離子液體在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

段琤烜 陳浩 汪杰 秦帥

離子液體是一種由陽離子和陰離子構(gòu)成的熔融溫度低于100℃的低熔點鹽。因具有熱穩(wěn)定性高、溶解性強(qiáng)、不易燃、不易揮發(fā)等特點，故離子液體被環(huán)境化學(xué)界稱為“綠色溶劑”。同時我們可以針對性的對離子液體的陰陽離子進(jìn)行組合，來滿足研究所需要的不同要求。離子液體作為一種環(huán)保溶劑和新型綠色多功能材料，近年來已成為研究熱點，得到各個領(lǐng)域廣泛的研究和應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，離子液體可溶解纖維素，能作為溶劑高效的輔助植物成分提取，為轉(zhuǎn)化生物柴油提供穩(wěn)定綠色的催化劑。自1998年美國Huddleston等首次用[Bmim]BF4對苯及苯的衍生物進(jìn)行萃取以來，離子液體表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑的分配性能和萃取能力，得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛青睞。

1 離子液體對纖維素的溶解

纖維素是一種可再生資源，來源廣泛，大量分布于自然界，在植物界總的碳含量超過50%。但纖維素本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時分子量大且存有大量的氫鍵。這些特點又決定了纖維素?zé)o法溶于水和常規(guī)的有機(jī)溶劑中，不能得到利用。2002年，美國的Rogers教授等發(fā)現(xiàn)，纖維素通過微波加熱后，快速溶解于[Bmim]Cl中。并且他們得出，具有相同的陰離子時，離子液體的溶解性會隨著其陽離子的咪唑環(huán)上烷基鏈的增長而減弱的結(jié)論。農(nóng)作物秸稈經(jīng)過化學(xué)處理、機(jī)械法加工可生產(chǎn)的木質(zhì)纖維素可代替糖類轉(zhuǎn)化為生物能源。在將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的流程里，纖維素和半纖維素會有一部分在預(yù)處理時被降解，導(dǎo)致后續(xù)糖的濃度降低。2010年，金顯春利用[Amim]Cl對稻草粉進(jìn)行預(yù)處理之后得出，最優(yōu)的木質(zhì)素提取方案是在固液比為350克/公斤，在90℃提取12小時，粒度40目的條件下進(jìn)行的。處理后酶解得糖率顯著提高，說明離子液體提取稻草木質(zhì)素可有效促進(jìn)纖維素酶解，并且重復(fù)多次利用后木質(zhì)素提取率幾乎不變。

2 離子液體對植物成分的提取

鹿藿是一種在我國分布很廣的多年生草本植物，其根部的70%乙醇提取物具有很好的抗雄性生育活性和抑菌的作用，異黃酮是其中的一種有效活性成分。鹿藿本身所含有的的脂溶性物質(zhì)極少，難以使用常規(guī)分離方法進(jìn)行分離。郭燕燕等在2011年以[Bmim]BF4作為提取劑，最后進(jìn)行分離純化后得到3個異黃酮類物質(zhì)，且實驗完成后離子液體回收率達(dá)到76.7%，能夠持續(xù)循環(huán)使用。

丹參素是由丹參提取出來的溶于水的酚性芳香酸類化合物，又名月丹參酸甲，具有抗血小板凝結(jié)、提升組織修復(fù)和再生能力、提高免疫力等功能。區(qū)別于提取產(chǎn)物花費(fèi)時間長且雜質(zhì)含量高的傳統(tǒng)方法，在2018年，唐一梅等建立了離子液體—微波輔助的丹參素制備方案：以離子液體[Bmim]Br—水為提取劑，V （[Bmim]Br）∶V （水） =1∶15，微波輻射功率為119瓦，之后通過微波輻射最終得到丹參素的提取液。此方法丹參素提取率高，用時少，還可減少環(huán)境污染。

辣木 （Morlnga oleifera Lam.）又名鼓槌樹，我國有大量種植，其葉片干粉中含有27.5%的粗蛋白，是一種重要的蛋白質(zhì)及酶資源。施婭楠等利用離子液體[Bmim]Br/K2HPO4雙水相體系，對辣木凝乳酶進(jìn)行分離。實驗的最佳條件為：[Bmim]Br質(zhì)量濃度1.3克/毫升，K2HPO4質(zhì)量濃度2.2克/毫升，pH值7.5，酶添加量20毫克/毫升。用這種方法辣木葉凝乳酶的酶活性回收率很高，達(dá)到85.5%，純化因子為1.49，此種條件下萃取數(shù)據(jù)很理想。

3 離子液體作為溶劑和催化劑應(yīng)用于制取生物柴油

離子液體所具有的特殊性質(zhì)，使其在生物柴油制備流程當(dāng)中既可用作溶劑，也可用作綠色催化劑。劉作華等采用菜籽油作為原料油，輔以甲醇（CH3OH），以[Bmim]BF4作為溶劑，氫氧化鈉（NaOH）為催化劑，在微波輻射的作用下來制取生物柴油。實驗研究了多種制備過程中的影響因素，數(shù)據(jù)顯示微波和離子液體的同時利用效果很好。兩者在制備過程中具有協(xié)同促進(jìn)作用。此外離子液體具有催化和增容的作用。同時在生物柴油的制備過程中，因為催化劑容易因原料油的酸值過高而失活等問題，李勝清等利用[Hmim]HSO4作為催化劑。試驗數(shù)據(jù)顯示，在甲醇和菜籽油的摩爾比為15∶1時加入占原料油質(zhì)量8%的離子液體作為催化劑，設(shè)置為溫度90℃下反應(yīng)18小時，這種情況下生物柴油產(chǎn)率可達(dá)94%以上。同時離子液體和產(chǎn)品之間容易分離，方便對催化劑進(jìn)行回收以重復(fù)利用，并且在離子液體催化劑使用多次以后，仍然具有很好的催化活性。

4 問題及展望

需要說明的是，離子液體本身具有一定的生物毒性，并且其降解難度和取代基有關(guān)。所以，在之后的研究中，應(yīng)側(cè)重于毒性低的離子液體，設(shè)計合成生物降解性好的離子液體。同時離子液體成本較傳統(tǒng)溶劑、催化劑更高，需要進(jìn)行循環(huán)利用。在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，對于離子液體的研究和應(yīng)用方面，所涉及的離子液體主要集中于咪唑類離子液體。在日后的研究中，可拓寬研究離子液體的種類，讓離子液體得到更全面廣泛的應(yīng)用。