离子液体与葡聚糖组成的双水相体系：从相形成机理到外多糖回收潜力

《Journal of Ionic Liquids》：Aqueous Biphasic Systems Composed of Ionic Liquids and Dextran: From the Understanding of Phase Formation to the Potential of Exopolysaccharide Recovery

　　

离子液体（IL）基双水相体系（ABS）作为分离纯化（生物）分子的有效策略而备受瞩目。将离子液体与盐类、糖类、氨基酸或聚合物联用，可获得具有可调相极性的体系，适用于定制化的液-液萃取。尽管葡聚糖广泛应用于聚合物-聚合物双水相体系，但其与离子液体的组合仍有待深入研究。本研究首次证实离子液体基双水相体系可与葡聚糖形成。通过实验测定了298 K下水、咪唑基离子液体与葡聚糖聚合物组成的三元新相图，系统评估了葡聚糖分子量以及离子液体阳离子/阴离子结构对成相能力的影响。研究人员发现，较高分子量的葡聚糖聚合物含有更多羟基，与水分子相互作用更强，产生更强的析糖效应，从而促进相分离的实现。阳离子/阴离子-水相互作用较弱的离子液体表现出更宽的双相区，且双水相的形成与离子液体阴离子的氢键碱性（β）密切相关。随着葡聚糖浓度的增加，离子液体化学结构的影响逐渐减弱，导致双节曲线重叠，表明相行为主要由聚合物的析糖能力及其与离子液体-水相互作用的竞争所主导。鉴于葡聚糖相对于离子液体/聚合物双水相体系中常用聚醚类化合物具有更高的亲水性，离子液体-葡聚糖相互作用对相图行为的影响微乎其微。最后，通过选择合适的离子液体，可使外多糖（EPS）如葡聚糖在双水相某一共存相中的浓度最大化。该策略使得双水相体系能够直接在富集外多糖的基质（如发酵液）中形成，从而支持外多糖的原位回收。该可行性已通过[C4mim][C1SO4]/葡聚糖40 kDa双水相体系及含20 wt%蔗糖的模拟发酵液得到验证，实现了蔗糖在离子液体富集相（上相）的高浓度因子（K_sucrose ≈ 32）以及葡聚糖在外多糖富集相（下相）的高浓度因子（K_dextran ≈ 0.04）。

## 研究背景与意义

液-液萃取（LLE）技术作为重要的分离手段，在生物基、富水基质中高价值化合物的回收方面面临效率与选择性的双重挑战。传统水/有机溶剂体系因使用挥发性有机化合物而存在毒性、变性风险及环境污染等问题。双水相体系（ABS），又称双水相系统（ATPS），由两种水溶性组分在水中超过临界浓度后形成两个水富集相组成，因其生物相容性好、能保留生物分子天然构象与活性而备受关注。离子液体（IL）作为一类低蒸气压、高热稳定性、可设计性强的绿色溶剂，与无机盐、糖类、氨基酸或聚合物联用形成的离子液体基双水相体系，具有低粘度、快速分相、可调选择性等优势。尽管葡聚糖作为聚合物-聚合物双水相体系的经典成相组分已有广泛应用，但其与离子液体联用形成双水相体系的可能性尚未被探索。本研究首次系统报道了离子液体-葡聚糖-水三元体系的相行为，旨在填补这一研究空白，并为发酵液中外多糖的高效富集回收提供新策略。该论文发表于《Journal of Ionic Liquids》。

## 关键技术方法

本研究采用浊点滴定法在298 K和常压下测定了20组离子液体/葡聚糖/水三元体系的双节曲线（其中[C4mim][C1SO4]与葡聚糖6 kDa的体系未能形成双相）。选用三种不同分子量（6 kDa、40 kDa、100 kDa）的葡聚糖，系统考察了葡聚糖分子量、离子液体阳离子/阴离子烷基链长度、阴离子种类及聚合物浓度对相行为的影响。实验涉及多种咪唑基离子液体，包括[C2mim][CF3SO3]、[C4mim][N(CN)2]、[C4mim][C2SO4]、[C4mim][C1SO4]、[C4mim][C8SO4]、[C4mim][BF4]、[C4mim][TOS]、[C4mim][CF3SO3]及[C6mim][N(CN)2]。为验证外多糖富集应用潜力，研究人员以含20 wt%蔗糖的模拟发酵液为对象，构建了[C4mim][C1SO4]/葡聚糖40 kDa双水相体系，通过3,5-二硝基水杨酸（DNS）法测定蔗糖浓度，乙醇沉淀法结合重量法测定葡聚糖含量，计算了分配系数。

