咪唑类离子液体提取天然产物的应用研究

左 琳,敖先权,郭 妤

(贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025)

天然产物是指从植物、动物体内提取的内源性化学成分,包括生物碱、黄酮、木质素、有机酸、挥发油等,其具有多种药用功效,如抗氧化、抗心脑血管病、抗肿瘤、抗细菌等[1],是合成药物与药物先导化合物的重要来源[2]。大部分天然产物主要存在于植物细胞内,主要由纤维素构成的细胞壁是提取植物内天然产物的主要障碍。目前研究发现,解决纤维素影响的主要方法有:采用溶剂溶解部分纤维素,采用微波[3]、超声波[4]、机械粉粹[5]等,破坏植物细胞壁的纤维素结构或采用纤维素酶或细菌降解纤维素[6]等手段,溶解、破坏或降解细胞壁的纤维素,从而促进天然产物的提取。这几种方法中应用最为广泛的是溶剂溶解法,常用的溶剂是醇、醚、酯等有机溶剂,但其溶解纤维素的能力比较有限,导致提取率不高。所以寻找到一种更好溶解纤维素的溶剂是提高提取率的主要方法。

离子液体又称为室温离子液体、室温熔融盐等,一般是由有机阳离子和无机/有机阴离子构成,在室温或近于室温下呈液态的物质[7]。2002年,Swatloski等[8]采用烷基取代的咪唑类离子液体溶解并处理纤维素,发现其对纤维素有较好的溶解能力,咪唑类离子液体的这一特性为天然产物的提取提供了新思路。本文以咪唑类离子液体为提取剂,综述了其在提取天然产物方面的应用,并对提取过程中存在的问题及未来的研究方向进行了探讨。

1 分离提取天然产物的离子液体种类

与传统的有机溶剂相比,离子液体具有熔点低、蒸气压低、不易挥发、热稳定性高、导电导热性良好、溶解性高、分子可设计等[9]优点,使其在提取分离过程中相比传统的溶剂具有显著的优势,尤其与其他技术结合后更容易展现出优异的提取分离效果。

由于离子液体的独特性能,特别是其阴阳离子在溶解过程中可与纤维素形成络合结构,破坏纤维素分子间的氢键作用[10],目前离子液体已经成功作为溶剂提取分离天然产物,与常用的有机溶剂相比,离子液体在提取天然产物的过程中可简化样品的预处理、提高萃取率、减少对环境的污染等[11]。

表1 常用于提取分离天然产物的咪唑类离子液体及其结构 Table 1 Imidazolium ionic liquids commonly used in the extraction and separation of natural products and their structures

2 咪唑类离子液体提取天然产物的主要技术

研究发现,咪唑类离子液体能提高天然产物提取率的主要原因:一：通过咪唑类离子液体与被提取物的基团发生氢键作用、静电作用、色散作用等分子间的作用力实现萃取;二：咪唑类离子液体对纤维素具有良好的溶解能力,而细胞壁的主要成分就是纤维素,这就使得被提取物能够更好地溶出细胞壁,从而提高提取率[12]。同时,研究证实以咪唑类离子液体作为溶剂,采用双水相萃取法或液-液萃取法辅以超声波、微波等技术,均对天然产物的提取分离有明显的促进作用。

2.1 双水相萃取

双水相萃取(aqueous two-phase extraction,ATPE)是由亲水性无机盐溶液和亲水性离子液体形成的离子液体双水相体系,根据溶质在两相中的不同分配系数达到萃取的目的[13]。Wang等[14]采用离子液体[Hmim]Br和K2HPO4形成的双水相体系提取川乌中的生物碱,用0.13 g(NH4)2SO4、62 mg[Hmim]Br,在溶液pH为10、提取时间为20 min的条件下,生物碱的提取率达到136.95 μg·g-1。张冕等[15]采用离子液体[Bmim]BF4和Na2SO4形成的双水相体系提取大黄粗提液中的大黄酸,提取率最高可达到90%,实验发现该双水相体系萃取大黄酸具有效果好、分相快、界面清晰、萃取过程不发生乳化现象等优点。刘宝亮等[16]采用离子液体[Bmim]BF4和(NH4)2SO4形成的双水相体系提取香樟叶中的总黄酮,结果显示在最优条件下黄酮的提取率达到10.62%。

