離子液體在提取天然產(chǎn)物活性物質(zhì)中的應(yīng)用

馮靖，彭效明，李翠清，王騰，居瑞軍，湯晨洋，邱曉

(北京石油化工學(xué)院 燃料清潔化及高效催化減排技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 化學(xué)化工國家級示范中心，北京 102617)

離子液體是一種高效率、無污染的萃取溶劑。離子液體是由結(jié)構(gòu)不同的陰陽離子組成，根據(jù)離子液體的陰離子和陽離子的結(jié)構(gòu)，可以將離子液體按照陽離子和陰離子來分類。當(dāng)我們在使用傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取法提取天然產(chǎn)物中的活性物質(zhì)時，總會遇到提取效率低、消耗能源大、操作毒性大的缺點(diǎn)，離子液體相比較傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，具有無污染、節(jié)約能源、穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。利用離子液體作為溶劑，既節(jié)約了時間，同時又提高了工作效率。由此可見，離子液體作為溶劑來提取天然產(chǎn)物中的活性物質(zhì)的研究是很有必要的。

1 離子液體的分類

離子液體可以按照不同的陰離子和陽離子來分類，按照陽離子的結(jié)構(gòu)不同可以分為四大類：咪唑陽離子、季銨陽離子、季膦陽離子以及吡啶陽離子。按照陰離子的結(jié)構(gòu)不同可以分為鹵代與非鹵代兩大類，見表1。

表1 離子液體的分類Table 1 Classification of ionic liquids

2 離子液體的特性

傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑萃取法具有效率低、能耗高、污染大、制備周期長、資源浪費(fèi)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，新型的離子液體的許多特性可以有效的解決傳統(tǒng)溶劑的很多缺點(diǎn)。提高了目標(biāo)活性物質(zhì)的提取率，因此有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)溶劑成為新興的溶劑，這些特性均是離子液體優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的方面。

離子液體相對傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，具有的特殊性質(zhì)有：高密度、熔點(diǎn)低、粘度高、酸性以及導(dǎo)電性好。除此之外，離子液體還有可設(shè)計性、熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)性、不可燃性、無異味、溶解性好、化學(xué)穩(wěn)定性、蒸氣壓極低、不燃、不爆炸的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 離子液體的密度

離子液體相比較傳統(tǒng)的溶劑密度較大，離子液體的密度是由陰陽離子決定，而陰離子對離子液體密度的影響比陽離子大，在一般情況下，除了某些吡咯鹽與胍鹽的密度比較小，在0.9～0.97 g/cm3范圍內(nèi)，大部分離子液體的密度比水大，通常密度在1.0～1.6 g/cm3范圍，離子液體的密度隨溫度的變化與普通小分子相同，即：密度隨溫度的上升而下降[1]。

2.2 離子液體的熔點(diǎn)

熔點(diǎn)是評價離子液體特殊性質(zhì)的重要參數(shù)之一。離子液體的熔點(diǎn)相比較傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑較低。陰陽離子的組成決定了離子液體的熔點(diǎn)，不同陰陽離子的離子液體熔點(diǎn)差異較大。分子間的作用力中的范德華力和靜電力決定熔點(diǎn)，而分子的空間結(jié)構(gòu)對稱性越高，分子間作用力越強(qiáng)，熔點(diǎn)也就越高，趙繼陽等[2]研究了離子液體熔點(diǎn)隨咪唑環(huán)取代基變化的基本規(guī)律，結(jié)果顯示，取代基的位置、大小、性質(zhì)均會影響離子液體的熔點(diǎn)。

2.3 離子液體的粘度

離子液體的粘度均較高，與傳統(tǒng)的溶劑相比較，粘度高10～1 000倍不等。離子液體的粘度主要由分子之間的作用力決定。相比較來說，陽離子的結(jié)構(gòu)對粘度的影響大，陽離子的尺寸越大，粘度越高，烷基鏈越長，粘度越大，兩者基本上成正比關(guān)系，李明英[3]研究表明，離子液體的陰離子的類型對離子液體的粘度起決定性作用。