## 研究结果

**葡聚糖分子量的影响**：以[C4mim][CF3SO3]体系为模型，分子量6 kDa < 40 kDa < 100 kDa的葡聚糖依次呈现扩大的双相区。高分子量葡聚糖含更多羟基，水合能力增强，通过强化的析糖效应减少自由水、促使离子液体析出。与聚乙二醇（PEG）、聚丙二醇（PPG）等聚醚类体系不同，葡聚糖的高亲水性使离子液体-聚合物分散相互作用的影响可忽略。

**离子液体阳离子/阴离子烷基链长度的影响**：无论阴离子为何种类型，阳离子烷基链增长（[C2mim]+ < [C4mim]+ < [C6mim]+）均因降低离子水亲和性而扩大双相区；阴离子烷基链增长（[C1SO4]- < [C2SO4]-）效应类似，均通过削弱离子-水相互作用促进析糖。

**离子液体阴离子种类的影响**：阴离子氢键碱性（β）是预测成相能力的关键参数，双相区大小顺序为：[BF4]- (β=0.55) ≈ [CF3SO3]- (β=0.57) > [N(CN)2]- (β=0.64) ≈ [C2SO4]- (β=0.68) > [C1SO4]- (β=0.75)。β值越低，阴离子-水氢键作用越弱，越易被析出。高β值阴离子如[C1SO4]-需配合高分子量葡聚糖方可成相（6 kDa时不成相，40 kDa和100 kDa可成相）。

**聚合物浓度的影响**：低浓度区，离子液体结构差异显著影响相行为；随葡聚糖浓度升高，双节曲线逐渐收敛重叠，尤其40 kDa以上时，聚合物的强析糖效应成为主导因素，离子液体结构影响被削弱。100 kDa体系中，高于0.0025 mol·kg?1时曲线近乎重合。

**外多糖富集应用**：采用[C4mim][C1SO4]/葡聚糖40 kDa体系处理含20 wt%蔗糖的模拟发酵液，实现了蔗糖的高效分配至上相（K_sucrose ≈ 31.73）与葡聚糖的富集于下相（K_dextran ≈ 0.043），证实了原位回收外多糖的可行性。

## 讨论与展望

本研究揭示离子液体/葡聚糖双水相体系的相分离机制主要受聚合物-水和离子-水相互作用驱动，区别于离子液体/聚醚体系中离子液体-聚合物相互作用的关键作用，而与离子液体/糖类体系更为相似。葡聚糖的高亲水性使其析糖效应成为主导，简化了相行为预测与设计。该方法为发酵液中外多糖的原位富集回收提供了可持续的技术路径，有望替代传统高能耗、高污染的分离工艺。然而，实际应用中仍需关注残留杂质、离子液体回收循环利用、设备腐蚀及经济性等挑战，膜技术被认为是有前景的离子液体再生手段。未来研究需进一步验证工艺的长期稳定性与放大可行性。

**研究结论**：本工作首次报道了由咪唑基离子液体、葡聚糖和水组成的离子液体基双水相体系。通过测定三元相图，系统研究了葡聚糖分子量、离子液体阳离子/阴离子结构及聚合物浓度对相行为的影响。较高分子量的葡聚糖因更强的水合能力和析糖效应而促进相分离；离子-水相互作用较弱的离子液体（长烷基链、低氢键碱性阴离子）更易形成双水相。随聚合物浓度增加，离子液体结构影响减弱，双节曲线趋于重叠。总体而言，离子液体/葡聚糖双水相体系的相行为更接近离子液体/糖类体系而非传统离子液体/聚合物体系，主要由聚合物-水和离子-水相互作用主导。该体系在发酵液外多糖富集方面展现出应用潜力，可实现蔗糖向离子液体富集相和葡聚糖向聚合物富集相的同时分配浓缩，为可持续下游加工和生物分子分离提供了有前景的平台。