以离子液体为介质的修饰改性对多糖结构与理化性质的影响研究进展

白文强，王 强，刘 丽，刘红芝*

多糖是继核酸、蛋白质后的第三类生物大分子，某些多糖由于具有提高免疫力、抗肿瘤等生物活性而备受关注。多糖按溶解性可分为水溶性多糖和水不溶性多糖，广泛存在于植物和微生物的细胞壁、动物的细胞膜中。多糖含有大量羟基，易形成分子内和分子间氢键。与蛋白质和核酸分子相似，多糖也具有一级、二级、三级和四级结构[1]。多糖分子间较强的氢键作用使其结晶度升高，导致有些多糖很难溶解于水中，严重制约了其应用；因此有必要对其进行修饰改性。

离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的、在室温及室温附近呈液体状态的熔融盐类[2]，其具有许多独特的性质：如蒸汽压极低，不易挥发；具有从低于室温到300 ℃以上的液态温度范围，理化性质稳定；对自然界的多种无机和有机化合物均具有较好的溶解能力，并且在若干类化学反应中能够起到介质和催化的双重功能[3]。以离子液体为关键词，分别通过中国知网和Web of Science数据库对近10 年国内外离子液体相关文献进行统计，结果如图1所示。可以看出，近10 年来，关于离子液体的研究日趋活跃，相关文献数量总体呈增加趋势，但国内对多糖在离子液体中的行为和理化性质的研究与国际相比还存在较大差距。

图1 2007—2016年国内外离子液体相关文献统计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、化学改性、生物改性。国内外部分学者开展了多糖在不同类型离子液体中的溶解性研究[4]，以及以离子液体为均相反应介质对多糖进行物理、化学改性等的研究[5]。以离子液体为介质的物理改性包括高压微射流、超声、微波照射处理等，化学改性包括乙酰化反应、酯化反应、接枝共聚反应等。自然界中的一些多糖如酵母β-葡聚糖、壳聚糖、纤维素等可添加于保健食品中，因此其在食品领域越来越受到关注。然而，多糖较差的溶解性制约了其在食品领域的应用范围，以离子液体为介质对其进行修饰改性可提高其水溶性，扩大其在食品领域的应用。目前尚鲜有系统开展多糖在不同离子液体中的溶解性机理以及基于离子液体的修饰改性过程中多糖结构的变化规律及其理化特性改善机制的研究，因此本文综述了以离子液体为介质的修饰改性对多糖结构和理化性质的影响，旨在为改善多糖理化性质、拓宽其应用领域提供理论依据。

1 多糖在不同离子液体中的溶解性

离子液体对糖类化合物溶解能力的强弱一方面取决于糖类化合物的分子结构，另一方面取决于离子液体和糖类分子间的相互作用[6]。根据阳离子的不同，离子液体主要分为咪唑盐类、吡啶盐类、季铵盐类和季鏻盐类，季鏻盐类离子液体熔点较高，咪唑盐类离子液体熔点低且易于合成，在多糖的溶解性研究中应用最多，其可溶解纤维素、淀粉和一些生物活性多糖如壳聚糖、酵母β-葡聚糖等。根据阴离子的不同，离子液体又分为与强氢键接受体阴离子（如Cl－）结合的离子液体、与配位型阴离子（如BF4－、PF6－）结合的离子液体[3,6]，其溶解多糖的能力各不相同。

1.1 生物活性多糖在离子液体中的溶解性

国内外部分学者开展了酵母β-葡聚糖、壳聚糖在离子液体中的溶解性研究。Xie Haibo等[7]用1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，[BMIM]Cl）溶解壳聚糖，油浴加热温度控制在110 ℃，壳聚糖粉末按1%（质量分数，下同）分多次加入[BMIM]Cl中，且保证下次加入前，上次加入的壳聚糖粉末已充分溶解。加热5 h后，壳聚糖可溶解10%，将甲醇和水加入体系时可以再生。朱庆松等[8]比较了壳聚糖在4 种咪唑型离子液体中的溶解情况（表1），可以看出4 种离子液体均可溶解壳聚糖，但其在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（1-ethyl-3-methylimidazolium acetate，[EMIM]Ac）中的溶解性最好。离子液体中的阳离子或阴离子改变，壳聚糖的溶解度也会随之改变。