2.4 離子液體的酸性

陰離子的結(jié)構(gòu)對離子液體的酸性影響很大。例如含有Lewsi酸的離子液體，會表現(xiàn)出很強(qiáng)的酸性，正因如此，在反應(yīng)中，也會起到較強(qiáng)催化作用，田玉奎等[4]研究了路易斯酸性離子液體催化了5-羥甲基呋喃甲醛的制備，使得最高收率達(dá)92%。

3 離子液體的萃取方式

離子液體的萃取機(jī)理分為兩個部分：第一，離子液體通過與分子之間的作用力實(shí)現(xiàn)萃??；第二，某些離子液體可以溶解纖維素，而細(xì)胞壁的主要成分就是纖維素，這就使得要提取的物質(zhì)穿過細(xì)胞壁得到釋放，從而得到很好的分離，提高了提取效率。離子液體的萃取方式有很多，主要有液-液萃取、超高壓輔助提取、雙水相萃取、微波輔助萃取和超聲強(qiáng)化萃取。以下主要介紹這5種萃取方式。

3.1 液-液萃取

相比于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑的液-液萃取技術(shù)，離子液體的液-液萃取具有原材料用量少、離子液體可以循環(huán)利用、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)[5-8]。徐欽良等[9]利用液-液萃取高效液相色譜的方法測定水中鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)，利用的是1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，屬于咪唑非鹵代類離子液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度20 ℃，料液比1∶150的條件下，水中鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的回收率在85.2%～110%，回收率在此高于100%的原因在于誤差，中國藥典中規(guī)定藥品的回收率在0.7～2.0，所以藥品的回收率>1也是合理的，在下文中回收率>1的原因也是如此。范云場等[10]利用離子液體液-液萃取高效液相的方法測定水中的酚類物質(zhì)，利用的是1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，也是屬于咪唑非鹵代類離子液體，結(jié)果表明，在時間40 min，pH值為5，水相的體積為60 mL 時酚類物質(zhì)的回收率為87.9%～109.9%。由此可以了解到咪唑非鹵代類離子液體已經(jīng)廣泛應(yīng)用到液-液萃取中。

3.2 超高壓輔助提取

離子液體超高壓輔助萃取相比較其他的萃取方法具有壓力高的特點(diǎn)，這使得萃取時間大大縮減，在很大程度上提高了萃取的效率[11-12]。王迪等[13]利用超高壓輔助離子液體方法萃取牛蒡子中牛蒡苷與牛蒡苷元，利用的是溴化-1-十二烷基-3-甲基咪唑，這種離子液體屬于咪唑鹵代類離子液體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在壓力為20 MPa，提取時間2 min，料液比為1∶20條件下，目標(biāo)提取物牛蒡苷與牛蒡苷元的提取率分別為37.15 mg/g和8.04 mg/g，提取時間僅為2 min，明顯縮短了實(shí)驗(yàn)時間。所以，咪唑鹵代類離子液體已經(jīng)應(yīng)用到超高壓輔助提取的方法中。

3.3 雙水相萃取

離子液體的雙水相萃取具有操作條件溫和、操作簡便、可以連續(xù)操作、操作參數(shù)容易放大的優(yōu)點(diǎn)[8]。此前已有研究者用咪唑類離子液體提取天然產(chǎn)物中的活性物質(zhì)。例如陳梅梅[14]應(yīng)用[Bmim]Cl與K2HPO4提取菜籽粕蛋白，離子液體屬于咪唑鹵代類，在離子液體濃度為350 mg/mL和K2HPO4濃度為150 mg/mL，菜籽蛋白提取率最高可達(dá)99.1%，王偉濤等[15]應(yīng)用[C4mim]Br與K2HPO4提取木瓜蛋白酶，在離子液體濃度為0.3 g/mL，K2HPO4濃度為0.3 g/mL，提取溫度30 ℃，目標(biāo)產(chǎn)物的提取率最高可達(dá)91.20%。該離子液體仍然屬于咪唑鹵代，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，提取率分別達(dá)到了99.1%和91.20%?？梢姡溥螓u代類離子液體也已經(jīng)廣泛應(yīng)用到雙水相萃取中。

