離子液體在脂質(zhì)分離與富集中的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙格格，徐學(xué)兵，畢艷蘭，張 海，張 虹

(1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州450001； 2.豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海200137)

離子液體作為新型綠色溶劑具有蒸氣壓低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和導(dǎo)電性好等優(yōu)勢(shì)，以其對(duì)多種無(wú)機(jī)、有機(jī)和金屬配合物展現(xiàn)的優(yōu)良的溶解性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、生物以及材料等領(lǐng)域。自1992年首個(gè)對(duì)空氣和水穩(wěn)定的離子液體[EMIM][BF4]出現(xiàn)以來(lái)[1]，大量的不同結(jié)構(gòu)陰陽(yáng)離子組成的離子液體相繼被報(bào)道。離子液體的興起為綠色化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了極大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

從物理化學(xué)到分析化學(xué)，從催化化學(xué)到分離提純，離子液體的應(yīng)用已擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。一方面，在油脂工業(yè)中已有較多關(guān)于離子液體為介質(zhì)應(yīng)用于提高脂肪酶穩(wěn)定性和選擇性的研究，如用于酶法合成甘油酯[2]中等。而另一方面，由于其廣泛的液程以及良好的溶解性能，離子液體在脂質(zhì)分離與富集方面的應(yīng)用也逐漸增多。特別是隨著對(duì)離子液體結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系研究的深入，對(duì)離子液體的應(yīng)用研究由“try-and-error”模式逐步發(fā)展到“task specific”設(shè)計(jì)，能夠針對(duì)目標(biāo)物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的功能化離子液體，以增強(qiáng)離子液體與目標(biāo)物之間的氫鍵、π-π相互作用和疏水相互作用等，更為高效地達(dá)到分離與富集的目的。本文從離子液體的性質(zhì)、對(duì)微藻油脂的提取、對(duì)油脂中各組分的分離與富集效果、對(duì)油脂中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的富集效果4個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 離子液體

1.1 離子液體的簡(jiǎn)介

離子液體(Ionic liquids，ILs)即由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子構(gòu)成的在室溫或室溫附近溫度下呈現(xiàn)液態(tài)的鹽類物質(zhì)，又稱為室溫離子液體(Room temperature ionic liquids)、室溫熔融鹽(Room temperature molten salts)等。常見(jiàn)的陰陽(yáng)離子如圖1所示。由于離子液體陰陽(yáng)離子體積相差較大，離子間的靜電引力較弱，具有較小的晶格能，因此在常溫下能呈現(xiàn)液態(tài)。與常見(jiàn)易揮發(fā)有機(jī)分子溶劑相比，離子液體完全由陰、陽(yáng)離子組成，因而具有獨(dú)特的性質(zhì)：①蒸氣壓可忽略不計(jì)，即不揮發(fā)。②流動(dòng)性范圍廣，部分離子液體甚至能夠在-96～300℃范圍內(nèi)為液態(tài)[3]，且具有熱穩(wěn)定性，為特定反應(yīng)及設(shè)計(jì)提供充足的反應(yīng)范圍。③可以設(shè)計(jì)陰陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)離子液體的性質(zhì)，從而調(diào)節(jié)其對(duì)無(wú)機(jī)、有機(jī)和聚合材料的溶解度以及酸堿度，因此在離子液體體系中可以進(jìn)行一些在傳統(tǒng)溶劑中幾乎不可能進(jìn)行的反應(yīng)。④易于購(gòu)買并且易于制備，目前國(guó)內(nèi)已有專門生產(chǎn)離子液體的公司及機(jī)構(gòu)。⑤可供選擇的陰離子和陽(yáng)離子的范圍較寬。據(jù)估計(jì)，若包含二元及三元混合物，則目前大約有10 000億種離子液體，相比之下，常規(guī)有機(jī)溶劑只有約300個(gè)。因此，離子液體在催化、分離、電化學(xué)、有機(jī)合成等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1常見(jiàn)離子液體的陰陽(yáng)離子

1.2 離子液體的性質(zhì)

