處理以及產生設備腐蝕等問題，固體酸等非均相催化劑在制備生物柴油的過程中無法達到較好的催化效果。

基于以上問題，為實現綠色能源的提取利用，尋找出反應中高催化性和清潔的催化劑非常關鍵。離子液體被認為是當代最有希望的綠色溶劑和催化劑之一，其有溶解性強、不易揮發、離子液體和產品之間容易分離的優點，同時多次循環利用后仍顯示較好的催化活性。

LI[19]等研究發現，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，以[Et3NH]Cl-2FeCl3作為催化劑時，生物柴油產率在95%以上，且該離子液體重復使用6次后，其催化性能仍保持穩定。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，發現當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%，反應溫度為55 ℃，反應時間1.5 h時，生物柴油的產率可達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獲取生物柴油。結果表明，[Bmim]OH催化活性高，生物柴油收率能達到96.2％，同時，[Bmim]OH具有良好的穩定性，連續循環使用5次催化性仍保持基本不變，工業應用前景較好。

1.6 淀粉

淀粉是人類膳食中最為豐富的碳水化合物，淀粉營養豐富，在烹調、調味中發揮著積極的重要作。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，有關淀粉溶解的研究熱點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、毒性較強等缺點[24]。近年來，被稱為“綠色溶劑”離子液體，以其獨特的理化性質在也可以有效地溶解淀粉。

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

2 展 望

本文從萃取不同的活性物質的角度出發，綜合論述了離子液體在蛋白質、DNA、纖維素、磷脂、生物柴油和淀粉提取中的應用。使用離子液體作為提取劑，相較傳統方法不僅產率更高，且更節能、節時，并且由于離子液體易于制備和結構易改造的特性，通過對陰陽離子進行結構改造，使其在提取中具有更強的應用性。但同時離子液體存在以下有待解決的問題：①黏度高，導致傳導阻力變大，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反應會影響其回收，對環境存在潛在風險。隨著不斷深入的研究和硬件設施的發展，離子液體在物質提取中的應用必然更加廣泛。

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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

陜西省教育廳大學生創新訓練計劃項目（項目編號：20196670）；西安醫學院大學生創新訓練計劃項目（項目編號：121519037）。

2020-10-20

王娜 (1999－ )，女，貴州省畢節市人，研究方向：藥學專業。

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量控制的研究。

TQ028.7

A

1004-0935（2021）03-0361-04