左 琳,敖先權(quán),郭 妤

(貴州大學化學與化工學院,貴州貴陽 550025)

天然產(chǎn)物是指從植物、動物體內(nèi)提取的內(nèi)源性化學成分,包括生物堿、黃酮、木質(zhì)素、有機酸、揮發(fā)油等,其具有多種藥用功效,如抗氧化、抗心腦血管病、抗腫瘤、抗細菌等[1],是合成藥物與藥物先導化合物的重要來源[2]。大部分天然產(chǎn)物主要存在于植物細胞內(nèi),主要由纖維素構(gòu)成的細胞壁是提取植物內(nèi)天然產(chǎn)物的主要障礙。目前研究發(fā)現(xiàn),解決纖維素影響的主要方法有:采用溶劑溶解部分纖維素,采用微波[3]、超聲波[4]、機械粉粹[5]等,破壞植物細胞壁的纖維素結(jié)構(gòu)或采用纖維素酶或細菌降解纖維素[6]等手段,溶解、破壞或降解細胞壁的纖維素,從而促進天然產(chǎn)物的提取。這幾種方法中應用最為廣泛的是溶劑溶解法,常用的溶劑是醇、醚、酯等有機溶劑,但其溶解纖維素的能力比較有限,導致提取率不高。所以尋找到一種更好溶解纖維素的溶劑是提高提取率的主要方法。

離子液體又稱為室溫離子液體、室溫熔融鹽等,一般是由有機陽離子和無機/有機陰離子構(gòu)成,在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的物質(zhì)[7]。2002年,Swatloski等[8]采用烷基取代的咪唑類離子液體溶解并處理纖維素,發(fā)現(xiàn)其對纖維素有較好的溶解能力,咪唑類離子液體的這一特性為天然產(chǎn)物的提取提供了新思路。本文以咪唑類離子液體為提取劑,綜述了其在提取天然產(chǎn)物方面的應用,并對提取過程中存在的問題及未來的研究方向進行了探討。

1 分離提取天然產(chǎn)物的離子液體種類

與傳統(tǒng)的有機溶劑相比,離子液體具有熔點低、蒸氣壓低、不易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性高、導電導熱性良好、溶解性高、分子可設計等[9]優(yōu)點,使其在提取分離過程中相比傳統(tǒng)的溶劑具有顯著的優(yōu)勢,尤其與其他技術(shù)結(jié)合后更容易展現(xiàn)出優(yōu)異的提取分離效果。

由于離子液體的獨特性能,特別是其陰陽離子在溶解過程中可與纖維素形成絡合結(jié)構(gòu),破壞纖維素分子間的氫鍵作用[10],目前離子液體已經(jīng)成功作為溶劑提取分離天然產(chǎn)物,與常用的有機溶劑相比,離子液體在提取天然產(chǎn)物的過程中可簡化樣品的預處理、提高萃取率、減少對環(huán)境的污染等[11]。

表1 常用于提取分離天然產(chǎn)物的咪唑類離子液體及其結(jié)構(gòu) Table 1 Imidazolium ionic liquids commonly used in the extraction and separation of natural products and their structures

2 咪唑類離子液體提取天然產(chǎn)物的主要技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn),咪唑類離子液體能提高天然產(chǎn)物提取率的主要原因:一：通過咪唑類離子液體與被提取物的基團發(fā)生氫鍵作用、靜電作用、色散作用等分子間的作用力實現(xiàn)萃取;二：咪唑類離子液體對纖維素具有良好的溶解能力,而細胞壁的主要成分就是纖維素,這就使得被提取物能夠更好地溶出細胞壁,從而提高提取率[12]。同時,研究證實以咪唑類離子液體作為溶劑,采用雙水相萃取法或液-液萃取法輔以超聲波、微波等技術(shù),均對天然產(chǎn)物的提取分離有明顯的促進作用。

