离子液体在生物质提取中的应用

王娜，杜怡凡，白鲁源，王程峰，扈本荃

开发与应用

离子液体在生物质提取中的应用

王娜，杜怡凡，白鲁源，王程峰，扈本荃*

（西安医学院药学院，陕西 西安 710021）

离子液体应用于提取具有节能省时、提取率高、不易挥发、溶解性强等优点，是良好的新型绿色提取溶剂，并且可通过改变阴阳离子的构成产生不同的性质，从而使提取范围更大。综述离子液体在蛋白质、DNA、纤维素、磷脂、生物柴油和淀粉等生物质提取中的应用，并对离子液体在生物质中的应用进行了总结和展望，并提出了离子液体应用中有待解决的问题，以期有助于离子液体的利用。

离子液体；生物质；提取分离

离子液体（ILs）是由阴阳离子组成、室温下呈液态的盐。按其组成的阳离子化学结构，可分为咪唑类、季铵类、季膦类、吡啶类及胆碱类等离子液体，并且通过对阴、阳离子的设计可合成具有特定功能的离子液体。其热稳定性、化学稳定性及电化学稳定性优于传统有机溶剂。另外，离子液体具低熔点、可调性强、低毒等特点，对大多数生物质溶解能力强，反应产物分离简单，可循环再利用[1]。

生物质是所有生命体生存的必需品，不仅应用于各种生产加工的原料中，还可以提供各种能源给人类生存发展，因此其高效环保的提取具有重要学术和应用价值。

近年来，离子液体溶液已经被应用于提取各种高附加值活性物质，例如蛋白质、DNA、纤维素、磷脂、生物柴油、淀粉[2]。

1 生物质提取中的应用

1.1 蛋白质

离子液体在蛋白质提取分离方面应用广泛。BELCHIO[3]等在不同pH值条件下，通过由四烷基铵基离子液体和磷酸二氢钾溶液组成的新型双水相系统对溶菌酶提取效率和回收率进行研究，结果发现pH值为7时，在所有体系中，溶菌酶的完全提取和回收率都能达到富离子液体相，用冰冷乙醇沉淀法从富离子液体相中回收蛋白质，其中高达99%的溶菌酶可被回收，这些结果充分支持了离子液体双水相体系提取溶菌酶的可行性。陈静[3]等采用季铵盐类环氧官能团离子液体-双水相萃取法萃取胰蛋白酶，以萃取体系的单因素考察，确定其最优条件工艺时提取率为92.56%，后用各种光学仪器对该体系萃取机理进行研究，表明该体系蛋白质分离纯化的主要驱动力为离子液体与蛋白分子间的疏水作用力、双水相的盐析效益和分子间的簇集现象，此方法提取率高，对蛋白质结构无显著影响，为蛋白质提取分离工艺提供了新方法。

烘干法、盐析沉淀法、超滤法等传统方法提取木瓜蛋白酶虽操作简单，但是容易较大程度破坏酶结构，并且易引入杂质影响酶的活性，产品质量易受到影响，因此木瓜蛋白酶不适在工业生产上的大规模开发与应用。曾颖[5]采用1-乙基/丁基/戊基/辛基-3-甲基咪唑醋酸盐{[Cnmim]Ac(n=2, 4, 6, 8)}与K2HPO4离子液体双水相体系对木瓜蛋白酶进行提取。利用单因素试验和响应面法确定pH值8.55、离子液体[C8mim]Ac质量分数28.03%、K2HPO4质量分数20.08%为最佳提取条件，此时分配系数可达到11.65。此方法具有提取率高、两相界面清晰、黏度低等优点，但[C8mim]Ac质量分数过大时会导致上相黏度增加，阻碍木瓜蛋白酶的转移能力，且总体分配系数下降，提取能力减弱。

1.2 DNA

CLARK[6]等发现3种磁性离子液体能快速有效提取DNA，用[(C8)3BnN+][FeCl3Br-]离子液体可得到小分子单双链DNA，用[(C16BnIM)2Cl122+] [NTf2-FeCl3Br-]离子液体可获取较大分子的DNA分子，但是离子液体[(C16BnIM)2Cl122+][FeCl3Br-]萃取时含有的蛋白质含量较少。从细菌细胞裂解物中提取DNA时使用离子液体效果较好。离子液体对DNA的选择性强，萃取提取效率高，溶剂可调节，在短时间内可提取大量DNA。

EMAUS 等[7]发现用[P6,6,6,14+][Ni(hfacac)3-] 离子液体可提取单链和双链DNA，提取时间短至2 min。与传统的DNA提取法相比，该方法不需使用离液盐或有毒有机溶剂，避免了传统提取中的多个离心步骤，且此方法可同QPCR分析结合直接扩增DNA，对临床样品提取DNA有潜在的意义。