2.2 液-液萃取法

2.2.1 超声波辅助萃取 超声波辅助萃取(ultrasound-assisted extraction,UAE)是利用超声波产生的高频率的机械振动波在溶液中形成空化效应,损伤甚至破坏空化中心附近的细胞,从而减少目标萃取物与天然产物之间的作用力,实现固-液萃取分离[17]。Kou等[18]采用离子液体[Bmim]BF4超声辅助提取生姜中的6-生姜醇、8-生姜醇、10-生姜醇和多糖,通过对离子液体种类等因素进行优选,发现与传统方法相比,提取率提高20.8%,提取时间缩短18倍。Habib等[19]采用离子液体[C2mim]Ac超声辅助提取小蓼叶中的精油,结果发现该方法操作简便快速、提取率高,最高提取率为9.55%。安仕豪等[20]采用离子液体[Bmim]Cl超声辅助提取籽瓜中的果胶,结果显示在离子液体浓度1 mol/L、提取时间40 min、料液比1∶20 (g/mL)的条件下,果胶的提取效果好,其半乳糖醛酸的含量达82.88%。

2.2.2 微波辅助萃取 微波辅助萃取(microwave-assisted extraction,MAE)是利用微波加热来加速溶剂对样品中目标萃取物的萃取过程[21]。Ayuningtyas等[22]采用离子液体[Bmim]Br微波辅助提取鸡矢藤种子中的白藜芦醇,白藜芦醇的萃取率为1.34 mg/g,相对于传统溶剂提取,其提取率提高97倍,同时发现使用0.01 mol/L Na2CO3/乙酸乙酯溶液可以很好地从含有[Bmim]Br的提取液中分离出白藜芦醇。粟敏等[23]采用离子液体微波辅助提取多花黄精中的多糖,实验表明离子液体具有良好的微波吸热能力,其具有提取效率高、提取时间短、耗能低的优点。Liang等[24]采用离子液体[Omim]Br微波辅助提取姜黄中的姜黄素,通过对提取时间等因素进行优化,结果发现与单独使用微波提取或超声提取相比,该法萃取率要高,使用的溶剂量要少,所得姜黄素类化合物的最高提取率为1.77%。

3 咪唑类离子液体提取天然产物的应用

近年来,文献中报道了很多关于咪唑类离子液体提取天然产物的研究,研究表明咪唑类离子液体作为提取剂对于植物中很多活性物质均有较好提取效果,如生物碱类、黄酮类、果胶、色素、植物内酯等化合物,研究结果见表2。

由表2的数据可见,相对于水、乙醇等常规溶剂,咪唑类离子液体在天然产物提取方面具有较大优势,其作为溶剂的提取率比常规溶剂的提取率高出不少。这是因为应用于天然产物提取的1,3-二烷基取代咪唑类离子液体,其咪唑环2位上的C-H基团是主要的氢键酸性位点,能够与提取物中的氢键碱性位点发生氢键相互作用,促进提取物的溶解和萃取[52]。

由表2可以看出,咪唑类离子液体对黄酮类化合物提取率的提高作用明显。当采用[Bmim]Br提取花旗松素、原花青素、异黄酮、芦丁、鹰嘴豆芽素A及染料木素时,均得到较高的提取率,尤其在提取龙须藤中的黄酮时,提取率从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、黄芩及深绿卷柏中的黄酮时,链长更长的[Hmim]BF4、[Omim]Br、[Hmim]PF6,在提取中表现出更好的效果。

提取内酯类化合物时,研究者主要采用的咪唑类离子液体是[Bmim]Cl、[Bmim]Tf2N。通过离子液体的阴离子Cl-、Tf2N-与被提取物的酯基之间较强的相互作用力[52],使内酯类化合物的提取率有一定程度的增加,但效果不是太明显。其中提取效果最好的是,使用[Bmim]Tf2N提取川芎中藁本内酯,提取率从137.5 mg·g-1提高到191.5 mg·g-1。

咪唑类离子液体应用于生物碱类化合物的提取时也有提高目标物提取率的作用,特别是应用[Bmim]BF4提取钩藤中生物碱的效果尤为明显,将提取率从1.17 mg·g-1提高到2.52 mg·g-1,提取率增加了1倍多。

