天然低共熔溶剂在天然聚多糖加工中的应用研究进展

黄 敏,戴妙琪,曾朝喜,程安玮,肖 茜

(湖南农业大学 食品科学技术学院,湖南 长沙 410128 )

低共熔溶剂(DES)是由Abbott等[1]首次发现的一种新型离子溶剂体系,与传统离子液体相比,具有更便宜、制备更简单、更容易获得、无毒性、可生物降解和可回收等优点[2-4]。DES是由一定化学计量比的氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)组成的低熔点混合物,由于HBD与HBA之间存在较强的氢键作用,其熔点远低于任一组分的熔点[1]。DES作为一种绿色溶剂已广泛应用于材料加工、电化学、生物催化和生物转化等领域[5-7]。天然低共熔溶剂(NADES)是由DES衍生而来,由生物的天然初级代谢产物(如氨基酸、有机酸、糖、胆碱衍生物或尿素等物质)作为组分形成的溶剂[1]。NADES可用作天然成分的提取溶剂[8-10],溶解大分子(多糖和木质素[11]或非水溶性药[12-14])的溶剂,或作为酶或化学反应的介质[15-18],化妆品[19]以及农用化学品的组成成分[20]。NADES易与天然聚多糖的羟基形成较强的氢键,从而破坏其自身氢键网络结构,具有制备简单、成本低、无毒、不挥发、可降解、可回收、溶解性好以及性质可调等特点[21],在聚多糖加工应用方面具有较大的潜力。

天然聚多糖是由10个以上单糖通过糖苷键相互连接而成的生物大分子,广泛存在于植物和微生物的细胞壁以及动物的细胞膜中[22],其中,纤维素、淀粉和几丁质是自然界最常见的3种聚多糖,它们在材料、环境和能源等领域具有巨大的应用潜力[23]。纤维素是植物细胞壁的主要化学组分之一,常以与木质素和半纤维素结合的形式存在,主要用于制浆造纸和纺织工业、食品添加剂、食品包装、化妆品的生物活性物质以及药物输送系统等[24]。一般来说,淀粉是直链淀粉和支链淀粉的混合物,广泛存在于植物组织(如,叶、茎、种子、根茎和块茎)及某些藻类和细菌中,已广泛应用于食品工业、可生物降解的替代包装用品行业中[24]。几丁质又称甲壳素,是一种从甲壳类动物壳中提取出来的半结晶多糖,主要存在于昆虫外骨骼、甲壳动物壳、各种真菌的细胞壁和少数藻类中,在农业、医药、食品和纺织品等领域具有巨大的吸引力[25]。

本文在概述NADES的制备和理化性质的基础上,综述NADES在纤维素、淀粉和几丁质的溶解、提取、催化转化、纳米材料制备以及膜材料增塑等方面的研究成果,并分析了目前NADES在聚多糖加工中所面临的挑战和机遇,以期为天然聚多糖资源的开发利用提供参考。

1 天然低共熔溶剂的制备和理化性质

NADES是由HBA和HBD通过氢键作用络合而成的液体混合物,常见的HBA有氯化胆碱、甜菜碱、丙氨酸、脯氨酸以及甘氨酸等,HBD有尿素、柠檬酸、甘油、草酸、乳酸、山梨醇、蔗糖和葡萄糖等(图1)。NADES的制备方法主要有蒸发法和加热法。蒸发法是将原料组分溶解在水里,并在50 ℃下用旋转蒸发器去除水分,随后将获得的液体混合物置于干燥器中,直至恒质量。加热法是指将HBA和HBD置于带盖的玻璃瓶中,并在低于50 ℃的水浴中搅拌加热,形成无色透明的溶液。NADES常见的理化性质包括:玻璃化转变温度、密度、黏度、极性和溶解性等[26]。

1.1 玻璃化转变温度

NADES是超分子络合物,没有熔点,在较宽温度的玻璃化转变温度范围(-50 ℃ 以下)内呈现稳定的溶液状态[1]。但是,水的存在会降低NADES的玻璃化转变温度,这主要归因于水的塑化作用[28]。Craveiro等[29]向氯化胆碱-木糖的NADES体系中添加不同含量的水发现,当水的体积分数为5%时,NADES的玻璃化转变温度降低了约4 ℃。此前,Dai等[8]观察到水的羟基与木糖的羟基之间以及与氯化胆碱的氯离子之间存在强烈的相互作用,而水的存在会造成NADES超分子结构的失稳,增加NADES的2个组分的流动性,从而造成NADES玻璃化转变温度的降低。