2.1 雙水相萃取

雙水相萃取(aqueous two-phase extraction,ATPE)是由親水性無機鹽溶液和親水性離子液體形成的離子液體雙水相體系,根據(jù)溶質(zhì)在兩相中的不同分配系數(shù)達到萃取的目的[13]。Wang等[14]采用離子液體[Hmim]Br和K2HPO4形成的雙水相體系提取川烏中的生物堿,用0.13 g(NH4)2SO4、62 mg[Hmim]Br,在溶液pH為10、提取時間為20 min的條件下,生物堿的提取率達到136.95 μg·g-1。張冕等[15]采用離子液體[Bmim]BF4和Na2SO4形成的雙水相體系提取大黃粗提液中的大黃酸,提取率最高可達到90%,實驗發(fā)現(xiàn)該雙水相體系萃取大黃酸具有效果好、分相快、界面清晰、萃取過程不發(fā)生乳化現(xiàn)象等優(yōu)點。劉寶亮等[16]采用離子液體[Bmim]BF4和(NH4)2SO4形成的雙水相體系提取香樟葉中的總黃酮,結(jié)果顯示在最優(yōu)條件下黃酮的提取率達到10.62%。

2.2 液-液萃取法

2.2.1 超聲波輔助萃取 超聲波輔助萃取(ultrasound-assisted extraction,UAE)是利用超聲波產(chǎn)生的高頻率的機械振動波在溶液中形成空化效應,損傷甚至破壞空化中心附近的細胞,從而減少目標萃取物與天然產(chǎn)物之間的作用力,實現(xiàn)固-液萃取分離[17]。Kou等[18]采用離子液體[Bmim]BF4超聲輔助提取生姜中的6-生姜醇、8-生姜醇、10-生姜醇和多糖,通過對離子液體種類等因素進行優(yōu)選,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法相比,提取率提高20.8%,提取時間縮短18倍。Habib等[19]采用離子液體[C2mim]Ac超聲輔助提取小蓼葉中的精油,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法操作簡便快速、提取率高,最高提取率為9.55%。安仕豪等[20]采用離子液體[Bmim]Cl超聲輔助提取籽瓜中的果膠,結(jié)果顯示在離子液體濃度1 mol/L、提取時間40 min、料液比1∶20 (g/mL)的條件下,果膠的提取效果好,其半乳糖醛酸的含量達82.88%。

2.2.2 微波輔助萃取 微波輔助萃取(microwave-assisted extraction,MAE)是利用微波加熱來加速溶劑對樣品中目標萃取物的萃取過程[21]。Ayuningtyas等[22]采用離子液體[Bmim]Br微波輔助提取雞矢藤種子中的白藜蘆醇,白藜蘆醇的萃取率為1.34 mg/g,相對于傳統(tǒng)溶劑提取,其提取率提高97倍,同時發(fā)現(xiàn)使用0.01 mol/L Na2CO3/乙酸乙酯溶液可以很好地從含有[Bmim]Br的提取液中分離出白藜蘆醇。粟敏等[23]采用離子液體微波輔助提取多花黃精中的多糖,實驗表明離子液體具有良好的微波吸熱能力,其具有提取效率高、提取時間短、耗能低的優(yōu)點。Liang等[24]采用離子液體[Omim]Br微波輔助提取姜黃中的姜黃素,通過對提取時間等因素進行優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與單獨使用微波提取或超聲提取相比,該法萃取率要高,使用的溶劑量要少,所得姜黃素類化合物的最高提取率為1.77%。

3 咪唑類離子液體提取天然產(chǎn)物的應用

近年來,文獻中報道了很多關(guān)于咪唑類離子液體提取天然產(chǎn)物的研究,研究表明咪唑類離子液體作為提取劑對于植物中很多活性物質(zhì)均有較好提取效果,如生物堿類、黃酮類、果膠、色素、植物內(nèi)酯等化合物,研究結(jié)果見表2。

