武汉轻工大学食品科学与工程学院柳鑫教授：烷基咪唑型离子液体在食品领域的应用及安全性研究进展

2023-06-10 21:29:54

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离子液体是一类由有机阳离子（如咪唑、吡啶、季鏻、季铵、吡咯和哌啶等）和无机或有机阴离子组成的室温下呈液态的熔盐。烷基咪唑型离子液体是目前种类最多，应用最为广泛的一类离子液体。近年来的研究发现烷基咪唑型离子液体在粮油食品领域也表现出非凡的应用潜力，如餐饮废油转化利用、淀粉和纤维素改性、活性成分提取与分离、糖酯合成等。然而，烷基咪唑型离子液体的广泛使用将不可避免地会造成在环境中的排放和在食物链甚至食品中的迁移，烷基咪唑型离子液体的安全性也逐渐成为关注的重点。

武汉轻工大学食品科学与工程学院李诗文、柳鑫*结合国内外对烷基咪唑型离子液体的研究现状，简要综述了烷基咪唑型离子液体在食品工业领域应用和其毒理学安全性的研究进展。

1 烷基咪唑型离子液体的性质

离子液体与食品工业相关的应用特性主要体现在极低蒸气压、功能可设计性、良好的溶解性等方面。离子液体还具有良好的功能可设计性。可根据实际需要，将不同的阴/阳离子进行组合，形成性质和功能各异的离子液体。离子液体具有良好的溶解性，与其他溶剂相比，其内部存在相当大的库仑力，正是这种库仑力使其具有很强的极性，并对各种有机、无机和高分子材料具有特殊的溶解能力。

烷基咪唑型离子液体作为一种目前应用最为广泛的离子液体具有区别于其他种类离子液体的独特属性。在3 种不同取代的烷基咪唑型离子液体中，一取代咪唑型离子液体主要为1-甲基咪唑，可由烷基咪唑和酸中和得到，其主要特点为呈酸性、熔点高、热稳定性差，被广泛应用于酸催化反应体系。二取代咪唑型离子液体为1-烷基-3-甲基咪唑（其中烷基可以是甲基、乙基、丙基、丁基、…、十六烷基、十八烷基等），是目前结构类型最多的烷基咪唑型离子液体，主体特点是大部分为室温下熔融态，极性分布宽、热稳定性好，可广泛应用作溶媒、催化剂，也可应用于电化学、分离、添加剂等领域。三取代咪唑型离子液体为1-烷基-2,3-二甲基咪唑（其中烷基有乙基、丁基、己基等），特点是热稳定性优良、熔点高，主要在高温体系或对活泼氢敏感的环境中使用。咪唑型离子液体合成工艺较其他类离子液体简单，因此其成本相对于其他种类的离子液体要低很多。

2 烷基咪唑型离子液体在食品领域的应用

目前，烷基咪唑型离子液体主要作为溶剂、催化剂、萃取剂等在食品工业中进行使用（图2），如食品中活性物质的提取与分离、食品香料合成、淀粉和纤维素改性等。同时有关烷基咪唑型离子液体在食品工业中的应用也有众多研究报道。

烷基咪唑型离子液体在食品分离提纯中的应用

烷基咪唑型离子液体多作为萃取溶剂或提取剂使用，在现代食品领域的天然产物、生物活性物质提取中表现出巨大的应用潜力。例如，利用从咪唑型离子液体提取天然色素、有机酸、功能油脂等。与传统溶剂相比，咪唑型离子液体的使用不仅可以提高提取效率，还可以增加产物的溶解性。此外，咪唑型离子液体还可应用于农业加工残渣中提取蛋白质、纤维素等，实现资源再生化利用。总之，咪唑型离子液体作为分离提纯溶剂具有节能、省时、收率高、无污染等优点。

在过去的10 年中，单纯烷基咪唑型离子液体或烷基咪唑型离子液体与其他溶剂混合用于提高食品工业中天然化合物提取率的报道不断涌现（表1）。同时，与传统离子液体结构相比，烷基咪唑型离子液体在阳离子的1、3位同时引入了烷基基团，使阳离子体积增大、有机性质增强、极性调节范围更宽、对不同极性有机物质的溶解性能提高、亲生物性增加。并且烷基咪唑型离子液体在水中具有较低的溶解度和低的表面张力，应用于食品工业中将会取得更好的效果。烷基咪唑型离子液体表现出的巨大潜力仍然为新提取方法设计、工艺条件优化、最佳溶剂选择提供了更多可能性。

