李道明,鐘小榮,易玖宏,張佳浩

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

0 引言

自20世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了“綠色化學(xué)”一詞,為推動綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展,人們正試圖尋找更安全、更清潔、更高效且經(jīng)濟上可行的綠色生產(chǎn)工藝,可持續(xù)性的綠色溶劑成為了當(dāng)前研究的熱點.離子液體(ionic liquid solvents,ILs)是一種完全由離子組成的綠色溶劑[1],與傳統(tǒng)的溶劑相比,其具有可設(shè)計性、不易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好、溶劑化能力強等優(yōu)點[2-4].而基于ILs的毒性、離子組分降解性差且制備成本較高等缺點,低共熔溶劑(Deep eutectic solvents,DESs)逐漸代替ILs成為新一代綠色溶劑[5,6].

2003年,Abbott等[7,8]首次發(fā)現(xiàn)由氯化膽堿和尿素形成的液體混合物具有獨特的溶劑性質(zhì),這一混合物與ILs的性質(zhì)類似,但是熔點的降低程度小于類似的金屬氯酸鹽體系.目前研究表明氫鍵相互作用是形成DESs的主要原因,且氫鍵的強度直接影響DESs的熔點等熱力學(xué)性質(zhì)[9].DESs作為一種新型綠色溶劑,既具備前述的ILs所具有的優(yōu)勢外,又克服了其缺點.DESs與ILs具有相似的應(yīng)用,但因DESs的成分安全且價格低可用于食品與藥品領(lǐng)域.目前,DESs在萃取[10]、有機合成[11]、酶催化反應(yīng)[12]、二氧化碳吸附[13]、生物柴油合成[14]、電化學(xué)[15]、材料制備[16]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.目前在油脂改性領(lǐng)域中,DESs主要用于合成生物柴油、功能性油脂及提取反應(yīng)副產(chǎn)物等,但DESs在油脂改性領(lǐng)域中的應(yīng)用仍有許多問題需要解決.例如,關(guān)于DESs的制備和表征方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、DESs的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系及DESs對生物催化規(guī)律的影響等.

基于已有的研究表明DESs在油脂改性領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注,但目前還沒有關(guān)于這方面的綜述性文章.因此,本文是基于近十年DESs在油脂改性領(lǐng)域中的應(yīng)用,對其進行總結(jié)與展望.為推動DESs在油脂改性領(lǐng)域中的工業(yè)化應(yīng)用提供參考.

1 DESs的定義與分類

DESs是兩種或多種固體組分在一定溫度下按一定摩爾比制備形成的液體混合物,也可定義為由氫鍵供體(Hydrogen bond donors,HBDs)和氫鍵受體(Hydrogen bond receptors,HBAs)按一定摩爾比形成的低共熔混合物[17].HBAs一般為季銨鹽,HBDs主要包括酰胺類、有機酸類、氨基類、糖類、醇類等.圖1為常用的HBAs和HBDs.

圖1 制備DESs的HBDs和HBAs的結(jié)構(gòu)圖

Abbott 等[8]將 DESs的通式定義為R1R2R3R4N+X-Y-.并根據(jù)所用絡(luò)合劑的性質(zhì)對DESs進行分類,如表1所示.主要包括四種類型的DESs,I型DESs由季銨鹽和金屬氯化物組成,如氯化膽堿和金屬氯化物形成的DESs.II型DESs由季銨鹽和金屬氯化物水合物組成.許多水合金屬鹽的成本相對較低,且對空氣和水分的不敏感性,使其可應(yīng)用于工業(yè)過程中.III型DESs由季銨鹽和羧酸、醇類及胺等組成.IV 型DESs由金屬氯化物和醇類及酰胺類物質(zhì)組成[18].