表1 不同温度下壳聚糖在4 种咪唑类离子液体中的溶解度[8]Table 1 Solubility of chitosan in four kinds of imidazole ionic liquids at different temperatures[8]

图2 酵母β-葡聚糖在[EMIM]Ac中的溶解过程[9]Fig. 2 Dissolution process of yeast β-glucan in [EMIM]Ac[9]

Liu Hongzhi等[9]比较了酵母β-葡聚糖在1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（1-butyl-3-methylimidazolium acetate，[BMIM]Ac）、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（1-allyl-3-methylimidazolium chloride，[AMIM]Cl）和[EMIM]Ac 3 种离子液体中的溶解性，确定酵母β-葡聚糖在[EMIM]Ac中的溶解性最好。随后以[EMIM]Ac为溶剂，在85 ℃下不断搅拌溶解酵母β-葡聚糖，并通过偏光显微镜观察了酵母β-葡聚糖在0、20、60、90、120、180 min的溶解状态，如图2所示。初始未加热时，在[EMIM]Ac中观察到大块而明亮的聚集体，随着加热温度的升高和加热时间的延长，酵母β-葡聚糖颗粒逐渐变小，溶液变得透明，并于180 min后看到均匀、完全的黑场，说明酵母β-葡聚糖固体颗粒此时已完全溶解在[EMIM]Ac中。从未加热至酵母β-葡聚糖完全溶解，可明显看到随着溶解时间的延长，酵母葡聚糖的结构发生了变化，从大而明亮的聚集体转变为小颗粒，颗粒进一步变小直至180 min时完全溶解在[EMIM]Ac中。

1.2 淀粉在离子液体中的溶解性

有研究发现，含Cl－的离子液体能够破坏天然淀粉颗粒的半结晶结构[10]以及淀粉分子化合物羟基基团之间的氢键以促进淀粉溶解。Kärkkäinen等[11]借助于油浴和微波加热开展了小麦、大麦、稻米、玉米、蜡质玉米、土豆不同种类淀粉在[BMIM]Cl中的溶解实验，发现不同来源淀粉在[BMIM]Cl中的溶解时间不同，玉米、稻米、小麦、大麦淀粉先凝胶化，其他淀粉次之；支链淀粉先降解，直链淀粉后降解，并且随着加热时间的延长和温度的升高，淀粉分子质量逐渐变小。Biswas等[12]的研究发现，80 ℃下淀粉在[BMIM]Cl中的溶解度可达15%。Xu Qi等[13]的研究发现，100 ℃下淀粉在[AMIM]Cl中可溶解50%。罗志刚等[14]分别采用[AMIM]Cl和[BMIM]Cl于90 ℃下溶解木薯淀粉，并借助偏光显微镜观察了木薯淀粉在两种离子液体中不同时刻的溶解状态。从图3、4中可以发现，90 ℃下木薯淀粉在[AMIM]Cl中溶解1 h后便看到均匀的黑场，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，说明木薯淀粉在[AMIM]Cl中具有更好的溶解性。分析其原因，可能是由于[AMIM]+比[BMIM]+具有更小尺寸和更强极性[15]。

图3 90 ℃不同时刻木薯淀粉在[AMIM]Cl中的溶解状态[14]Fig. 3 Dissolved state of tapioca starch in [AMIM]Cl at 90 ℃at different time points[14]

图4 90 ℃不同时刻木薯淀粉在[BMIM]Cl中的溶解状态[14]Fig. 4 Dissolved state of tapioca starch in [BMIM]Cl at 90 ℃ at different time points[14]