1.2 密度和黏度

密度和黏度是溶剂的重要物性参数。NADES的密度比水高20%以上,而含有氯化胆碱的NADES的密度相对较低[29]。NADES的黏度比许多传统溶剂的黏度高得多,这主要归因于HBA和HBD形成的氢键网络结构[26]。其他相互作用,如范德华力和静电相互作用,也可能导致NADES呈高黏度状态。NADES黏度受含水量和温度的影响较大。NADES的黏度随着水分的增加而下降,这是由于随着水的加入,NADES内部由氢键构建的超分子结构快速崩塌。NADES的黏度随着体系温度的升高而下降[30]。Dai等[8]发现,在葡萄糖-氯化胆碱的NADES体系中加入体积分数为5%的水,其黏度降低了1/3,但当水的体积分数增加到10%时,其黏度降低了1/10;同时,该NADES体系温度从20 ℃升高到40 ℃时,其黏度降低了2/3。

1.3 极性

NADES的极性与其溶解能力密切相关。有机酸基NADES的极性最高,其次是氨基酸和单糖基NADES,极性与水的相似(201.71 kJ/mol),糖基和多元醇基NADES的极性最低,接近甲醇的极性(217.11 kJ/mol)。NADES的极性与体系的水含量密切相关。Dai等[8]发现,在丙二醇-氯化胆碱-水和乳酸-葡萄糖-水的NADES体系添加50%的水后,它们的极性发生了明显的变化,这种现象可能是由于2种组分之间形成的氢键网络断裂而引起的。此外,HBD与HBA的摩尔比也会影响NADES的极性和稳定性。就结构而言,羧基较多的混合物具有较高的稳定性[21]。

1.4 溶解性

尽管许多植物次生代谢产物在植物中合成、储存和运输,但是根本不溶于水。NADES具有超分子结构以及极性范围广的特性,适用于各种不溶于水或难溶于水的低极性到中极性的代谢物,且温度和含水量对NADES的溶解性能具有较大影响。Dai等[8]在葡萄糖-氯化胆碱-水中加入少量水以研究其对溶解度的影响,结果发现:最佳含水量取决于化合物本身,如,芦丁在含5%(体积分数)水的葡萄糖-氯化胆碱-水中的溶解度最高;而红花素在含10%(体积分数)水的葡萄糖-氯化胆碱-水中的溶解度最高;此外,将体系温度从40 ℃升高到50 ℃后,槲皮素在葡萄糖-氯化胆碱-水和丙二醇-氯化胆碱-水中的溶解度分别增加到原来的2.30和1.65倍。

1.5 电导率

一般而言,NADES的电导率远大于普通溶剂的电导率,而且其电导性与黏度密切相关,特别是NADES的组成和配比显著影响NADES的黏度,即该参数对其电导性也有较大影响。如,氯化胆碱-甘油NADES的电导率随着氯化胆碱含量的增加而增大[31]。同时,电导率的大小与温度密切相关,温度越高,NADES的电导率就会越大,这主要是因为NADES的黏度随着温度的升高而下降,这可加快离子的运动速率,最终导致NADES的电导率增大[1]。

2 天然低共熔溶剂在天然聚多糖加工与应用中的研究

天然聚多糖可解聚成单体(如葡萄糖、木糖和果糖),或转化为生物燃料和生物基化学品。聚多糖还可用于设计和合成新型聚合物材料,开发不同功能材料。NADES不仅可用于天然聚多糖的溶解,作为增塑剂改善多糖膜的力学性能,也可作为有效的预处理介质用于纳米材料的制备以及纤维素和几丁质的分离提取。除此之外,NADES还可作为反应溶剂和催化剂用于纤维素和淀粉的催化转化以及作为改性剂、相容剂、分散剂和发泡促进剂改善天然聚多糖的性质[24]。