表1 DESs的四種類型

2 DESs的制備方法

目前DESs的實驗室制備方法主要包括加熱法、研磨法和冷凍干燥法[11],如表2所示.加熱法是在確保DESs中的水分含量的前提下,將一定比例的HBDs和HBAs經(jīng)過干燥預(yù)處理后混合.由于DESs的吸濕性,需在惰性氣體環(huán)境下加熱(通常在60 ℃～100 ℃)[19],后用磁力攪拌器加熱攪拌直至出現(xiàn)透明澄清的液體,冷卻后立即密封以避免水分吸收,并儲存在干燥器中以備日后使用.研磨法主要應(yīng)用于藥學(xué),將化合物干燥后,混合放置在研缽內(nèi),室溫下進行研磨,直至形成透明均一的液體,隨后密封保存.該法制備的溶劑純度相對加熱法高,且水分含量相對加熱法低,其缺點在于長期暴露使溶劑水分難以控制[20].冷凍干燥法制備DESs,首先精確稱量各組分將其混合,并加入少量的水將其溶解后離心,隨后在一定溫度下冷凍,最后將加入的水通過凍干除去直至恒重[21].該法制備的溶劑純度較高,但操作復(fù)雜、對設(shè)備要求較高.因加熱法操作簡單是目前制備DESs的主要方法.

表2 DESs的制備方法

3 DESs的性質(zhì)

3.1 熔點

DESs是由兩種固體混合通過氫鍵相互作用在適當(dāng)?shù)臏囟认滦纬傻囊后w,DES的熔點低于各組分純物質(zhì)的熔點.如當(dāng)氯化膽堿和尿素以1∶2的摩爾比混合制備的DESs的熔點為12 ℃,而氯化膽堿和尿素單獨存在時各自的熔點分別為302℃和133 ℃[8].目前報道的大部分DESs的熔點低于150 ℃.DESs的熔點受到多種因素的影響,如HBAs與HBDs的摩爾比,氯化膽堿和尿素的摩爾比為1∶1時熔點大于50℃而摩爾比為1∶2時熔點為12 ℃.此外HBAs的種類也會影響DESs的熔點,如尿素與不同的膽堿陰離子結(jié)合形成的DESs的熔點依的順序下降[8].Abbott等[22]研究表明熔點與有機酸的分子量相關(guān),熔點隨分子量的降低而降低.因DESs的熔點受多種因素的影響,根據(jù)DESs的類型可以總結(jié)出一些關(guān)于熔點變化的規(guī)律:(1)Ⅰ型DESs是由無水金屬鹵化物(ZnCl2、ZnBr2、SnCl2等)和季銨鹽中的鹵化物陰離子相互作用形成的具有相似生產(chǎn)焓的鹵金屬酸鹽.這類DESs要在環(huán)境溫度下形成低共熔化合物,金屬鹵化物的熔點一般需要在300 ℃左右或更低;(2)Ⅱ型DESs由水合金屬鹵化物和HBDs形成.由于金屬鹽的水化作用降低了晶格能,導(dǎo)致其熔點低于無水鹽;(3)Ⅲ型DESs的熔點取決于氫鍵相互作用和鹽/HBDs的摩爾比;(4)Ⅳ型DESs的熔點均在10 ℃下[23].

3.2 黏度

黏度是DESs研究的一個重要參數(shù),大部分的DESs在室溫下粘度相對較大都在100 cp 以上.DESs作為一種綠色溶劑在食品、藥品等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用,開發(fā)低粘度的DESs具有一定實踐意義.DESs的黏度主要受氫鍵相互作用和范德華力的影響,并與DESs組分的性質(zhì)、摩爾比、溫度和含水量等因素有關(guān)[24].如Abbott等[25]研究發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和乙二醇(摩爾比1∶4)在20 ℃黏度為19 cp,而氯化膽堿和甘油在相同條件下黏度為503 cp,結(jié)果表明DESs的黏度與HBDs的種類有關(guān).其次Gajardo Parra等[26]研究發(fā)現(xiàn)DESs的黏度會隨著溫度的升高而顯著下降.目前研究表明空穴理論可用于設(shè)計低黏度DESs,為DESs的應(yīng)用提供參考.

3.3 極性

一般來說,分子間的吸引力越大,極性就越大.因此,極性通常是一種增溶性質(zhì).溶劑的極性可以通過其極性標(biāo)度Et(30)來評估,Et(30)是探針染料(如Reichardt′s Dye 30)在溶劑中的電子躍遷能.通過紫外可見分光光度計進行檢測,使用Reichardt′s Dye 30,可以用下列公式(1)計算ET(30)[27].