由表2的數(shù)據(jù)可見,相對于水、乙醇等常規(guī)溶劑,咪唑類離子液體在天然產(chǎn)物提取方面具有較大優(yōu)勢,其作為溶劑的提取率比常規(guī)溶劑的提取率高出不少。這是因為應用于天然產(chǎn)物提取的1,3-二烷基取代咪唑類離子液體,其咪唑環(huán)2位上的C-H基團是主要的氫鍵酸性位點,能夠與提取物中的氫鍵堿性位點發(fā)生氫鍵相互作用,促進提取物的溶解和萃取[52]。

由表2可以看出,咪唑類離子液體對黃酮類化合物提取率的提高作用明顯。當采用[Bmim]Br提取花旗松素、原花青素、異黃酮、蘆丁、鷹嘴豆芽素A及染料木素時,均得到較高的提取率,尤其在提取龍須藤中的黃酮時,提取率從0.07 mg·g-1提高到0.2207 mg·g-1,提取率提高了2倍多。而提取天山花楸、黃芩及深綠卷柏中的黃酮時,鏈長更長的[Hmim]BF4、[Omim]Br、[Hmim]PF6,在提取中表現(xiàn)出更好的效果。

提取內(nèi)酯類化合物時,研究者主要采用的咪唑類離子液體是[Bmim]Cl、[Bmim]Tf2N。通過離子液體的陰離子Cl-、Tf2N-與被提取物的酯基之間較強的相互作用力[52],使內(nèi)酯類化合物的提取率有一定程度的增加,但效果不是太明顯。其中提取效果最好的是,使用[Bmim]Tf2N提取川芎中藁本內(nèi)酯,提取率從137.5 mg·g-1提高到191.5 mg·g-1。

咪唑類離子液體應用于生物堿類化合物的提取時也有提高目標物提取率的作用,特別是應用[Bmim]BF4提取鉤藤中生物堿的效果尤為明顯,將提取率從1.17 mg·g-1提高到2.52 mg·g-1,提取率增加了1倍多。

提取有機酸類化合物時,通過[Bmim]Br、[C7mim]Cl、[Omim]Br、[Bmim]BF4幾種離子液體的加入,金銀花、赤桉葉、鴿豌豆葉等中有機酸的提取率都有很大提高,相對傳統(tǒng)提取,提取率增加了30%～50%,其中五倍子酸的提取率能達到98.8%,基本實現(xiàn)了完全提取。

采用[Bmim]Br對大黃中蒽醌類化合物進行提取時,通過離子液體的加入,將提取率從22.7 mg·g-1提高到28 mg·g-1,提取率增加了23%。

咪唑類離子液體對多花黃精中的多糖、柚子皮中的果膠和柚皮苷、小蓼葉中的精油,也有較好提取效果;但在提取五味子果實中的精油和木質(zhì)素時,離子液體的提取率與傳統(tǒng)溶劑提取率相當,其效果不太明顯。

在提取人參根中人參皂苷時,加入[C3mim]Br使得提取率從5.64 mg·g-1提高到17.81 mg·g-1,提取率增加了216%。

從表2中可見,咪唑類離子液體在提取方面應用最為廣泛的陽離子是[Bmim]+,這種側(cè)鏈烷基鏈長度為4個碳的離子液體粘度及傳質(zhì)效果較為適中,故而應用較為普遍[54]。應用最為廣泛的陰離子是Br-,溴離子與被提取物之間容易產(chǎn)生更強的多重相互作用,包括π-π、離子/電荷和氫鍵等[52],可以使被提取物結(jié)構(gòu)上的羧基、羰基與溴離子的相互作用增加,從而促進提取。但在提取不同天然產(chǎn)物時,效果最好的離子液體的結(jié)構(gòu)有所不同。

表2 咪唑類離子液體提取天然植物活性成分的應用Table 2 The applications of imidazolium ionic liquids in extraction of natural plant active compounds