2.1 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖溶解方面的研究

纤维素是D-吡喃葡萄糖苷残基以β-(1,4) 糖苷键连接成的、具有线性结构的高分子化合物[32],其内部具有高度有序的氢键网络结构,在水和常规的有机溶剂中不易溶解,而可溶于二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMF)/LiCl溶液和NaOH/尿素等溶剂,但这些溶剂皆存在成本、环境和回收等问题。因为NADES易与纤维素的羟基形成较强的氢键,从而破坏其自身氢键网络结构,对纤维素具有良好的溶解性。Lynam等[33]以氯化胆碱、脯氨酸和甜菜碱为HBA,甲酸、乙酸和乳酸为HBD制备NADES,结果发现,纤维素在氯化胆碱-乳酸(摩尔比为1∶10)溶液中的溶解度最高,约为3%。同样,Francisco等[34]采用多种不同摩尔比的NADES来溶解纤维素后发现,纤维素在苹果酸-脯氨酸中的溶解效果优于其他的NADES,且纤维素的溶解度随着脯氨酸在NADES中比例的增加而增大,当脯氨酸与苹果酸的摩尔比为3∶1时,纤维素在体系中的溶解效果最好。此外,Malaeke等[35]发现,通过超声辅助处理可以提高氯化胆碱-马来酸的NADES体系对纤维素的溶解性能。同样,超声辐射处理也可提高氯化胆碱-尿素对纤维素的溶解度[36]。

淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的半结晶性多糖,其中,直链淀粉是一种由α-(1,4)脱水葡萄糖单元组成的螺旋线型大分子;而支链淀粉的葡萄糖残基之间主要通过α-(1,4)糖苷键相连形成侧链,同时含有 5%～6%的α-(1,6)糖苷键,是一种高度分支化的大分子[37-38]。Francisco等[34]比较了多种不同摩尔比的NADES对淀粉的溶解性后发现,氯化胆碱-甘氨酸、氯化胆碱-苹果酸和氯化胆碱-脯氨酸对淀粉的溶解效果较好。Zdanowicz等[39]采用氯化胆碱基NADES溶解马铃薯淀粉,结果发现,当反应温度为118 ℃时,淀粉在氯化胆碱-尿素(摩尔比为1∶2)中溶解度为5%,呈无色透明的高黏液体。Dai等[8]比较淀粉在4种不同NADES溶液中的溶解效果后发现,辅以微波加热后,淀粉在氯化胆碱-葡萄糖-水(摩尔比为5∶2∶5)NADES体系中的溶解度最大。Yiin等[40]研究了HBA的摩尔比以及水的加入量对NADES体系对淀粉溶解性能的影响,结果发现,NADES溶解淀粉的能力随HBA与水的摩尔比的增加而提高,且当L-苹果酸-蔗糖-水的摩尔比为1∶3∶10时,淀粉溶解度最大。

几丁质是由β-(1,4) 连接的N-乙酰-D-葡萄糖胺单元构成的半结晶多糖,存在反平行(α)、平行(β)和交替(γ)定向3种不同形式。几丁质的高结晶度和丰富的氢键网络使其不溶于大多数常见的溶剂[25]。所以,常规使用浓酸溶液对几丁质进行溶解处理,但它的高腐蚀性会导致几丁质水解[41]。Sharma等[42]发现,在100 ℃反应温度下,α-几丁质在氯化胆碱-尿素(摩尔比为1∶2)和溴化胆碱-尿素(摩尔比为1∶2)中的溶解度分别为6.0%和6.5%。

2.2 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖膜增塑剂方面的研究

纤维素和淀粉在自然界中含量丰富,具有价格低廉、可再生和可生物降解等特点,常被用作天然聚多糖膜的原料,但纤维素和淀粉的分子间存在较强的氢键作用,导致所形成的薄膜脆性大,限制它们的应用[43]。目前,氯化胆碱-尿素体系作为增塑剂已经成功应用于纤维素基薄膜的生产[44]。使用尿素-氯化胆碱NADES对纤维素膜进行增塑,可得到柔软、光滑且无收缩的膜,此薄膜在贮藏两个月后外观基本没有发生变化。而NADES塑化淀粉膜有2种方式:①将淀粉/NADES在低水分条件下预混合,加热到淀粉的玻璃化转变温度以上,挤压成型,此方法主要适用于薄膜的大规模工业化生产;②在淀粉糊化后,加入NADES,通过浇铸法干燥成膜[43,45]。Abbott等[46]将氯化胆碱与尿素NADES以摩尔比为1∶2掺入淀粉中,通过热压或挤压获得均匀、透明的薄膜,这种热塑性材料比仅含有尿素的样品更柔软且韧性更强。Zdanowicz等[47]以柠檬酸胆碱-甘油形成的NADES与淀粉混合后用热压成型法制备热塑性淀粉(TPS)/NADES复合膜,结果发现,随着NADES中柠檬酸胆碱含量的增加,复合膜的拉伸强度提高,断裂伸长率降低,且NADES对淀粉膜的增塑效果优于甘油。同时,Zdanowicz等[45]还测试氯化胆碱、甜菜碱与多元醇(山梨醇、木糖醇和麦芽糖醇)组合不同的NADES体系对马铃薯淀粉膜的增塑能力,结果发现,与仅用山梨醇增塑的TPS相比,山梨醇基NADES增塑的TPS的断裂伸长率是前者的2倍,可形成具有良好力学性能和低吸湿性的TPS材料。