提取有机酸类化合物时,通过[Bmim]Br、[C7mim]Cl、[Omim]Br、[Bmim]BF4几种离子液体的加入,金银花、赤桉叶、鸽豌豆叶等中有机酸的提取率都有很大提高,相对传统提取,提取率增加了30%～50%,其中五倍子酸的提取率能达到98.8%,基本实现了完全提取。

采用[Bmim]Br对大黄中蒽醌类化合物进行提取时,通过离子液体的加入,将提取率从22.7 mg·g-1提高到28 mg·g-1,提取率增加了23%。

咪唑类离子液体对多花黄精中的多糖、柚子皮中的果胶和柚皮苷、小蓼叶中的精油,也有较好提取效果;但在提取五味子果实中的精油和木质素时,离子液体的提取率与传统溶剂提取率相当,其效果不太明显。

在提取人参根中人参皂苷时,加入[C3mim]Br使得提取率从5.64 mg·g-1提高到17.81 mg·g-1,提取率增加了216%。

从表2中可见,咪唑类离子液体在提取方面应用最为广泛的阳离子是[Bmim]+,这种侧链烷基链长度为4个碳的离子液体粘度及传质效果较为适中,故而应用较为普遍[54]。应用最为广泛的阴离子是Br-,溴离子与被提取物之间容易产生更强的多重相互作用,包括π-π、离子/电荷和氢键等[52],可以使被提取物结构上的羧基、羰基与溴离子的相互作用增加,从而促进提取。但在提取不同天然产物时,效果最好的离子液体的结构有所不同。

表2 咪唑类离子液体提取天然植物活性成分的应用Table 2 The applications of imidazolium ionic liquids in extraction of natural plant active compounds

因此,针对被提取目标物的结构特点选择适宜的离子液体是实现提取率达到更高的前提,研发更多适应于不同天然产物提取的新型咪唑类离子液体也将是今后研究工作的主要内容。

4 离子液体提取天然产物存在的问题及发展方向

虽然咪唑类离子液体作为溶剂,在提取天然产物中已经取得了很多成果。但随着研究的深入,咪唑类离子液体本身还存在一些问题如易残留、难回收、有毒且难以生物降解等,影响其在提取方面的推广应用。

4.1 离子液体易残留、难回收

目前通过一系列合成纯化过程制备得到的离子液体,与传统溶剂相比,价格高很多,因此要实现离子液体在提取方面的规模化应用,必须实现离子液体的循环利用[55]。然而离子液体黏度较大,在提取后与产物很难完全分离,容易造成离子液体回收困难。同时在提取过程中,离子液体常与水等溶剂共用,从离子液体的结构上看,其与水、醇、酸、酮、酯等溶剂都有很好的相溶性[56],这就使得离子液体容易残留于这些溶剂中,并对环境造成污染。

4.2 离子液体的毒性

研究证实,随着提取过程流失或废弃的咪唑类离子液体会对环境中的微生物、植物、水生生物等造成不同程度的危害[57],而且离子液体的阳离子核、阳离子的取代侧链以及阴离子等对其毒性均有影响。如吴健[58]分别用[C6Py]Cl、[C6mim]Cl、[C8mim]Cl、[C12mim]Cl、[C12Dmim]Cl和[C16mim]Cl对蛋白核小球藻的毒性作用影响进行了研究,结果发现离子液体的毒性随着碳链长度的增加而增大,咪唑类离子液体的毒性大于吡啶类离子液体,一取代咪唑氯盐的毒性大于二取代咪唑氯盐。Yu等[59]研究了不同侧链长度的咪唑类离子液体对小麦幼苗生长状况的影响,结果发现当离子液体的浓度过高或离子液体的阳离子碳链过长时,其对小麦幼苗的生长具有较高的抑制毒性,该结论与戴冰[60]的研究结论一致。

4.3 咪唑类离子液体未来发展的方向

为了解决上述咪唑类离子液体在提取天然产物方面面临的问题,研发设计合成对环境影响更小、更环保的新型离子液体替代传统的咪唑类离子液体应用于提取,或者找到更有效回收离子液体的方法,实现提取过程中离子液体的重复利用,是咪唑类离子液体未来发展的方向。