Abbott等[28]使用Reichardt′s Dye方法測定了不同摩爾比的DES(氯化膽堿-甘油)的極性,研究表明隨著氯化膽堿/甘油摩爾比的增加,DESs的ET(30)值增加.此外,ET(30)隨氯化膽堿濃度的增加而增加.秦曉潔[29]研究發(fā)現(xiàn)HBA 是氯化膽堿的DESs普遍比四甲基氯化銨的DESs極性高.

3.4 毒性

DESs作為一種新型綠色溶劑,其可逐步替代ILs主要由于DESs具備一定優(yōu)勢,例如基于氯化膽堿的DESs具有良好的生物兼容性,在許多研究報道中被認(rèn)為是低毒性、熱穩(wěn)定性好、可生物降解的優(yōu)良溶劑[30].2013年,Hayyan等[31]首先研究了基于氯化膽堿和基于季膦鹽DESs的毒性和細(xì)胞毒性,HBDs 為甘油、乙二醇和尿素.研究發(fā)現(xiàn)DESs的毒性和細(xì)胞毒性隨所用成分的結(jié)構(gòu)而異.基于氯化膽堿的DESs 毒性小于基于季膦鹽的DESs.隨后,有不同的團隊評價了不同類型DESs的毒性,某些DESs顯示出一定程度的毒性.但由于反應(yīng)的類型和用途不同,目前關(guān)于DESs的毒性研究還存在一定的局限性.

4 DESs在油脂改性領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 改性油脂生產(chǎn)生物柴油

4.1.1 生物柴油的制備

面對石油供應(yīng)減少、持續(xù)燃燒化石燃料帶來的環(huán)境和氣候問題和基于可再生能源的發(fā)展,生物柴油已成為一種可再生、可降解的有吸引力的燃料[32].生物柴油是指由長鏈烷基酯組成的柴油燃料,通常由脂質(zhì)與醇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成脂肪酸單酯制成(如圖2所示).生物柴油可以從豐富的植物油、動物脂肪、餐飲廢油等中制備.目前制備生物柴油的常規(guī)化學(xué)方法有許多局限性,如腐蝕儀器、乳化問題及脂肪酸皂化等問題.與傳統(tǒng)化學(xué)法相比,酶法具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)副產(chǎn)物少和低廢物處理等優(yōu)點,但酶法合成生物柴油也面臨著許多困難,其中之一就是缺乏與脂肪酶相容的非水溶劑.因DESs具有廉價、低毒性、可生物降解、和脂肪酶相容的特點,可作為制備生物柴油的催化劑和溶劑(如表3所示).

表3 在制備生物柴油中的應(yīng)用

圖2 生物柴油的制備原理

2010 年,Long 等[33]在研究中采用由Ch Cl/ZnCl2(1∶2,mol/mol)組成的DESs作為路易斯酸催化劑從大豆油中制備生物柴油,在70 ℃反應(yīng)72 h,酯交換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為54.52%,是制備生物柴油的一種有效的方法.Isahak等[34]從棕櫚油中制備了生物柴油,當(dāng)采用ChCl/ZnCl2(1∶2,mol/mol)和ChCl/FeCl3(1∶2,mol/mol)作為催化劑時,產(chǎn)率分別為70.4%和89.5%.在Ch Cl/ZnCl2(1∶2,mol/mol)溶劑體系中加入H2SO4(20 wt%)催化反應(yīng)時,產(chǎn)率可提高到92.0%.在脂肪酸含量較高的油脂中,DESs可作為制備生物柴油預(yù)處理酯化階段的催化劑.Hayyan等[35]在脂肪酸含量為9.5%的低級粗棕櫚油(Low grade crude palm oil,LGCPO)中,用摩爾比為1∶3 的N,N-二乙基乙醇氯化銨/對甲苯磺酰胺一水化合物組成DEAC-DES 作為催化劑,在優(yōu)化條件下,LGCPO 中脂肪酸的含量可降至1%以下.DEACDES可作為一種高活性、可循環(huán)利用的催化劑.同年,Hayyan等[36]制備了由烯丙基三苯基溴化磷/對甲苯磺酰胺一水化合物(1∶3,mol/mol)組成的P-DES作為一種可回收催化劑,在制備生物柴油過程中可將脂肪酸的含量從9.3%降到2%以下.此外,基于DESs的催化劑可作為多相催化劑的潛在替代品,其可以通過消除過濾和催化劑預(yù)處理過程來簡化下游操作[37].Zhang等[38]在DESs體系中采用微波輻射的方法從文冠果油中酶法制備生物柴油,該方法在最優(yōu)條件下轉(zhuǎn)化率可達95%,研究表明該法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酯交換法制備生物柴油.