烷基咪唑型离子液体在食品分析中的应用

在食品分析中，烷基咪唑型离子液体可以作为气相色谱柱的固定相、样品前处理萃取溶剂、固相萃取柱的吸附剂等，烷基咪唑型离子液体在食品分析中的应用汇总如表2所示。

在食品分析应用方面，咪唑型离子液体已经显示出了重要的作用。其种类众多，可以通过改变阴阳离子组合满足不同目标分析物的分离富集；并且在分离的过程中条件温和，还有利于保持被分析对象的活性，解决有机溶剂系统对物质分离限制的问题。同时，可回收的烷基咪唑型离子液体能够减少食品分析中的成本消耗，使其在未来食品分析中应用前景广阔，其使用也符合资源节约和绿色可持续发展思路，具有非常重要的意义。

烷基咪唑型离子液体作为溶剂在食品中的应用

在食品领域中，离子液体也可作为溶剂或助溶剂用于多糖、香料、添加剂或其他食品功能成分的合成（表3）。

此外，研究表明咪唑型离子液体与生物化合物之间的相互作用非常复杂，这主要是其阴离子和阳离子组分的变化使得实验选择和可预测性复杂化。因此，为了获得更高的天然化合物的提取得率，需要在不同的提取工艺中对多种离子液体进行测试。

3 基咪唑型离子液体的安全性

烷基咪唑型离子液体日益增加的用量和废水排放将不可避免地造成环境累积、食物链迁移与人群暴露风险，由此形成新兴污染物。鉴于烷基咪唑型离子液体良好的水溶性和液体流动性，其在生产、运输、使用过程中的泄漏和废水排放都很容易造成地表水污染，并可随水流进行水平迁移，造成远距离传输。有研究报道大部分烷基咪唑型离子液体均具有不同程度的生物毒性（图3），但目前大部分研究针对的是不同营养级水生生物或陆生植物，主要考察的是生态毒性效应，而基于哺乳动物实验模型的毒理学数据非常有限。

3.1 烷基咪唑型离子液体生态健康风险

烷基咪唑型离子液体对微生物的影响

通过破坏细胞膜结构，许多烷基咪唑型离子液体显示出较高的抗菌活性。利用这一优势，烷基咪唑型离子液体已被用作新型的杀菌剂、防腐剂、消毒剂和生物膜根除剂。土壤和沉积物上吸附和积累的烷基咪唑型离子液体可能与土壤微生物发生接触，破坏土壤微生物群落结构，降低生物多样性，最终影响土壤生态系统的功能健康。

烷基咪唑型离子液体对微生物毒性作用的一种模式是破坏细胞膜。其可以穿透细胞壁，导致脂质双分子层变形，细胞内容物渗出，最终细胞裂解。细胞膜的损伤取决于离子液体的疏水性。在抑菌和抗真菌活性方面已明确了“烷基链效应”，即具有较长烷基侧链的咪唑型离子液体更容易穿透细胞膜，因而在各种微生物中表现出更明显的细胞毒性。在阳离子侧链上引入含氧基团等官能团可以降低离子液体的细胞毒性，这种现象可以用疏水性的降低来解释。

烷基咪唑型离子液体对藻类及高等植物的影响

目前，已在微藻、大型藻、绿藻、硅藻、普通浮萍和一些农作物中发现了烷基咪唑型离子液体的植物毒性。烷基咪唑型离子液体对藻类和其他植物最明显的影响是抑制生物量增长或种子萌发。在细胞和亚细胞水平，抑制光合性能，如降低叶绿素含量和光合参数，这种抑制是白细胞介素诱导的叶绿体结构损伤的结果。对DNA、脂质和蛋白质的氧化损伤也是已知的烷基咪唑型离子液体的毒性作用机制。咪唑型离子液体导致活性氧簇已在大多数藻类和高等植物中检测到。

一方面，咪唑型离子液体对水生和陆生植物的负面影响可能会对生态系统和人类健康造成威胁，因为离子液体污染的植物，如大米、蔬菜、大麦、萝卜和洋葱是动物和人类的食物来源；另一方面，由于其植物毒性，科学家们开始研究具有除草特性的离子液体除草剂。

烷基咪唑型离子液体对无脊椎动物和水生脊椎动物的影响

无脊椎动物是水生和陆地生态系统中细菌和高等生物之间的桥梁。目前已有研究以水蚤和蚯蚓分别作为水、陆栖环境的模型分析烷基咪唑型离子液体的毒性效应。在暴露于相同烷基咪唑型离子液体的几种水生模型中，水蚤显示出最低的生长抑制率（最敏感），表明其有望作为烷基咪唑型离子液体毒性的初步筛选模型。虽然具有较高疏水性的烷基咪唑型离子液体具有较高的毒性，但在这些无脊椎动物中也发现了“截断效应”。当烷基链长度大于C₁₀时，烷基咪唑型离子液体的毒性开始下降，而不是继续增加。这可能是由于侧链较长的烷基咪唑型离子液体在较高浓度时容易自聚集，从而降低了烷基咪唑型离子液体的生物利用度。