4.3.1 绿色环保型离子液体的研制 在设计合成更环保的离子液体方面,研究工作者主要从两个方面入手:首先,采用更环保的方法如原子经济性反应、绿色溶剂反应、化工过程强化技术等[61]应用于合成离子液体,缩短其合成路线,减少合成过程中有害溶剂的使用[62];另一方面,采用一些生物可再生、从自然资源中广泛易得的原料如胆碱[63]、氨基酸[64]等来合成离子液体,这类离子液体具有低毒性、高生物相溶性等优点,还可以通过增加酯基或酰胺基,提高生物降解性[65]。真正“绿色”离子液体的研制已成为新型离子液体开发研究的方向,将之应用于天然产物的提取中同样具有很好的应用前景。

4.3.2 离子液体回收方法的研究 将离子液体完全回收不仅能降低提取成本,还能解决离子液体对环境污染的问题,故如何回收离子液体,也是离子液体应用研究的重要方向。目前报道的主要回收方法有蒸馏、萃取、吸附等[66]。

利用离子液体的低蒸气压,采用减压蒸馏的方式去除其中低沸点、热稳定性好的杂质,可得到纯净的离子液体。巩桂芬等[67]采用减压蒸馏的方法回收得到了较纯净的离子液体[Amim]Cl。王飞等[68]分别用减压蒸馏法、改良减压蒸馏法和磷酸盐萃取法回收离子液体[Bmim]Cl,结果发现减压蒸馏法最为合适,其回收率达98.14%。

采用溶剂萃取也是一种回收离子液体的方法,Dibble等[69]采用丙酮、丙醇和水的混合溶液回收萃取了离子液体[C2mim]OAc,其回收率达到89%。而采用超临界CO2萃取出离子液体中的杂质,纯化离子液体,也能实现离子液体的回收,Keskin等[70]对该方法进行了综述。

同时,在离子液体水溶液中加入吸附剂(如树脂等),利用吸附剂将混合物中的一种或几种组分吸附,也可以回收离子液体。隋红等[71]采用离子交换树脂AMBERJET 1200Na成功回收了真实油砂矿水溶液中的离子液体[Emim]BF4,其回收率达91%以上。除此之外,还有采用膜分离[72]、电渗析[73]等方法的报道,都在回收离子液体中取得了较好的效果。但当前用来回收离子液体的成本仍然较高,仍需进一步研究,以提高离子液体的回收规模。

4.3.3 可回收离子液体的研制 研制更易分离的功能化离子液体如磁性离子液体和聚离子液体也是解决离子液体难回收的重要方向。

研究发现,在离子液体结构中引入磁性基团可以合成磁性离子液体,通过调节外界磁场强度可从溶液中回收离子液体,实现离子液体与溶剂的分离[74]。Lee等[75]通过调节磁场强度实现了离子液体与水的分离,并成功从水溶液中回收了磁性离子液体[Bmim]FeCl4。已有研究者将这种磁性离子液体应用于天然产物的提取,并取得研究成果,如杨琴[76]采用离子液体修饰的四氧化三铁复合材料作为提取剂成功从牛胰粗提物中萃取出胰蛋白酶,实验发现将提取液放入磁场,可极易分离出提取剂,使其重复使用,且萃取量无明显变化。

聚离子液体是一种通过在离子液体的阴、阳离子中加入特殊基团聚合而成的新型高分子聚合物。作为一种高分子型离子液体,在保留咪唑环上活性N原子溶解纤维素性能的基础上,通过改变离子液体的分子量,可实现温度对其溶解度的控制,从而使离子液体与被提取物及溶剂快速分离,以达到回收离子液体及再利用的目的[77]。Lu等[78]采用含咪唑阳离子的聚离子液体与乙腈混合作为萃取剂成功分离了生育酚同系物,该法的萃取剂可以被快速回收和重复利用。

5 结论

咪唑类离子液体在很多天然产物的提取应用中已表现出很好的效果,但提取过程仍存在易残留、难回收、具有安全性隐患等问题,所以采用咪唑类离子液体对天然产物的提取还存在应用瓶颈。然而随着越来越多针对安全、功能化离子液体的不断研制,咪唑类离子液体存在的问题将逐渐得到解决,利用离子液体的良好可设计性开发出更环保、价廉、易回收的功能性提取剂,促进天然产物的高效甚至选择性提取,是分离提取科学领域今后的重要发展方向。