2.3 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖基纳米材料预处理的研究

生物基纳米材料具有强度高、质量轻、比表面积大、生物降解性和生物相容性良好的特性,在纳米复合材料、包装材料、生物医学系统和电子领域具有巨大的应用潜力[48]。传统制备聚多糖基纳米材料的方法有机械法、酶法以及化学法(酸、碱、有机溶剂和无机盐)[49]。

目前,常以有机酸为氢键供体的NADES来预处理棉花、桦木和杨木等纤维素原料,结合力学作用(如微波、超声等)制备纤维素纳米晶(CNC)[50]。Sirviö等[51]以及Liu等[52]对比了多种有机酸作为氢键供体的NADES对纤维素进行预处理制备CNC的效果,结果发现,氯化胆碱-二水草酸的NADES辅以机械处理(如,高压均质、微波辐射和超声波)可制备出长度310～410 nm、直径9～17 nm的CNC。然而,在制备纳米纤维的过程中,常用带氨基的盐类为主(如尿素)的NADES,如,Sirviö等[53]将氯化胆碱-尿素(摩尔比为1∶2)的NADES用作桦木纤维素纸浆的预处理介质,再结合微射流制得宽度为15～200 nm的纳米纤维束和宽度为2～5 nm的单个纤维素纳米纤维。在此基础上,Laitinen等[54]采用相同的NADES体系对纤维素纸浆进行预处理,辅以机械处理,也成功制备出纳米纤维。Yuan等[55]以有机酸为氢键供体制备NADES,以此作为几丁质纳米晶体(ChiNC)的预处理介质,利用氯化胆碱和5种不同有机酸组成的酸性NADES在超声辅助下成功制备了平均直径为42～49 nm、平均长度为257～670 nm 的ChiNC,得率为78.0%～87.5%,其中,氯化胆碱和乳酸基NADES因反应时间短、ChiNC的质量产率最高(达87.5%)而被认为是最佳溶剂。

2.4 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖分离和提取的研究

木质纤维素是一种由纤维素、半纤维素和木质素组成的复合材料,具有高度的抗解聚能力。通过NADES对木质纤维素进行预处理可破坏木质素对纤维素的包裹,使木质素脱离纤维素表面,增大纤维素的可及性,提高纤维素的利用效率[56]。Francisco等[34]发现,利用氯化胆碱-乳酸、甜菜碱-乳酸或某些基于氨基酸(乳酸-脯氨酸、苹果酸-脯氨酸、苹果酸-甘氨酸)的NADES均可有效去除麦草中的木质素,从而分离出纤维素。Alvarez-Vasco等[57]采用氯化胆碱-乳酸的NADES从杨树(硬木)和杉木(软木)中分离纤维素,结果发现:当反应温度为145 ℃、反应时间为6 h时,杨树和杉木中分别有78%和58%的木质素被去除,是较好的纤维素原料。含有酸性氢键供体的NADES在增加木质纤维素中纤维素的可及性方面可能优于其他NADES体系。Xu等[58]发现,使用氯化胆碱-甲酸可显著去除玉米秸秆中的木质素(约66%)和半纤维素(约24%),在从玉米秸秆中分离纤维素的过程中表现出优异的性能。