1.3 纤维素在离子液体中的溶解性

Zhang Hao等[15]的研究发现，相比于[BMIM]Cl，[AMIM]Cl可更好地溶解纤维素，这归因于其更小的尺寸和[AMIM]+更高的极性。Singh等[16]基于120 ℃下10 min柳枝稷暴露实验，认为对于植物细胞壁纤维素而言，[EMIM]Ac是目前让其快速溶胀、快速溶解的最有效的离子液体溶剂。曹妍等[17]比较了80 ℃下纤维素（脱脂棉）在[AMIM]Cl和[EMIM]Ac两种离子液体中的溶解性，发现在[AMIM]Cl中纤维素溶解4%需要55 min，其所能溶解的最高纤维素质量分数为6%；而在[EMIM]Ac中纤维素溶解4%需要45 min，最高可溶解9%，说明纤维素（脱脂棉）在[EMIM]Ac中的溶解性更好。郭清华等[18]比较了不同温度下纤维素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac两种离子液体中完全溶解所需时间（表2），可以看出[EMIM]Ac对纤维素溶解速度更快，溶解性能更好。王犇等[19]采用偏光显微镜观察了100 ℃下蔗渣纤维素在[AMIM]Cl中的溶解过程，观察时间分别为20、30、50、60 s和240 s，在240 s时观察到均匀黑场，说明此时蔗渣纤维素已完全溶解在[AMIM]Cl中，与Zavrel等[20]报道的结果一致，表明[AMIM]Cl对纤维素具有良好的溶解能力。

表2 不同温度下纤维素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac中完全溶解所需时间[18]Table 2 Time required for complete dissolution of cellulose in [BMIM]Cl and [EMIM]Ac at different temperatures[18]

综上所述，咪唑类离子液体在溶解生物活性多糖、淀粉、纤维素方面应用最为广泛。组成咪唑类离子液体的阳离子和阴离子均可影响其对多糖的溶解性能：阳离子相同时，阴离子为Ac－比阴离子为Cl－的咪唑类离子液体对多糖的溶解性更能好；阴离子相同时，阳离子为[AMIM]+比阳离子为[BMIM]+的咪唑类离子液体对多糖的溶解性更能好。

1.4 多糖在离子液体中的溶解机理

1.4.1 氢键

相关研究表明，多糖在离子液体中的溶解性受氢键及其结构的影响。多数学者认为，离子液体阴离子与多糖羟基质子之间形成的氢键，在多糖的溶解过程中发挥着至关重要的作用[21-24]。Singh等[16]认为，强极性离子液体[EMIM]Ac可能破坏生物大分子间的氢键作用，其所含阴离子与生物大分子羟基上的氢原子形成氢键，从而促进生物大分子在[EMIM]Ac中的溶解。朱庆松等[8]的研究发现，壳聚糖在[BMIM]Cl中的溶解是由于Cl－的攻击导致壳聚糖分子内和分子间氢键的断裂，破坏其氢键体系，且升高温度时会增大Cl－攻击壳聚糖氢键的概率，从而使壳聚糖在[BMIM]Cl中溶解时间缩短。同样，离子液体阳离子也可以与多糖链中羟基上的氧原子形成氢键，促进多糖在离子液体中的溶解。咪唑类离子液体是应用最广泛的离子液体，其溶解多糖类化合物的机理可能是通过影响其在咪唑盐阳离子和碳水化合物羟基质子间形成氢键数量[25]，以及阴离子与多糖羟基中的氧原子形成氢键的数目[26-27]。

1.4.2 离子液体的阴阳离子

多糖在离子液体中的溶解性与离子液体阴阳离子的种类、极性和尺寸紧密相关，具有较小体积、较大极性的阳离子和较大体积阴离子的离子液体对多糖的溶解能力更强[28]，例如阴离子为Ac－的离子液体较阴离子为Cl－的离子液体溶解性更强，可能是因为体积小、极性强的阳离子更易与多糖分子羟基产生氢键作用。在阳离子相同时，具有较强氢键接受能力的阴离子（如Ac－、Cl－等）更有利于破坏多糖分子内和分子间的氢键，从而促进多糖溶解[8]。