BOWERS[8]发现离子液体与不同金属中心（Ni2+、Mn2+或Co2+配位的N-取代的咪唑配体组成）作为阳离子与双[(三氟甲基)磺酰基]亚胺阴离子反应，生成能够预浓缩DNA的与水不混溶的离子液体，可提取长短双链DNA，提取效率可达42%~99%，并且这种新型的离子液体制作简单，成本低廉，操作性更高，且与疏水性离子液体相比此法有较高的黏度，因此操作更简单。

1.3 纤维素

纤维素是在自然界中广泛分布的含量最高的多糖。纤维素资源的充分利用对制备生物化学品有很大的意义。纤维素本身结构复杂，相对分子质量大，含有大量的氢键，难溶于水和常规的有机溶剂中，无法被有效利用。

2002年，新型绿色有机溶剂离子液体被引入纤维素领域，能够较容易提取纤维素，是纤维素研究的一个全新方向[9]。王蒙[10]通过比较氯盐类([Bmim]Cl)、磷酸酯类([Emim]DEP)及醋酸类([Emim]Ac) 3种咪唑类离子液体对甘蔗纤维素提取的差异，筛选出兼具良好的纤维素溶解能力又对纤维素酶具有较好的相容性的离子液体[Emim]DEP。WANG[11]等采用离子液体氯化烯丙基-3-甲基咪唑([Amim]Cl)/二甲基亚砜（DMSO）（质量比84∶16）溶解木材，以DMSO的水溶液为沉淀剂，提取得到纯度达85%的纤维素。侯雪丹[12]利用8种[胆碱][氨基酸]离子液体处理水稻秸秆，通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）及热重（TG）分析，发现在处理过程中木质纤维素生物质中的主要组分木聚糖和木质素仅部分酯键发生断裂，其骨架结构无明显变化。因此，[胆碱][氨基酸]离子液体对木质素提取具选择性，具有高效预处理木质纤维素生物质原料的应用潜力。LI[13]等研究了用高温水对草进行预处理，再利用[Amim]Cl/DMSO提取出了71%的纤维素。但是用非选择性离子液体提取纤维素仍然存在很多不足，离子液体会不同程度地抑制纤维素酶的活性，抑制纤维素的降解，且离子液体回收较难。因此，未来应尽量开发安全无毒、低成本、适用范围更广、能够在温和条件下溶解提取纤维素的离子液体。

1.4 磷脂

磷脂具有多重生理功能的天然活性，广泛分布在生物体细胞组织中。磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰丝氨酸（PS）等一系列磷同系物单体组成了磷脂。这些磷脂同系物在生理功能和活性上存在一定差异，但同系物之间结构相似、分离难度大。磷脂分子在结构上含有非极性和极性部分，极性部分的取代基团决定了磷脂同系物的结构区别。丝氨酸为取代基团时为PS，胆碱为取代基团时为PC。不同取代基团然会影响结构相似的PS和PC的理化性 质[14]，在极性和氢键酸碱性方面存在微小差异，可利用离子液体较强的氢键碱性和氢键作用能力选择性分离上述化合物[15]。

师维[16]等对比常用磷脂同系物分离技术弊端，应用离子液体于PS和PC的提取分离。根据实验结果，研究者提出以Br-为阴离子的离子液体具有较高的分配系数和出色的PC和PS选择性，延长阳离子结构可显著提高PC的分配系数。

1.5 生物柴油

生物柴油可经由低元醇与动植物油脂通过 碱/酸催化酯交换反应获得。脂肪酸单酯或乙酯是生物柴油的主要成分。生物柴油性能与石化柴油相似，可作为石化柴油的替代液体燃料。生物柴油被称为典型“绿色能源”，其环保性能好、原料易获取、可再生。制备生物柴油的酯交换法主要有酸/碱催化法、酶催化法、超临界法等[17-18]。制备时使用均相催化剂，在应用时存在一些问题，如可能会出现产物与反应体系分离难度大、催化剂难以回收、废水处理以及产生设备腐蚀等问题，固体酸等非均相催化剂在制备生物柴油的过程中无法达到较好的催化效果。

基于以上问题，为实现绿色能源的提取利用，寻找出反应中高催化性和清洁的催化剂非常关键。离子液体被认为是当代最有希望的绿色溶剂和催化剂之一，其有溶解性强、不易挥发、离子液体和产品之间容易分离的优点，同时多次循环利用后仍显示较好的催化活性。