因此,針對被提取目標物的結(jié)構(gòu)特點選擇適宜的離子液體是實現(xiàn)提取率達到更高的前提,研發(fā)更多適應于不同天然產(chǎn)物提取的新型咪唑類離子液體也將是今后研究工作的主要內(nèi)容。

4 離子液體提取天然產(chǎn)物存在的問題及發(fā)展方向

雖然咪唑類離子液體作為溶劑,在提取天然產(chǎn)物中已經(jīng)取得了很多成果。但隨著研究的深入,咪唑類離子液體本身還存在一些問題如易殘留、難回收、有毒且難以生物降解等,影響其在提取方面的推廣應用。

4.1 離子液體易殘留、難回收

目前通過一系列合成純化過程制備得到的離子液體,與傳統(tǒng)溶劑相比,價格高很多,因此要實現(xiàn)離子液體在提取方面的規(guī)?；瘧?必須實現(xiàn)離子液體的循環(huán)利用[55]。然而離子液體黏度較大,在提取后與產(chǎn)物很難完全分離,容易造成離子液體回收困難。同時在提取過程中,離子液體常與水等溶劑共用,從離子液體的結(jié)構(gòu)上看,其與水、醇、酸、酮、酯等溶劑都有很好的相溶性[56],這就使得離子液體容易殘留于這些溶劑中,并對環(huán)境造成污染。

4.2 離子液體的毒性

研究證實,隨著提取過程流失或廢棄的咪唑類離子液體會對環(huán)境中的微生物、植物、水生生物等造成不同程度的危害[57],而且離子液體的陽離子核、陽離子的取代側(cè)鏈以及陰離子等對其毒性均有影響。如吳健[58]分別用[C6Py]Cl、[C6mim]Cl、[C8mim]Cl、[C12mim]Cl、[C12Dmim]Cl和[C16mim]Cl對蛋白核小球藻的毒性作用影響進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體的毒性隨著碳鏈長度的增加而增大,咪唑類離子液體的毒性大于吡啶類離子液體,一取代咪唑氯鹽的毒性大于二取代咪唑氯鹽。Yu等[59]研究了不同側(cè)鏈長度的咪唑類離子液體對小麥幼苗生長狀況的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當離子液體的濃度過高或離子液體的陽離子碳鏈過長時,其對小麥幼苗的生長具有較高的抑制毒性,該結(jié)論與戴冰[60]的研究結(jié)論一致。

4.3 咪唑類離子液體未來發(fā)展的方向

為了解決上述咪唑類離子液體在提取天然產(chǎn)物方面面臨的問題,研發(fā)設計合成對環(huán)境影響更小、更環(huán)保的新型離子液體替代傳統(tǒng)的咪唑類離子液體應用于提取,或者找到更有效回收離子液體的方法,實現(xiàn)提取過程中離子液體的重復利用,是咪唑類離子液體未來發(fā)展的方向。

4.3.1 綠色環(huán)保型離子液體的研制 在設計合成更環(huán)保的離子液體方面,研究工作者主要從兩個方面入手:首先,采用更環(huán)保的方法如原子經(jīng)濟性反應、綠色溶劑反應、化工過程強化技術(shù)等[61]應用于合成離子液體,縮短其合成路線,減少合成過程中有害溶劑的使用[62];另一方面,采用一些生物可再生、從自然資源中廣泛易得的原料如膽堿[63]、氨基酸[64]等來合成離子液體,這類離子液體具有低毒性、高生物相溶性等優(yōu)點,還可以通過增加酯基或酰胺基,提高生物降解性[65]。真正“綠色”離子液體的研制已成為新型離子液體開發(fā)研究的方向,將之應用于天然產(chǎn)物的提取中同樣具有很好的應用前景。

4.3.2 離子液體回收方法的研究 將離子液體完全回收不僅能降低提取成本,還能解決離子液體對環(huán)境污染的問題,故如何回收離子液體,也是離子液體應用研究的重要方向。目前報道的主要回收方法有蒸餾、萃取、吸附等[66]。