3.4 微波輔助萃取

微波輔助萃取法是利用微波加熱的方法來加速溶解目標(biāo)萃取產(chǎn)物，使得目標(biāo)萃取產(chǎn)物的釋放快速且完全[5,8,16-17]。此方法具有安全穩(wěn)定，操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。賁永光等[14]利用了此方法提取了菊花中的綠原酸，應(yīng)用的是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，同樣屬于咪唑非鹵代類離子液體，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，目標(biāo)產(chǎn)物綠原酸的提取率為2.92%。馮洪建等[18]應(yīng)用了微波輔助萃取的方法萃取檸檬皮中的果膠，利用1-丁基-3-甲基咪唑，同樣屬于咪唑非鹵代類離子液體，在離子液體濃度1.2 mol/L，料液比1∶20，提取溫度20 ℃，微波功率200 W的最佳條件下，目標(biāo)產(chǎn)物果膠的提取率為88.5%。此方法很大程度上提高了目標(biāo)產(chǎn)物的提取率。因此，咪唑非鹵代類離子液體已經(jīng)應(yīng)用到微波輔助萃取當(dāng)中。

3.5 超聲強(qiáng)化萃取

超聲強(qiáng)化萃取技術(shù)的工作原理是應(yīng)用空化作用，空化作用是指在液體中的微氣核空化泡在一定的聲壓下發(fā)生增長或者崩潰的現(xiàn)象。這使實(shí)驗(yàn)條件具有溫度低、不同相之間的傳質(zhì)速度大的特點(diǎn)，因此若提取的目標(biāo)產(chǎn)物具有熱不穩(wěn)定的特點(diǎn)，應(yīng)用此方法是極為合適的[6-7,19]。陳明明等[20]應(yīng)用輔助超聲提取法來提取黃柏中的總生物堿，應(yīng)用的是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，屬于咪唑非鹵代類，當(dāng)甲醇體積分?jǐn)?shù)75%，提取時間40 min時，生物堿的提取效率為5.35%。

4 離子液體在提取天然產(chǎn)物中活性物質(zhì)的應(yīng)用

離子液體在萃取天然產(chǎn)物中活性物質(zhì)有重要作用，近年來文獻(xiàn)中報道了離子液體萃取黃酮類化合物、生物堿、蒽醌類、木脂素、有機(jī)酸、揮發(fā)油、皂苷類等。下面主要介紹用離子液體作為溶劑萃取這7類活性物質(zhì)[21-24]。

4.1 黃酮類化合物的提取

黃酮類化合物是中草藥中重要的活性物質(zhì)之一，其主要的藥理作用有抗氧化、抗菌、抗腫瘤以及對心腦血管的保護(hù)作用等[24-25]。近年來，人們對天然產(chǎn)物中黃酮類化合物的研究越來越廣泛[26-27]。鄧永利等[28]利用離子液體輔助超聲萃取法研究了半邊蓮中的6種黃酮類化合物，離子液體應(yīng)用的是1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽，屬于咪唑非鹵代類，當(dāng)料液比1∶80，提取時間30 min，離子液體的濃度為0.6 mol/L時，目標(biāo)產(chǎn)物的提取率在91.77%～102.53%之間。王志兵等[29]利用硅膠固載離子液體基質(zhì)固相分散法提取了蜂房中的黃酮類化合物，應(yīng)用了氯化1-己基-3-甲基咪唑，屬于咪唑非鹵代類離子液體，在樣品和分散劑比例為1∶4，離子液體濃度為10%的條件下，目標(biāo)提取產(chǎn)物的回收率在83.73%～95.32%。馮紀(jì)南等[30]利用離子液體微波輔助提取法提取了臭牡丹中黃酮類化合物，應(yīng)用的離子液體是溴化1-丁基-3-甲基咪唑，利用的離子液體是咪唑非鹵代類離子液體，在離子液體濃度為1.0 mol/L，料液比1∶30，微波功率500 W，提取時間為6 min時，黃酮類化合物的提取率為4.318%。實(shí)驗(yàn)表明，將離子液體作為新型的萃取溶劑時，在很大程度上提高了黃酮類化合物的提取效率。