離子液體熔點(diǎn)是評(píng)價(jià)其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。有機(jī)陽(yáng)離子影響離子液體的氫鍵和疏水作用，無(wú)機(jī)陰離子影響其溶解能力。有機(jī)陽(yáng)離子的體積越大，電荷越分散，分子對(duì)稱性越差，則離子液體的熔點(diǎn)越低；陰離子的尺寸越大，離子液體的熔點(diǎn)越低，通常熔點(diǎn)情況表現(xiàn)出如下的順序：Cl->[PF6]->[NO2]->[NO3]->[AlCl4]->[BF4]->[CF3SO3]- [4]。密度是離子液體另一個(gè)可通過(guò)改變陰陽(yáng)離子而調(diào)節(jié)的物理性質(zhì)。陰離子對(duì)密度的影響比較明顯，通常陰離子越大，離子液體的密度越大；而對(duì)于有機(jī)陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)，其側(cè)鏈越長(zhǎng)，密度越小[5]。離子液體的黏度是制約其應(yīng)用的一個(gè)十分關(guān)鍵的因素，通常離子液體的黏度比傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑要高出1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。溫度和雜質(zhì)含量對(duì)黏度的影響尤為顯著，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度升高時(shí)，離子液體的黏度會(huì)明顯下降；離子液體中有機(jī)溶劑、反應(yīng)物和產(chǎn)物、水的含量也對(duì)黏度有較大影響。因此，在應(yīng)用時(shí)可以通過(guò)升溫或與其他低黏度化合物混合使用達(dá)到降黏的效果。

2 離子液體對(duì)微藻油脂的提取

離子液體的種類廣泛，不同的陰陽(yáng)離子組成能賦予其不同的極性大小。隨著對(duì)離子液體物性研究的增多，發(fā)現(xiàn)離子液體可以在破壞藻類細(xì)胞壁的同時(shí)對(duì)微藻釋放的油脂進(jìn)行提取與分離，該方法所需能耗較低且提取效果顯著。目前對(duì)于微藻油脂的提取主要有親水性離子液體分離與疏水性離子液體提取兩種思路。

2.1 親水性離子液體分離微藻油脂

親水性離子液體可以溶解微藻的細(xì)胞壁同時(shí)與油脂形成兩個(gè)不溶相從而分離，其機(jī)理類似于水酶法。例如，親水性離子液體[BMIM]Cl破壞微藻的細(xì)胞壁并與水溶液環(huán)境互溶，而微藻中的脂質(zhì)層則與其不溶得以離心分離[8]。Suna等[9]采用[EMIM][HSO4]與[EMIM][SCN]以1∶1組成的混合離子液體萃取小球藻中的油脂，油脂提取率能夠達(dá)到200.6 mg/g，而單獨(dú)使用[EMIM][HSO4]時(shí)所得到的油脂提取率僅為35.2 mg/g，從而表明不同離子液體混合萃取油脂時(shí)具有協(xié)同效應(yīng)。同時(shí)，親水性離子液體相可通過(guò)加入一定量的水使不溶于水的微藻細(xì)胞壁等雜質(zhì)沉淀分離，蒸發(fā)除去水分則實(shí)現(xiàn)了離子液體的回收。在此基礎(chǔ)上，將離子液體與其他輔助方式相結(jié)合提取微藻中的油脂的研究也有了一定的進(jìn)展。羅文等[10]利用超聲輔助離子液體在50～100 ℃下破壞微藻細(xì)胞的細(xì)胞壁，增加了離子液體與微藻之間的碰撞效應(yīng)從而提高了提取效率。

2.2 疏水性離子液體提取微藻油脂

疏水性離子液體能與微藻油脂混合形成疏水層從而進(jìn)行萃取，而后通過(guò)調(diào)節(jié)離子液體的極性，使油脂與離子液體分離。鄭承熙等[11]將含有咪唑陽(yáng)離子和疏水性陰離子如[NTf2]-和[PF6]-的離子液體與有機(jī)堿混合萃取微藻中的油脂，然后通過(guò)通入二氧化碳的方法調(diào)節(jié)離子液體的極性，達(dá)到油脂與離子液體分離的效果，其萃取分離率高達(dá)85%。在提取油脂后向離子液體層通入惰性氣體可使得離子液體轉(zhuǎn)變回初始狀態(tài)，從而達(dá)到離子液體的回收利用。隨后該小組還發(fā)明了胺類與疏水性離子液體混合萃取藻類中油脂的專利，通過(guò)通入二氧化硫或二氧化碳改變銨鹽的狀態(tài)使其與疏水性離子液體分層[12]。

3 離子液體對(duì)油脂組分的分離與富集

大多數(shù)食用油脂主要由甘三酯組成，能夠?yàn)槿梭w提供生長(zhǎng)代謝所需的能量，除此之外食用油脂還含有各類機(jī)體所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，比如脂肪酸、磷脂、植物甾醇、生育酚等生物活性物質(zhì)。目前，已有一些研究探索了離子液體對(duì)油脂中不同有機(jī)分子的分離與富集效果。