DESs也可作為一種低成本、低粘度、高生物降解性和脂肪酶具有良好相容性的綠色溶劑.Zhao等[39]發(fā)現(xiàn)由Ch OAc/Gly(1∶1.5,mol/mol)組成的DES與脂肪酶Novozym 435 具有良好的生物相容性,在該DES中Novozym 435催化Miglyol oil 812 制備生物柴油的酯交換轉(zhuǎn)化率可達97%,研究也表明DESs是生物柴油酶法生產(chǎn)的潛在介質(zhì).隨后,Zhao等[40]又發(fā)現(xiàn)ChCl/Gly(1∶2,mol/mol)組成的DES與Novozym 435也具有良好的生物相容性,催化大豆油酯交換轉(zhuǎn)化率可達88%,且在DES中脂肪酶可重復(fù)使用4批次后仍具有良好活性.2014 年,Huang等[41]制備了多種DESs并研究了其對酶性能的影響,研究表明當(dāng)DESs作為從種籽油中生產(chǎn)生物柴油的反應(yīng)介質(zhì),Novozym 435 比PEL(Penicillium expansum lipase)具有更好的轉(zhuǎn)化率,在Ch Ac/Gly(1∶2,mol/mol)中可獲得的最大產(chǎn)率.2018 年,Merza等[42]比較了DES (Ch Cl/Gly)和IL ([bmim][PF6])從廢油中酶法制備生物柴油的應(yīng)用效果.結(jié)果表明在DES 中的產(chǎn)率及產(chǎn)量更高,反應(yīng)4 h后,在DES中的產(chǎn)率比在[bmim][PF6]中的產(chǎn)率高63%.

部分DESs可以與金屬催化劑結(jié)合,在制備生物柴油中起到良好的效果.2013 年,Huang等[43]制備了一種由ChCl/Gly(1∶2,mol/mol)組成的DES,作為CaO 催化菜籽油酯交換反應(yīng)制備生物柴油的溶劑.在反應(yīng)體系中,除作為溶劑外,DES還能通過去除固體催化劑CaO 表面的CaCO3和Ca(OH)2非活性層,激活Ca O 作為酯交換反應(yīng)的催化劑.且研究表明,添加DESs后的脂肪酸甲酯回收率可達91.9%,而不添加DESs時脂肪酸甲酯回收率僅為4.0%.2015 年,Gu 等[44]將DES(ChCl/Gly)作為NaOH 催化菜籽油酯交換合成生物柴油的共溶劑,在優(yōu)化反應(yīng)條件下,脂肪酸甲酯產(chǎn)率可達98%,且減少了副反應(yīng)(如皂化反應(yīng)),使生物柴油能夠直接分離提純.

4.1.2 生物柴油的提純

生物柴油作為一種清潔燃料已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注,而生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量甘油,從而降低柴油品質(zhì).目前已經(jīng)制定了相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn),如ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求甘油和總甘油的含量必須分別小于0.02 wt%和0.24 wt%[46].DESs作為一種低毒性、低成本且具有良好生物相容性的溶劑正被廣泛地研究和應(yīng)用于生物柴油的提純,表4總結(jié)了部分使用DESs提取甘油的研究.