LI[19]等研究发现，1-磺丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（ [BHSO3MIM]HSO4）起到催化剂与溶剂的双重作用，使生物柴油中油酸甲酯的收率达到97.7%。刘承先[20]曾合成系列Lewis酸性离子液体催化文冠果种仁油制备生物柴油反应，以[Et3NH]Cl-2FeCl3作为催化剂时，生物柴油产率在95%以上，且该离子液体重复使用6次后，其催化性能仍保持稳定。碱性离子液体催化剂活性高，易分离。张敏[21]等研究碱性离子液体催化大豆油制备生物柴油，发现当甲醇与大豆油摩尔比为12∶1，催化剂碱性离子液体的用量为2.5%，反应温度为55 ℃，反应时间1.5 h时，生物柴油的产率可达41.3%。韩磊[22]等合成氢氧化丁基三甲基咪唑（[Bmim]OH）离子液体，以[Bmim]OH为催化剂，采用菜籽油酯交换反应获取生物柴油。结果表明，[Bmim]OH催化活性高，生物柴油收率能达到96.2％，同时，[Bmim]OH具有良好的稳定性，连续循环使用5次催化性仍保持基本不变，工业应用前景较好。

1.6 淀粉

淀粉是人类膳食中最为丰富的碳水化合物，淀粉营养丰富，在烹调、调味中发挥着积极的重要作。淀粉不溶于水，但水中可分散，常被用作药物制剂的赋形剂，如崩解剂、黏合剂、稀释剂等，也是淀粉浆和糊精的制备原料。大量氢键存在于淀粉分子内或分子间，室温条件下，难溶解于水中，沸水可溶解部分淀粉分子。目前，有关淀粉溶解的研究热点主要集中在寻找能完全溶解淀粉的溶剂。例如二甲基亚砜（DMSO）[23]、强碱溶液（KOH、NaOH）、NaOH-尿素、ZnCl2水溶液等。然而，这些溶剂也有易燃易爆、难以回收、毒性较强等缺点[24]。近年来，被称为“绿色溶剂”离子液体，以其独特的理化性质在也可以有效地溶解淀粉。

淀粉的化学改性能够改善淀粉的理化及功能特性，使其更能满足工业应用要求。采用生物催化剂在离子液体中进行酯化反应，淀粉酯化率高且淀粉醋酸酯的取代度和热稳定性成正比[25]。少量的水与淀粉混合，由于高温和剪切作用，破坏了淀粉颗粒结构，形成了热塑性淀粉（TPS）多元醇的均质熔体，具有热塑性特性，特别是经此反应，甘油成了最广泛使用的淀粉加工塑化剂。但甘油塑化剂会在贮藏过程中影响塑化淀粉重结晶，导致塑化淀粉较快的硬化和脆化[26]。不同于传统溶剂，离子液体能够塑化多种生物聚合物，可以作为复合型塑化材料的重要介质，且离子液体具有导电性，可以作为导电淀粉材料的媒介[27]。

2 展 望

本文从萃取不同的活性物质的角度出发，综合论述了离子液体在蛋白质、DNA、纤维素、磷脂、生物柴油和淀粉提取中的应用。使用离子液体作为提取剂，相较传统方法不仅产率更高，且更节能、节时，并且由于离子液体易于制备和结构易改造的特性，通过对阴阳离子进行结构改造，使其在提取中具有更强的应用性。但同时离子液体存在以下有待解决的问题：①黏度高，导致传导阻力变大，降低提取效果；②提取选择性差，缺乏专一性；③离子液体与生物体组分的自发反应会影响其回收，对环境存在潜在风险。随着不断深入的研究和硬件设施的发展，离子液体在物质提取中的应用必然更加广泛。

[1] 赵耿，刘明，夏新奎，等. 离子液体中生物质基木糖制备糠醛的研究[J]. 信阳师范学院学报(自然科学版), 2019, 3(3): 469-472.

[2] PASSOS H,FREIRE M G,COUTINHO J A P. Ionic liquid solutions as extractive solvents for value -added compounds from biomass [J]., 2014,16 (12): 4786-4815.

[3] BELCHIOR D C V,QUENTAL M V, PEREIRA M M, et al. Performance of tetraalkylammonium-based ionic liquids as constituents of aqueous biphasic systems in the extraction of ovalbumin and lysozyme[J]., 2020, 233: 1-10

[4] 陈静, 王玉枝, 黄松云. 季铵盐类环氧官能团离子液体-双水相萃取法萃取分离萃取胰蛋白酶[J].当代化工研究, 2016(5):110-111.