3.1 n-3型多不飽和脂肪酸及其甲酯

離子液體在催化脂肪酸酯化方面已有廣泛的應(yīng)用與研究。同時(shí)，離子液體在對(duì)于n-3型多不飽和脂肪酸的分離與富集方面也取得了突破性的進(jìn)展。銀鹽與不飽和脂肪酸的雙鍵之間存在π-配位作用，能夠萃取n-3型多不飽和脂肪酸甲酯。Li等[13]將咪唑基疏水性離子液體運(yùn)用至四氟硼酸銀液-液提取法中，作為萃取相富集n-3型多不飽和脂肪酸甲酯，銀離子與不飽和脂肪酸雙鍵的π-配位作用使其富集至萃取相中，并且陰離子會(huì)分散在疏水性離子液體中，從而該方法能夠縮短提取時(shí)間并且減少銀鹽的用量。由于銀鹽具有毒性和腐蝕性，不適于應(yīng)用于食品工業(yè)，Cheong等[14]考察了使用含有芳香環(huán)的離子液體對(duì)于n-3型多不飽和脂肪酸的提取效率和選擇性，研究表明咪唑基和吡啶基類型的離子液體的陽(yáng)離子具有芳香/離域結(jié)構(gòu)，其上的π電子能與多不飽和脂肪酸雙鍵上的π電子形成π-π作用，從而能夠?qū)-3型多不飽和脂肪酸進(jìn)行富集。隨后在此基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)離子液體與長(zhǎng)鏈脂肪酸雙鍵之間的π-π作用，陸向紅等[15]采用路易斯酸離子液體[BMIM]Cl-xAlCl3萃取多不飽和脂肪酸甲酯，結(jié)果顯示使用路易斯酸性離子液體萃取的效果好于非路易斯酸性離子液體，進(jìn)一步說(shuō)明了萃取的主要?jiǎng)恿κ请x子液體中路易斯酸與雙鍵離子π電子之間的絡(luò)合作用。因此，拓展關(guān)于離子液體與各類有機(jī)物之間的作用機(jī)理的研究，對(duì)于針對(duì)目標(biāo)物設(shè)計(jì)出更為高效的離子液體尤為重要。

3.2 磷脂

3.3 植物甾醇

國(guó)內(nèi)外已有較多研究表明，離子液體在催化植物甾醇酯的合成方面有著良好的表現(xiàn)。而在植物甾醇的溶解與分離方面，離子液體同樣具有出色的應(yīng)用前景。在植物甾醇的溶解性方面，金文彬[19]設(shè)計(jì)并合成了一種具有強(qiáng)親脂性和強(qiáng)氫鍵堿性的長(zhǎng)羧酸季膦離子液體，考察了一系列天然活性物質(zhì)在其中的溶解度，其中豆甾醇在[P4444][C15H31COO]中的溶解度達(dá)到在水中溶解度的4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且遠(yuǎn)高于在常規(guī)有機(jī)溶劑如乙醇、DMSO、正辛醇中的溶解度。由此展示了離子液體在溶解目標(biāo)物質(zhì)時(shí)所具有的可設(shè)計(jì)性。在植物甾醇的選擇性分離方面，離子液體也有著很好的應(yīng)用效果。速甾醇T3與維生素D3結(jié)構(gòu)僅在于母核雙鍵位置不同，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算可得出，具有不飽和鍵的離子液體能與兩者結(jié)構(gòu)中不同位置的雙鍵產(chǎn)生不同的π-π相互作用，從而能得到較高的選擇性。梁瑞斯[20]通過(guò)COSMO-RS方法模擬計(jì)算了基于離子液體以及有機(jī)溶劑-離子液體二元混合溶劑萃取分離速甾醇T3與維生素D3的效果，以萃取劑環(huán)丁砜為對(duì)照組，使用[BMPr][NTF2]和DMF組成的混合溶劑為萃取劑時(shí)，當(dāng)達(dá)到與對(duì)照組相同的分配系數(shù)時(shí)離子液體二元萃取劑的選擇性高出10%，當(dāng)達(dá)到與對(duì)照組相同的選擇性系數(shù)時(shí)，其分配系數(shù)高出近一倍，選擇分離效果顯著。