表4 DESs在提取甘油中的應(yīng)用

2007年,Abbott等[47]比較了不同種類、摩爾比的DESs從生物柴油中提取甘油的能力.研究發(fā)現(xiàn)Et NH3Cl/Gly(1 ∶1,mol/mol)和 ClEt-Me3NCl/Gly(1∶1,mol/mol)作為提取溶劑時,生物柴油中甘油的殘余率可從0.15%降到0.00%.并且這一研究成功的證明了DESs能夠從生物柴油中提取甘油,但甘油和鹽類的各自回收值需進一步探索.2009年,Hayyan等[48]研究了棕櫚油生物柴油中甘油分離的技術(shù),研究表明甘油提取速率與DESs與生物柴油的比例及DESs的組成有關(guān),當(dāng)DESs與生物柴油的摩爾比為1∶1 時,萃取率最高可達51.25 wt%.2010 年,Shahbaz等[49]使用ChCl∶乙二醇(1∶2.5)和Ch Cl∶2,2,2-三氟乙酰胺(1∶7.5)組成的DESs提取甘油,配制的DESs與生物柴油摩爾比分別為2.5∶1和3∶1時,能有效地從生物柴油中萃取甘油.2011 年,Shahbaz等[50]研究發(fā)現(xiàn)DES4(三苯基甲基溴化磷/乙二醇(1∶3,mol/mol))和DES8(三苯基甲基溴化磷/三甘醇(1∶4,mol/mol))是降低總甘油含量最有效的溶劑,去除率分別達40%和50%.隨后,Shahbaz等[51]研究了以氯化膽堿和三苯基甲基溴化磷為原料合成了不同類型的DESs,并利用人工智能技術(shù)(基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型,ANN)預(yù)測基于銨鹽和磷鹽的DESs脫除生物柴油中甘油的效果.一方面研究表明基于磷鹽的DESs具有更好的甘油脫除效果,另一方面將模型預(yù)測的甘油脫除量與實驗結(jié)果進行比較,平均絕對偏差為6.46%,表明了ANN模型的可靠性.2013年其又研究了基于非甘油的DESs消除游離甘油和減少總甘油的效果.研究表明,銨鹽-非甘油的DESs均能成功去除基于棕櫚油生物柴油中的甘油[52].2017年,Homan等[53]研究了一種新型低能耗、環(huán)保的生物柴油制造工藝,即使用長鏈醇(丙醇和丁醇)取代甲醇降低傳質(zhì)阻力,從而獲得高純度的脂肪酸丙酯和脂肪酸丁酯.隨后用兩種不同類型的DESs對其進行純化,研究發(fā)現(xiàn)乙二醇基DESs比甘油基DESs提純效率更高.

4.2 在脂肪酶催化油脂改性中的作用

脂肪酶因其具有獨特的結(jié)構(gòu)特點及催化特性,而廣泛的應(yīng)用于油脂改性領(lǐng)域.溶劑的選擇是脂肪酶催化反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一,目前研究表明,有機溶劑具有強毒性、易揮發(fā)的特點;ILs雖具有不易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好、溶劑化能力強的優(yōu)勢,但其毒性較強、生物降解性差;而DESs兼具ILs的優(yōu)點,還具有毒性低、生物降解性好的優(yōu)勢,是一種極具潛力的綠色溶劑.本文將從以下幾個小節(jié)說明DESs對脂肪酶催化反應(yīng)的作用,表5為部分在DESs體系中脂肪酶催化反應(yīng)的研究.