Zhu等[59]使用3种基于氯化胆碱形成的NADES从龙虾壳中提取几丁质,结果发现,氯化胆碱-丙二酸(摩尔比为1∶2)NADES体系得到的几丁质纯度高,与化学法相比,该体系分离出的几丁质得率更高。Saravana等[60]也用相同的NADES体系从虾壳中成功提取出几丁质。Huang等[61]以氯化胆碱-苹果酸(摩尔比为1∶1)为原料制备NADES,以此从虾壳中提取几丁质,结果发现,当虾壳与NADES的比例为1∶20时,在微波辅助下,可去除虾壳中的大部分矿物质和蛋白质,所得几丁质质量优良,相对结晶度为71%。

2.5 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖催化转化的研究

纤维素和淀粉等高分子聚多糖在酸性条件下脱水生成葡萄糖,可作为制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)的原料[62],其中,酸性NADES在聚多糖的催化转化过程中既可作为溶剂,又可作为催化剂,这能避免传统催化剂带来的各种弊端。Sert等[63]以氯化胆碱为氢键受体,草酸、柠檬酸和酒石酸为氢键供体制备了3组不同NADES体系,以此对纤维素进行催化转化,结果发现:氯化胆碱-草酸的NADES体系表现出最高的催化活性,5-HMF、糠醛、甲酸和乙酰丙酸的产率分别为4.07%、5.57%、15.24%和76.2%。DaSilva Lacerda等[64]也发现,氯化胆碱-草酸的WADES体系对纤维素转化为5-HMF和糠醛的效果显著,当加热温度为200和140 ℃时,5-HMF和糠醛达到最高产量,且超声处理可显著提高5-HMF与糠醛的产量,约为53.2%。此外,Manurung等[65]使用氯化胆碱-甘油的NADES作为榴莲籽淀粉转化5-HMF的反应溶剂,结果发现:该体系可显著提高5-HMF产量,且产量随反应温度的升高而提高,随反应时间的延长而降低;在葡萄糖与NADES的质量比为1∶5、反应温度为80 ℃的条件下,5-HMF的产率最大,为61.93%。

2.6 天然低共熔溶剂用于天然聚多糖加工中其他方面的研究

NADES除了在纤维素、淀粉和几丁质这三类天然聚多糖加工方面的应用研究外,还可以作改性剂、相容剂、分散剂和发泡促进剂改善聚多糖的性质。Willberg-Keyriläinen等[66]使用3种不同的尿素基NADES体系对纤维素进行酯化改性,结果发现,尿素-甜菜碱体系(摩尔比为4∶1)的衍生化效率最高,改性后纤维素结晶度降低了20%。Liu等[67]采用不同的羧酸基NADES体系对纤维素漂白阔叶木进行处理,都成功实现了对纤维素的酯化改性。此外,NADES还可以用作几丁质的分散介质,制备高结晶度的几丁质复合膜[41];也能用于淀粉/聚己内酯(PCL)超临界流体发泡促进剂,制备轻质多孔材料,从而开发用于组织工程和/或药物递送应用的新型生物活性材料[68];还可作为淀粉与疏水性物质(玉米醇溶蛋白)的相容剂,为开发高效的淀粉基生物复合材料开辟了新的前景[69-70]。

3 结论与展望

NADES在天然聚多糖加工与应用方面具有广泛的前景。随着研究的不断深入,其工业应用潜力也日益受到重视,但仍有一些问题有待进一步研究。

1)因为NADES的黏度较高,所以传质阻力大,工艺放大存在困难,是其在多糖应用上的一大障碍。目前,常通过加水来降低NADES的黏度。然而,在不破坏溶剂分子间结构的情况下,向NADES中添加的水量是有限制的,因此应开展低黏度NADES的研究,使其在各个领域具有更广泛的适用性。

2)所有NADES都是由亲水性或极性成分组成的,这一特性使其应用主要局限于极性化合物的提取,限制了它们在非亲水性化合物中的应用。因此,通过开发非极性的NADES体系来扩大其应用范围是非常有必要的。

3)NADES的热稳定性更是需要解决的主要问题。因为糖或氨基酸这些成分通常是热不稳定的,在较低的温度下会发生降解甚至生成副产物,从而限制NADES的高温应用。通过选择合适的HBD和HBA,特别是HBD,以此制备具有适当热稳定性的NADES。

总而言之,NADES作为绿色溶剂、材料组分或反应介质的地位最终取决于它们的内在性质。在天然聚多糖溶解、提取、催化转化、制备纳米材料以及作为多糖基材料的增塑剂等应用领域中,NADES有望成为传统有机溶剂的替代品。