3.4 天然抗氧化劑

離子液體作為可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的綠色溶劑，能夠通過(guò)選擇不同的陰陽(yáng)離子組合，使其存在不同的氫鍵酸性、氫鍵堿性、疏水相互作用與極性等性質(zhì)，十分適用于天然活性物質(zhì)的分離與純化。目前已有大量研究發(fā)現(xiàn)，離子液體對(duì)酚類以及酸類等生物活性物質(zhì)有良好的萃取效果。生育酚是最廣泛存在的天然抗氧化劑，存在α-生育酚、β-生育酚、γ-生育酚和δ-生育酚4種同系物，其中α-生育酚生理活性最強(qiáng)。量子化學(xué)密度泛涵理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同生育酚同系物上的酚羥基的氫鍵酸性強(qiáng)弱有一定的差異，δ-生育酚氫鍵酸性最強(qiáng)，α-生育酚最弱。因此，采用有一定氫鍵堿性的離子液體有望對(duì)生育酚同系物產(chǎn)生不同強(qiáng)弱的氫鍵相互作用從而使其分離。楊啟煒[21]通過(guò)研究離子液體對(duì)生育酚同系物的選擇性分離，發(fā)現(xiàn)以摩爾分?jǐn)?shù)為2%[BMIM]Cl的乙腈溶液為萃取劑， 30℃時(shí)，δ-生育酚對(duì)α-生育酚的萃取選擇性系數(shù)是用乙腈作萃取劑時(shí)的4倍，很好地實(shí)現(xiàn)了生育酚同系物的分離提取。天然存在的酚酸類物質(zhì)常具有較強(qiáng)的抗氧化性，可作油脂中天然抗氧化劑使用，例如香草酸、丁香酸、阿魏酸、咖啡酸等，均有研究報(bào)道不同離子液體對(duì)其富集效果，如表1所示。在氫鍵和疏水相互作用的影響下，離子液體對(duì)酚類和酸類等物質(zhì)具有很好的萃取效果。

表1 離子液體分離各類天然抗氧化劑方法總結(jié)

4 離子液體對(duì)油脂中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的富集

油脂的安全與人體健康息息相關(guān)。在油脂工業(yè)中，由于環(huán)境、加工方式、加工助劑、溫度等因素的影響，生產(chǎn)出的食用油脂及其制品可能存在多種風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)，例如多環(huán)芳烴、塑化劑、重金屬等。對(duì)于各類風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)，已有不少研究探討了離子液體對(duì)其的富集效果。

4.1 多環(huán)芳烴

與飽和脂肪烴相比，芳香族苯環(huán)上下方的π電子在其分子周圍產(chǎn)生了一個(gè)更強(qiáng)的靜電場(chǎng)，且芳香烴更容易極化，使得其在離子液體中有著更高的溶解度。在石油化工等行業(yè)中，咪唑類離子液體常被用于富集脂肪烴中的苯類及其衍生物。有報(bào)道通過(guò)理論化學(xué)的方法研究了咪唑類、苯并咪唑類以及喹啉類離子液體與多環(huán)芳烴的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)兩者之間能夠形成C—H…π的氫鍵形式[28]。除此之外，以離子液體修飾的二氧化硅作為反相液相色譜固定相來(lái)考察對(duì)于不同結(jié)構(gòu)異構(gòu)的多環(huán)芳烴的選擇性保留行為發(fā)現(xiàn)，離子液體與多環(huán)芳烴之間的π-π相互作用與離子-偶極相互作用，對(duì)于多環(huán)芳烴分離與富集發(fā)揮著非常重要的作用[29]。由于苯并咪唑類離子液體比咪唑類具有更強(qiáng)的共軛性，能夠與多環(huán)芳烴產(chǎn)生更強(qiáng)的π-π相互作用，周鑫魁等[30]使用以1，2-二(3′-芐基苯并咪唑基)乙烷六氟磷酸鹽與常見(jiàn)的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽和二甲基亞砜混合富集油脂中的多環(huán)芳烴，并使用附帶熒光檢測(cè)器的高效液相色譜儀檢測(cè)油脂中9種多環(huán)芳烴，該方法測(cè)得多環(huán)芳烴回收率在86.8%～92.5%之間，結(jié)果穩(wěn)定，且RSD小于3%，重現(xiàn)性好。