表5 DESs在脂肪酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用

4.2.1 提高脂肪酶的催化活性

2008年,Kalzauskas 等首次報道了在DESs中進行生物催化反應(yīng).盡管DESs中的部分組分單獨存在時會導(dǎo)致酶失活,如10 mol/L 的尿素或5 mol/L的氯化膽堿都會使脂肪酶CALB(Candida antarcticalipase B)失活,并且DESs中包含的鹵化物成分存在于離子液體中時也會導(dǎo)致酶失活.但CALB在ChCl和尿素組成的DESs中能保持較高活性,且在DESs中的穩(wěn)定性是在單獨組分中的20～35倍[54].研究者也表明這種顯著的穩(wěn)定性主要歸因于DESs的氫鍵網(wǎng)絡(luò),它降低了DESs組分對酶的化學(xué)反應(yīng)活性.Gorke等[55]研究發(fā)現(xiàn)與典型的離子液體相比,在DESs中固定化脂肪酶CALB催化酯交換反應(yīng)的初始活性更高,同時研究發(fā)現(xiàn)固定化脂肪酶CALB 在DESs中的氨解反應(yīng)速率比在離子液體中高出5 倍.這一研究進一步證明了DESs在生物催化反應(yīng)中的應(yīng)用潛力.隨后,Durand等[56]以月桂酸乙烯酯酯交換為反應(yīng)模型,選擇不同鏈長的醇為反應(yīng)底物.結(jié)果表明,固定化CALB的粉碎程度是脂肪酶活性的關(guān)鍵參數(shù),一些來自DESs的氫鍵供體組分可以與醇解反應(yīng)競爭,導(dǎo)致副產(chǎn)物的生成并破壞了DESs,但大部分的DESs由于氫鍵網(wǎng)絡(luò)的作用降低了本身的反應(yīng)性.且與有機溶劑相比,在DESs 中醇類的鏈長對CALB的影響較小,對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞性最小,并且保持了其活性.

續(xù)表4

4.2.2 提高脂肪酶的選擇性

DESs作為一種安全、便宜、生物相容性較好的綠色溶劑,相關(guān)研究表明其可有效的提高脂肪酶的選擇性,有助于合成1,3-甘油二酯(1,3-Diacylglycerol,1,3-DAG)及富含多不飽和脂肪酸的功能性油脂.1,3-DAG 是天然存在的食用油脂中的微量成分,其具有減肥、降低餐后血脂、抑制心血管疾病等功能[57].2015 年,Zeng等[58]研究了在DESs中脂肪酶催化甘油與脂肪酸酯化反應(yīng)快速有效合成高純度1,3-DAG 的方法.研究表明酶的選擇性主要取決于季銨鹽的種類,添加ChCl的DESs體系可以提高脂肪酶Novozym 435對1,3-DAG 的選擇性,1 h內(nèi)1,3-DAG 的含量可達42.9 mol%.且隨著ChCl含量的增加,DAG 選擇性和1,3-DAG 選擇性都在逐漸增加.該研究的發(fā)現(xiàn)也為尋找更多在DESs體系下具有獨特位置選擇性的脂肪酶提供了思路.富含n-3多不飽和脂肪酸(n-3 Polyunsaturated fatty acids,n-3 PUFAs)的功能性油脂對人體具有潛在的保健功能,如減少炎癥、心血管疾病、動脈粥樣硬化和癌癥的風(fēng)險,而目前的合成方法面臨合成效率低、操作復(fù)雜、環(huán)境污染等缺點[59,60].2017 年Xu等[61]報道了甘油與n-3 PUFAs在DESs中酯化合成富含n-3 PUFAs的甘油三酯(Triacylglycerol,TAG).與無溶劑體系相比,DESs體系中TAG 的產(chǎn)率提高了1.2倍.在酯化反應(yīng)過程中,DESs對水的吸附有助于反應(yīng)平衡正向進行,從而提高轉(zhuǎn)化效率,在最優(yōu)條件下產(chǎn)率可達55%.2021年,Wang等[62]使用固定化脂肪酶MAS1在DESs體系中催化甘油與n-3 PUFAs的酯化反應(yīng)高效合成n-3 PUFAs-TAG.研究發(fā)現(xiàn)固定化脂肪酶MAS1 對二十碳五烯酸(C20∶5n3,EPA)和二十二碳六烯酸(C22∶6n3,DHA)的選擇性較弱,但在DESs體系中n-3 PUFAs-TAG 含量是無溶劑體系的1.38 倍.有趣的是,固定化脂肪酶MAS1在無溶劑和各種DESs體系中沒有區(qū)域特異性,對1,3-DAG 和1,2-DAG 具有相似的選擇性.研究發(fā)現(xiàn)在DESs體系中的酯化反應(yīng)機理與Xu等[61]的研究結(jié)果一致,因DESs吸收了產(chǎn)物中的水,使反應(yīng)正向進行.目前關(guān)于DESs對脂肪酶位置特異性的研究較少,也是研究者需要研究的方向,為結(jié)構(gòu)脂質(zhì)的制備提供參考.