综上所述，多糖在离子液体中的溶解机理可能为：离子液体与多糖大分子之间形成了氢键，破坏了多糖分子内和分子间原本存在的氢键网络结构，从而有利于多糖的溶解；并且多糖在离子液体中的溶解性受其阴阳离子种类、极性和尺寸的影响。

2 离子液体-物理改性对多糖结构与理化性质的影响

以离子液体为介质对多糖进行物理改性，目前部分学者开展了离子液体结合高压微射流处理、超声处理、微波照射处理对多糖结构与理化性质影响的研究。

2.1 基于离子液体的高压微射流改性对多糖结构与理化性质的影响

作为一种新兴的物理改性方法，高压微射流技术显示出巨大的优越性，它集输送、混合、加压、升温、超粉碎等物理操作单元于一体，通过对物料进行高速碰撞、强烈剪切、挤压、瞬间释放压力、空穴效应等一系列综合作用，实现对物料的改性和均一化效果[29-30]。天然高分子化合物在不同温度和压力下通过高压微射流技术处理适当的时间，可因强烈的机械作用而破坏非共价键如氢键、离子键和疏水键等，导致不同程度的分子降解和分子质量降低。

Liu Hongzhi等[9]采用[EMIM]Ac结合高压微射流技术，对水不溶性酵母β-葡聚糖进行修饰改性，确定了两种处理方法结合修饰改性酵母β-葡聚糖的最佳工艺条件，即压力175 MPa，质量分数0.5%，微射流时间9 min，可溶性葡聚糖得率达79.12%。并比较了修饰改性前后酵母β-葡聚糖的结构特征。粒径分析结果显示，不可溶β-葡聚糖平均粒径为27.28 μm，而可溶β-葡聚糖平均粒径为60.16 nm。表明高压微射流可以通过降低大分子多糖的分子质量、打散聚集成团的多糖分子、断裂多糖分子链等，从而改变多糖的结构。溶液质量分数、压力、循环次数等因素均可影响高压微射流对多糖结构的修饰程度，经过离子液体-高压微射流修饰改性后，酵母β-葡聚糖溶解度提高约79%。

2.2 基于离子液体的超声处理对多糖结构与理化性质的影响

高强度超声（16～100 kHz、10～1 000 W/cm2）效果与空化、加热、动态搅拌、剪切应力和湍流作用有关，可采用基于离子液体的超声处理对纤维素进行修饰改性[31-32]。Ma Sen等[33]在[BMIM]Cl中无催化剂情况下对蔗渣纤维素进行超声处理，发现随着处理时间的延长和温度的升高，蔗渣纤维素聚合度从1 210下降到712，表明其发生降解，通过热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）测得其热稳定性下降。Bussemaker等[34]以离子液体为介质超声处理木质纤维素，产生空化力和压力差，导致微射流的形成，致使木质纤维素分子发生降解。Lan Wu等[35]在[BMIM]Cl和[C4MIM]Cl中超声辅助溶解纤维素，发现当30 W超声处理20 min时，纤维素完全溶解的时间从190 min缩短到60 min。并借助傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、X射线衍射等技术，得出受到超声处理的影响时，纤维素的大部分晶体结构转变为无定形结构，其余晶体从纤维素I型转变为纤维素II型，且纤维素的热稳定性下降、热解残渣增多的结果。