4.2 3-氯丙醇酯及縮水甘油酯

近年來(lái)，在精制食用油、人造奶油和嬰幼兒配方食品中發(fā)現(xiàn)氯丙醇酯的報(bào)道逐年增加。Goodrich等[31]發(fā)現(xiàn)在油脂精煉過(guò)程中使用堿性碳酸氫根離子液體對(duì)其進(jìn)行處理能夠有效脫除油脂中的3-氯丙醇、3-氯丙醇酯及縮水甘油酯。研究表明，通過(guò)將油脂與水溶液形式的堿性離子液體混合萃取12 h以上，而后離心分離檢測(cè)油相中殘留的3-氯丙醇、3-氯丙醇酯及縮水甘油酯含量，對(duì)于精煉棕櫚油， 3-氯丙醇酯和縮水甘油酯含量分別減少了80%和70%。該堿性離子液體能夠在水存在的情況下促進(jìn)3-氯丙醇及其形成的酯上的C—Cl鍵斷裂的同時(shí)可以促進(jìn)縮水甘油酯離子的開(kāi)環(huán)，同時(shí)將其萃取至水相中得以分離。在油脂進(jìn)行精煉操作前使用堿性離子液體[Ch][HCO3]與油脂混合也可以有效減少精煉油中3-氯丙醇酯及縮水甘油酯的產(chǎn)生[32]。相對(duì)于其他離子液體，以季銨鹽為陽(yáng)離子的離子液體更為環(huán)境友好，因此更適于引入到油脂行業(yè)中。

4.3 金屬離子

離子液體萃取金屬的過(guò)程主要遵循離子交換機(jī)制，金屬離子在螯合劑作用下能形成螯合物離子，然后與離子液體發(fā)生陽(yáng)離子或陰離子交換從而進(jìn)入到離子液體相得以富集。目前有大量研究探討了離子液體與金屬離子間的作用，絕大多數(shù)均是在水相系統(tǒng)中富集金屬離子。2016年，Goodrich等[33]發(fā)明了關(guān)于離子液體脫除油脂中金屬離子的專利。將膽堿碳酸氫鹽溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%)加入到添加了Fe3+、Cu2+、Cr3+和Ni+的大豆油或橄欖油中，室溫下混合12 h后離心，取上層油樣檢測(cè)其中4種元素的含量。其中，萃取后的大豆油和橄欖油中的Fe元素的含量分別降低了94%和97%，其他3種元素含量也分別降低到了百萬(wàn)分之一以下。Mezza等[34]發(fā)明了使用與油不溶的離子液體來(lái)脫除牛油中的金屬離子Fe3+、Al3+、Ca2+、Na+、Zn2+、K+。其中離子液體為陰離子對(duì)甲苯磺酸鹽的季鏻鹽時(shí)，對(duì)于各類金屬離子的脫除率達(dá)90%以上，效果顯著。離子液體與金屬離子間的離子交換機(jī)制為脫除油脂中的其他金屬污染物提供了重要思路。

5 展 望

離子液體與許多有機(jī)小分子、生物分子以及金屬離子等之間基于氫鍵、π-π相互作用、靜電作用、離子交換等作用力使得其對(duì)于特定分子或離子具有良好的識(shí)別效應(yīng)。在量子化學(xué)計(jì)算以及分子動(dòng)力學(xué)方法輔助下，能夠針對(duì)目標(biāo)分子選擇或設(shè)計(jì)功能化離子液體從而運(yùn)用于脂質(zhì)的分離與富集中。離子液體的使用不僅能夠減少有機(jī)分子溶劑所帶來(lái)的環(huán)境污染，更重要的是其能達(dá)到常見(jiàn)溶劑無(wú)法達(dá)到的功能性與特異性。但在這一領(lǐng)域還有很多需要探索的地方：①目前離子液體對(duì)于各有機(jī)分子的富集大多集中于在水相體系中的應(yīng)用，而將其發(fā)展至動(dòng)植物油脂體系中的研究還相對(duì)較少，且僅集中于分離和富集具有羥基和羧基的特征物質(zhì)。離子液體與其他極性較小的分子之間的相互作用還亟待探索。②離子液體的黏度是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵物理因素。目前大多研究均采取與分子溶劑作稀釋劑配合使用，降低了其作為綠色溶劑的優(yōu)勢(shì)。考察如何有效降低離子液體黏度來(lái)增強(qiáng)其傳質(zhì)作用，是未來(lái)離子液體在脂質(zhì)分離與富集應(yīng)用的重要方向。③離子液體與油脂中各成分之間的的氫鍵、π-π作用以及疏水相互作用等機(jī)理研究仍較少，目前大多數(shù)研究對(duì)其分離機(jī)理僅停留于推測(cè)階段，拓展該方面的譜學(xué)及動(dòng)力學(xué)等研究對(duì)于離子液體在油脂中的進(jìn)一步應(yīng)用尤為重要。