4.2.3 提高酶促反應(yīng)產(chǎn)率

DESs可有效的提高脂肪酶的活性及選擇性,可作為酶的保護劑應(yīng)用于水解反應(yīng)[63]、酯交換反應(yīng)[64]、氨解反應(yīng)[11]、酯化反應(yīng)[58]等催化反應(yīng)中,且可有效的提高反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率.研究發(fā)現(xiàn)DESs的水分含量對脂肪酶催化反應(yīng)產(chǎn)率有較大影響.例如,Durand等[65]發(fā)現(xiàn)在純的或輕微水合的DESs(2%,v/v)中脂肪酶催化對香豆酸甲酯和阿魏酸甲酯的底物轉(zhuǎn)化率較低,但水分含量達8%時其轉(zhuǎn)化率提高了4倍.Bubalo等[66]以乙酸酐與1-丁醇反應(yīng)生成短鏈乙酸丁酯為反應(yīng)模型,研究發(fā)現(xiàn)使用純的DESs或ILs作為綠色溶劑時酯化產(chǎn)率較低(＜5%,w/w),在DESs中加入水可以大大提高酶的活性和反應(yīng)產(chǎn)率.其中以水含量為5%(w/w)的DES(Ch Cl/EG,1∶2)效果最好,酯化率可達80%.研究表明Ping-Pong Bi-Bi機理可用來描述在DESs與水混合物體系中脂肪酶催化的酯化反應(yīng).在DESs中加入水可提高反應(yīng)產(chǎn)率可能是由于加入的水可以降低粘度、改善傳質(zhì)和保持酶的良好催化活性.2018 年,Hümmer等[67]提出了一個新概念,在薄荷醇和脂肪酸組成的DES中合成薄荷醇脂肪酸酯,研究發(fā)現(xiàn)皺紋假絲酵母脂肪酶在該體系中具有一定催化活性,且其表明在DESs中加入水可提高反應(yīng)產(chǎn)率,這可能是由于酶的界面活化.其次,研究者采用Novozym 435催化沒食子酸丙酯與甲醇在DESs與水的混合體系中酯交換制備沒食子酸甲酯.在相同的反應(yīng)條件下,對比有機溶劑與DESs的(ChCl/Gly)反應(yīng)效果,研究發(fā)現(xiàn)在DESs中具有更高的底物溶解度和產(chǎn)率(提高了6.4%),底物摩爾比是影響轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的最關(guān)鍵參數(shù),而DESs中水含量和酶濃度對水解也具有決定性的影響[68].

DESs作為一種新型綠色溶劑在油脂改性領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,圖3對其在油脂改性領(lǐng)域的應(yīng)用進行了總結(jié).

圖3 DESs在油脂改性領(lǐng)域的應(yīng)用

5 結(jié)論

DESs因其具備低毒性、制備簡單、可設(shè)計性強、可生物降解性和生物相容性好等特點,已逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機溶劑及離子液體成為新一代綠色溶劑.DESs在油脂改性領(lǐng)域已獲得廣泛關(guān)注,本綜述主要從油脂改性的角度論述DESs的特點及作用,其可作為制備生物柴油時的催化劑及反應(yīng)溶劑并且能夠除去其中的副產(chǎn)物甘油,提高產(chǎn)率并簡化反應(yīng)步驟.在脂肪酶催化反應(yīng)中,DESs能夠提高酶的活性和選擇性,從而能夠更加精準(zhǔn)高效的合成結(jié)構(gòu)脂質(zhì).

盡管在油脂改性領(lǐng)域DESs展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力,目前的研究仍需要進一步深入從而使其能夠更好的滿足現(xiàn)實應(yīng)用的需要.如DESs的水分含量對于反應(yīng)體系的粘度、傳質(zhì)速率及脂肪酶的催化活性具有較大影響,需研究者對其進行精準(zhǔn)調(diào)控.目前在脂肪酶催化反應(yīng)中研究較多的DESs體系是氯化膽堿和甘油、氯化膽堿和尿素及添加一定量水分的體系,因此需開發(fā)更多適用于生物催化的DESs體系.