[5] 曾颖，朱新儒，余垒，等. 响应面法优化离子液体双水相萃取木瓜蛋白酶[J].食品研究与开发，2018，39(20): 29-34.

[6] CLARK K D, NACHAM O, YU H, et al. Extraction of DNA by magnetic ionic liquids: tunable solvents for rapid and selective DNA analysis[J]. Analytical Chemistry, 2015, 87(3): 1552-1559.

[7] EMAUS M N, CLARK K D, HINNERS P, et al. Preconcentration of DNA using magnetic ionic liquids that are compatible with real-time PCR for rapid nucleic acid quantification[J].., 2018,410 (17):4135-4144.

[8] BOWERS A N, TRUJILLO-RODRÍGUEZ M J, FAROOQ M Q, et al. Extraction of DNA with magnetic ionic liquids using in situ dispersive liquid-liquid microextraction[J]., 2019, 411(28): 7375-7385.

[9] 李维尊.咪唑类离子液体对生物质中木质纤维素选择性提取及分离[D].天津：南开大学，2013.

[10] 王蒙.离子液体提取的甘蔗渣纤维素酶解糖化的研究[D].武汉：华中农业大学，2014.

[11] WANG X，LI H，CAO Y，et al. Cellulose extraction from wood chip in an ionic liquid 1-allyl-3-methylimidazolium chloride (AmimCl)[J].,2011,102（17）:7959-7965.

[12] 侯雪丹. 用[胆碱][氨基酸]离子液体预处理木质纤维素生物质的研究[D].广州：华南理工大学, 2013.

[13] LI W Z, JU M T, WANG Y N, et al. Separation and recovery of cellulose from Zoysia japonica by 1-allyl-3-methylimidazolium chloride[J].,2013, 92(1): 228-235.

[14] DONG K, ZHANG S J. Hydrogen bonds: a structural insight intoionic liquids[J]., 2012, 18(10):2748-2761.

[15] XU D, YANG Q W, SU B G, et al. Enhancing the basicity of ionicliquids by tuning the cation-anion interaction strength and via the anion-tethered strategy[J]., 2014, 118(4): 1071-1079.

[16] 师维，李煜惠，锁显，等. 离子液体选择性萃取分离磷脂酰丝氨酸和磷脂酰胆碱[J].化工学报，2017，68（9）：3442-3450.

[17] 张震宇，方利国．国内外生物柴油技术的研究进展[J]．广东化工，2007，34（9）：12-16．

[18] 柳洋洋, 张振国. 碱催化法制备生物柴油研究进展[J].现代盐化工，2019，47（2）：6-7.

[19] LI Y, HU S,CHENG J,et al． Acidic ionic liquid-cata-lyzed esterification of oleic acid for biodiesel synthesis[J]., 2014, 35 (3):396-406

[20] 刘承先．Lewis 酸性离子液体催化文冠果种仁油制备生物柴油[J]．化工新型材料，2015，43 （2）：37 -39.

[21] 张敏，李梦耀，许小英，等.碱性离子液体催化大豆油制备生物柴油[J]. 应用化工，2015，44（8）：1482-1484.

[22] 韩磊，包桂蓉，王华，等. 碱性离子液体[Bmim]OH催化菜籽油制备生物柴油[J].中国油脂，2010，35（8）：47-50.

[23] DEBET M R, GIDLEY M J. Why do gelatinized starch granules not dissolve completely? Roles for amylose，protein ，and lipid in granule “Ghost” integrity[J]., 2007, 55(12): 4752-4760.

[24] ZHANG B J, XIE F W, SHAMSHINA J L, et al. Facile preparation of starch-based electroconductive films with ionic liquid[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5(6): 5457-5467.

[25] LUO Z, ZHOU Z. Homogeneous synthesis and characteri-zation of starch acetates in ionic liquid without catalysts[J]., 2012, 64(1): 37-44.

[26] VAN SOEST J J,VLIEGENTHART J F. Crystallinity in starch plastic: Consequences for material properties[J]., 1997, 15(6): 208-213.

[27] 王书军，任菲，王晋伟. 离子液体在淀粉研究中的现状及展望[J].天津科技大学学报，2019，34（6）：1-13.

Application of Ionic Liquid in Biomass Extraction

,,,,

（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

陕西省教育厅大学生创新训练计划项目（项目编号：20196670）；西安医学院大学生创新训练计划项目（项目编号：121519037）。

2020-10-20

王娜 (1999－ )，女，贵州省毕节市人，研究方向：药学专业。

扈本荃 (1971－)，女，山东省潍坊市人，教授，硕士，主要从事药物制剂及其质量控制的研究。

TQ028.7

A

1004-0935（2021）03-0361-04