2.3 基于离子液体的微波辐射对多糖结构与理化性质的影响

微波辐射通过将电磁体热量直接转换为能量而在分子水平上产生热量[36]，与传统的加热方式相比，具有更明显的加热效果，已被广泛应用于无机合成、提取等领域[37]。石海信等[38]采用2 455 MHz微波对木薯淀粉的乙醇悬浮液进行辐照处理，并对辐照改性后淀粉结构与理化性质的变化进行了研究。发现与原始淀粉颗粒相比，微波处理后的淀粉颗粒出现轻微聚集，淀粉分子链发生一定程度的断裂降解，颗粒表面变得粗糙、出现褶皱或凹陷；黏度测试表明，微波辐射使木薯淀粉的黏度逐渐变小；TGA结果表明，微波辐射使淀粉的热稳定性提高。Anderson等[39]研究了微波湿热处理对蜡质和非蜡质大米淀粉的形貌特征、消化性能、糊化和黏度性质等的影响，发现微波加热处理后，两种淀粉的消化率变化很小，而糊化、黏度特性改变显著。Wang Hui等[40]以[EMIM]Ac为介质通过微波辐射溶解木质纤维素，将0.5 g木材溶于10 g [EMIM]Ac中，仅4 min其溶解度便达到了90%以上，并且随着微波辐射时间的延长和强度的增加，木质纤维素发生明显降解，溶解性提高。微波辐射更易破坏连接纤维素、半纤维素和木质素的强氢键作用，有助于木质纤维素生物质中木质素的去除。

综上可知，以离子液体为介质，结合高压微射流处理、超声处理或微波辐射处理对多糖进行物理改性，改性后多糖均发生一定程度的降解，分子质量降低、溶解性提高。然而，基于离子液体对多糖进行修饰改性后多糖在溶液中空间构象参数变化规律及引起其流体性质的变化机理尚未明晰。

3 离子液体-化学改性对多糖结构与理化性质的影响

一定条件下，不同相（固态、液态、气态）物质间进行的物理化学反应称为异相反应[41]。目前关于天然多糖的分子修饰往往是通过异相反应进行的，而异相反应效率低，有时会对环境产生影响，因此不少学者针对多糖均相反应展开了研究，而离子液体可作为均相反应介质应用于多糖乙酰化、酯化、接枝共聚等化学改性中。

3.1 基于离子液体的多糖均相乙酰化反应

高山俊等[42]的研究表明，魔芋葡甘露聚糖在离子液体[AMIM]Cl中可成功进行均相乙酰化反应，在无催化剂80 ℃反应0.75 h及魔芋多糖中羟基与乙酸酐物质的量比为1∶6的条件下，所得产物取代度最高可达2.15。通过对未取代和不同取代度的乙酰化魔芋葡甘露聚糖进行溶解性能测试发现，随着取代度的增加，魔芋多糖的溶解性提高。孙璠等[28]指出，壳聚糖溶于离子液体后形成均相体系，基于这种均相体系，通过与酸酐反应，在壳聚糖分子链上引入芳香族酰基，便可使其溶解性得到改善，同时新基团的引入也可扩展壳聚糖的理化性质，这为壳聚糖的均相衍生化提供了一条绿色的路线。Wu Jin等[43]在离子液体[AMIM]Cl中进行了纤维素的均相乙酰化反应实验，乙酰化试剂为无水醋酸，在无催化剂情况下得到取代度广泛的乙酰化产物，取代度不同则溶解性不同；并通过FTIR和NMR对结果进行分析表明有羧酸酯生成，甲基氢的化学位移从1.8增加到2.2。