斑马鱼是一种应用广泛的水生脊椎动物模型。研究发现，烷基咪唑型离子液体可引起斑马鱼的发育毒性、致畸性、心脏毒性和肝毒性，还可导致鲢鱼的氧化应激、脾脏/肝脏损伤和免疫毒性。目前的研究主要集中在高剂量烷基咪唑型离子液体在短期内对动物模型的影响，这种情况在水生环境中很少存在。有关低剂量和长期暴露烷基咪唑型离子液体对动物模型的影响需要更多的探索。

3.2 烷基咪唑型离子液体人类健康风险

体外生物大分子作用

乙酰胆碱酯酶（AChE）催化乙酰胆碱水解为胆碱，而胆碱是脊椎动物神经系统中的一种神经递质。因此，离子液体对AChE的抑制作用可能会对神经传递过程和人类神经行为产生各种不良影响。任何杂质的存在，如水、卤化物或离子液体中的共溶剂，都可能影响离子液体的物理化学性质，从而影响酶的稳定性和活性。

体外细胞毒性

来自人类和小鼠的各种细胞系也被用来评估离子液体的毒性作用。据报道，离子液体在一系列癌细胞（如HT-29、HeLa、MCF-7、HepG2和CaCo-2细胞）中均表现出高细胞毒性。毒性终点包括氧化损伤、线粒体功能障碍和细胞凋亡。到目前为止，离子液体诱导的毒性机制包括细胞膜黏弹性和脂质分布的改变、线粒体通透性和功能障碍、细胞氧化应激、跨膜和胞浆蛋白酶功能的改变、信号转导的改变和DNA碎片化。

哺乳动物体内毒性

已经发现烷基咪唑型离子液体可对小鼠的肾脏、肝脏和生殖系统中产生毒性。研究表明，离子液体暴露哺乳动物后广泛分布于肾脏组织，最后随尿液排出，这种代谢规律与性别、种类（雄性F-344大鼠、雌性B6C3F1小鼠）、剂量、暴露途径、暴露次数无关。

最近一项研究报道，溴化1-己基-3-甲基咪唑暴露导致大鼠繁殖能力下降、后代发育异常。这表明在脊椎动物中，烷基咪唑型离子液体可能会引起生殖毒性和跨代效应。

相对于传统的易燃、易挥发性有机溶剂而言，烷基咪唑型离子液体的热稳定、不挥发特性使其在使用过程中已经大幅降低了对生态环境和人类健康的影响。在离子液体的生产和使用过程中，只要加强排放管理，烷基咪唑型离子液体的绿色安全特性还是十分明显的。尽管存在潜在的毒理学安全性问题，但鉴于离子液体结构的可调特性，可以通过正确选择阳离子-阴离子对或通过离子液体混合物的形成，设计出安全、低毒的满足安全标准的物质。此外，与普通添加剂相比，离子液体的某些特性如表面活性剂和溶剂能力以及黏弹性，在食品应用中都得到了改善。在未来的发展中，无限多的天然生物复合物可能被用作阳离子-阴离子对，因此离子液体在食品领域的应用于有着巨大的潜力。

4 结语

烷基咪唑型离子液体具有替代传统挥发性有机溶剂的潜力，在食品领域中虽然表现出了广泛的应用前景，但其对生态系统和人类健康造成的潜在安全风险也不容忽视。目前，已经检测到烷基咪唑型离子液体在环境中释放，未来这种污染会随着烷基咪唑型离子液体在各个领域应用规模的扩大而加剧。部分长链烷基咪唑型离子液体由于化学性质高度稳定，还存在降解难题。再加上烷基咪唑型离子液体的亲水特性，进入环境和食物链中的烷基咪唑型离子液体很容易在水生和陆生环境之间转移，并在不同营养级生物中传递富集。因此，需要对烷基咪唑型离子液体的安全性进行更广泛的研究，进而明确烷基咪唑型离子液体在食品工业中应用的规范性。由于烷基咪唑型离子液体的化学结构具有可设计性，因此开发安全、高效、无毒的环境友好型烷基咪唑型离子液体并应用于食品工业领域也是一项重要的研究方向。

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