利用離子液體的低蒸氣壓,采用減壓蒸餾的方式去除其中低沸點、熱穩(wěn)定性好的雜質(zhì),可得到純凈的離子液體。鞏桂芬等[67]采用減壓蒸餾的方法回收得到了較純凈的離子液體[Amim]Cl。王飛等[68]分別用減壓蒸餾法、改良減壓蒸餾法和磷酸鹽萃取法回收離子液體[Bmim]Cl,結(jié)果發(fā)現(xiàn)減壓蒸餾法最為合適,其回收率達98.14%。

采用溶劑萃取也是一種回收離子液體的方法,Dibble等[69]采用丙酮、丙醇和水的混合溶液回收萃取了離子液體[C2mim]OAc,其回收率達到89%。而采用超臨界CO2萃取出離子液體中的雜質(zhì),純化離子液體,也能實現(xiàn)離子液體的回收,Keskin等[70]對該方法進行了綜述。

同時,在離子液體水溶液中加入吸附劑(如樹脂等),利用吸附劑將混合物中的一種或幾種組分吸附,也可以回收離子液體。隋紅等[71]采用離子交換樹脂AMBERJET 1200Na成功回收了真實油砂礦水溶液中的離子液體[Emim]BF4,其回收率達91%以上。除此之外,還有采用膜分離[72]、電滲析[73]等方法的報道,都在回收離子液體中取得了較好的效果。但當前用來回收離子液體的成本仍然較高,仍需進一步研究,以提高離子液體的回收規(guī)模。

4.3.3 可回收離子液體的研制 研制更易分離的功能化離子液體如磁性離子液體和聚離子液體也是解決離子液體難回收的重要方向。

研究發(fā)現(xiàn),在離子液體結(jié)構(gòu)中引入磁性基團可以合成磁性離子液體,通過調(diào)節(jié)外界磁場強度可從溶液中回收離子液體,實現(xiàn)離子液體與溶劑的分離[74]。Lee等[75]通過調(diào)節(jié)磁場強度實現(xiàn)了離子液體與水的分離,并成功從水溶液中回收了磁性離子液體[Bmim]FeCl4。已有研究者將這種磁性離子液體應用于天然產(chǎn)物的提取,并取得研究成果,如楊琴[76]采用離子液體修飾的四氧化三鐵復合材料作為提取劑成功從牛胰粗提物中萃取出胰蛋白酶,實驗發(fā)現(xiàn)將提取液放入磁場,可極易分離出提取劑,使其重復使用,且萃取量無明顯變化。

聚離子液體是一種通過在離子液體的陰、陽離子中加入特殊基團聚合而成的新型高分子聚合物。作為一種高分子型離子液體,在保留咪唑環(huán)上活性N原子溶解纖維素性能的基礎上,通過改變離子液體的分子量,可實現(xiàn)溫度對其溶解度的控制,從而使離子液體與被提取物及溶劑快速分離,以達到回收離子液體及再利用的目的[77]。Lu等[78]采用含咪唑陽離子的聚離子液體與乙腈混合作為萃取劑成功分離了生育酚同系物,該法的萃取劑可以被快速回收和重復利用。

5 結(jié)論

咪唑類離子液體在很多天然產(chǎn)物的提取應用中已表現(xiàn)出很好的效果,但提取過程仍存在易殘留、難回收、具有安全性隱患等問題,所以采用咪唑類離子液體對天然產(chǎn)物的提取還存在應用瓶頸。然而隨著越來越多針對安全、功能化離子液體的不斷研制,咪唑類離子液體存在的問題將逐漸得到解決,利用離子液體的良好可設計性開發(fā)出更環(huán)保、價廉、易回收的功能性提取劑,促進天然產(chǎn)物的高效甚至選擇性提取,是分離提取科學領(lǐng)域今后的重要發(fā)展方向。