3.2 基于离子液体的多糖均相酯化反应

朱丽丹[44]以N-甲基咪唑类离子液体为介质，对米糠多糖进行硫酸酯化改性反应，并通过小鼠肿瘤细胞抑制实验对比分析了改性前后米糠多糖对肿瘤细胞的抑制率变化，发现改性后的米糠多糖对肿瘤细胞的抑制率提高，这可能与磺酸根基团的引入有关。Peng Xinwen等[45]以[BMIM]Cl为介质，以顺丁烯二酸酐为酯化剂，在LiOH催化下进行半纤维素的均相酯化反应，控制反应温度和时间，得到取代度为0.095～0.750的酯化产物。FTIR和NMR分析表明半纤维素衍生物含有碳碳双键和羧基，这为生物材料提供了一种新的生物聚合物，可用于制药、农业、食品、废水处理等领域；TGA结果表明半纤维素衍生物的热稳定性相比半纤维素有所下降。Barthel等[46]以苯异氰酸酯为原料，基于[BMIM]Cl对纤维素进行酯化反应，得到纤维素芳香酸酯，对其进行凝胶渗透色谱测试，发现酯化后纤维素的聚合度变化很小，这表明在[BMIM]Cl中进行纤维素的酯化反应不会导致纤维素的降解。

3.3 基于离子液体的多糖接枝共聚反应

韩小进等[47]以[BMIM]Ac作为均相反应介质，进行壳聚糖与ε-己内酯的接枝共聚反应，发现己内酯的引入改变了壳聚糖原来的结晶结构，导致接枝共聚物的热稳定性较原始壳聚糖有所降低。Chang Gang等[48]以[BMIM]Cl为介质在微波辐射下进行蔗渣纤维素的接枝共聚反应，控制微波辐射的条件，将2-甲基丙烯酸乙酯引入到纤维素上。FTIR分析表明接枝聚合物链羰基中存在C＝O的特征拉伸振动，说明聚合物链成功地接枝到天然纤维素的表面；扫描电子显微镜观察结果表明，与非接枝纤维素的光滑表面相比，接枝纤维素表面更致密、粗糙，这是将聚合物链接枝到纤维素表面上的缘故；TGA结果表明接枝纤维素的热降解在较宽的温度范围内显示两种分离的热解，接枝纤维素的初始分解温度降低并且热稳定性下降，这可能归因于纤维素骨架上2-甲基丙烯酸乙酯侧链的引入破坏了纤维素的晶体结构。

综上所述，以离子液体为均相反应介质，对多糖进行乙酰化、酯化、接枝共聚等化学改性反应，新基团的引入改变了多糖原来的结构，得到不同取代度的多糖衍生物，引起多糖溶解性、热稳定性等理化性质的改变。然而，一些离子液体成本较高、黏度较大，在一定程度上限制了其工业化应用。

4 结 语

离子液体作为一种新型溶剂，在生物活性多糖、淀粉、纤维素等的改性增溶中发挥着重要作用。经离子液体改性后的产物可用无水乙醇清洗数次，直至洗涤液的Zeta电位与乙醇溶液相同，以去除残留的离子液体[9]。目前研究主要集中于多糖在不同种类离子液体、不同参数条件下的溶解性差异和对多糖修饰改性后产生的影响等。此外，就离子液体的毒性研究而言，尽管有相关的文献报道，但其在食品领域尚缺乏深入、系统、全面的离子液体毒性数据库。有学者报道了不同离子液体对水生生物[49-50]、陆生生物[51-52]及酰基转移酶活力[53]的影响，认为随着离子液体烷基侧链的增长，其毒性作用逐渐增加；也有学者认为可通过纯化手段降低离子液体毒性[54]。

为提高多糖理化性质，拓宽其应用领域，今后对多糖在离子液体中的溶解与改性研究应重点关注以下几个方面：1）系统研究以离子液体为介质对多糖进行修饰改性后，多糖在溶液中空间构象参数的变化规律及其引起流体性质的变化机理，旨在为实现高溶解性多糖的加工过程调控、拓宽不溶性多糖应用领域提供科学依据；2）寻找新技术、新工艺设计的低黏度、低成本新型功能化离子液体代替常见咪唑类离子液体对多糖进行修饰改性，以期提高多糖的溶解度与理化性质；3）由于缺乏深入、系统、全面的离子液体毒性数据库，在实际应用前应对所用离子液体进行潜在的风险评估与毒理学评价。