4.2 生物堿的提取

鉤藤中的生物堿類化合物具有清熱解毒、熄風(fēng)定驚的藥理作用[31]，劉婷婷等[32]利用了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽作為離子液體微波輔助提取法提取了鉤藤中的生物堿成分，該離子液體屬于咪唑非鹵代類，當(dāng)離子液體的濃度為0.54 mol/L，料液比1∶100，提取時間8 min，目標(biāo)產(chǎn)物4種生物堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.52 mg/g。莨菪類生物堿主要用于農(nóng)藥中毒、頭暈?zāi)垦５?，方海紅等[33]應(yīng)用了3種離子液體作為高效液相色譜法流動相的添加劑來萃取分離茛菪類生物堿，3種離子液體均屬于咪唑非鹵代類離子液體，此方法提高了分離效率，也減少了拖尾的現(xiàn)象。曹璽珉等[34]利用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽作為離子液體微萃取的方法來分離黃連和黃柏中的3種生物堿，該種離子液體屬于咪唑非鹵代類，結(jié)果表明，在固定了NaPF6為40 mg，離子液體的體積為70 μL，提取時間3 min時，這3種生物堿的加標(biāo)回收率為96.52%～104.34%，回收率很高，因此這種方法可以用于提取生物堿。

4.3 蒽醌類的提取

蒽醌類化合物具有抗炎、清熱、明目、利肝、抗癌的功效[35]。田杰等[36]利用分散液相微萃取-高效液相色譜法測定了中藥材中的6種蒽醌類化合物，共應(yīng)用了3種離子液體，均屬于咪唑非鹵代類，在300 mL鹽酸溶液中加入70 mg 離子液體，300 μL分散劑的實(shí)驗(yàn)條件下，目標(biāo)提取物的回收率在 81.7%～110.8%。

4.4 木質(zhì)素的提取

木質(zhì)素是酚類化合物，有很強(qiáng)的生物活性，具有止咳、止汗、利肝、抗氧化和抗癌的功效。史麗娟等[37]利用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽作為離子液體超聲波輔助的方法提取杜仲皮中的木脂素，該種離子液體屬于咪唑非鹵代類，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件為：料液比1∶18，離子液體濃度0.87 mol/L，提取溫度54 ℃，時間30 min的最佳條件下，木質(zhì)素的提取率為11.03%。相對于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提高了木質(zhì)素的提取率。

4.5 揮發(fā)油的提取

揮發(fā)油存在于多種天然產(chǎn)物中，例如蒼術(shù)、當(dāng)歸和連翹等。揮發(fā)油具有很強(qiáng)的生物活性，具有清熱解毒、抗感染、理氣止痛的藥理作用。翟玉娟等[38]利用1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽作為離子液體為微波吸收介質(zhì)提取肉桂中的揮發(fā)油，這種離子液體屬于咪唑非鹵代類，提取時間僅為18 min，而傳統(tǒng)溶劑提取法的提取時間為180 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此方法較傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取法可以有效地縮短實(shí)驗(yàn)時間，提高實(shí)驗(yàn)效率。

4.6 皂苷類的提取

天然產(chǎn)物中的皂苷類化合物具有抗炎利肝、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)護(hù)腦等功效。至今，李蘭杰等[39]已利用離子液體1-丁基-3-甲基咪唑溴化鹽超聲波與雙水相的方法提取三七中的5種人參皂苷，離子液體屬于咪唑鹵代類，在離子液體濃度為10%，提取時間20 min，提取溫度25 ℃，人參皂苷的回收率均在92.07%～110.55%。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)的介紹了離子液體相比較傳統(tǒng)溶劑的特性、兩類分類方法、5種提取方法和在提取6種天然產(chǎn)物中活性物質(zhì)當(dāng)中的應(yīng)用。通過本文我們得知，咪唑類離子液體在提取天然產(chǎn)物活性物質(zhì)中應(yīng)用最為廣泛，正因?yàn)榇祟愲x子液體應(yīng)用廣泛，合成方法也研究比較透徹，因此成本也相比較其他離子液體較低。但由于離子液體的出現(xiàn)時間較晚，有關(guān)離子液體提取機(jī)理方面的研究還較為欠缺，隨著離子液體的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，離子液體替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑必將是趨勢。