离子液体的设计及其在淀粉酯酶法合成中的应用

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淀粉酯酶法合成过程中通常采用二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAC/LiCl)等有机试剂作为溶剂,存在溶剂易挥发、难回收、污染重等问题。基于此,本研究设计合成了替代传统有机溶剂的新型咪唑离子液体—1,3-二取代咪唑醋酸盐([Me(OCH2CH22-Al-Im]Ac和Me(OCH2CH23-Al-Im]Ac),研究了其对淀粉溶解度及脂肪酶酶活的影响,并将其应用于两种长链脂肪酸淀粉酯的酶法合成,以期为酶法合成淀粉酯提供优良的绿色溶剂。以淀粉溶解度和脂肪酶酶活为考察指标,结合市售离子液体物化性质,对8种离子液体的阴阳离子进行筛选。以离子液体中酶法合成的硬脂酸淀粉酯的取代度作为参考,对筛选结果进行验证,筛选出既能溶解淀粉、又能使酶活得到较好保留的阴阳离子。结果表明,在阴离子Cl-、BF4-、PF6-、Ac-、NO3-中,Ac-效果最佳;在咪唑阳离子上引入长烷基链(如离子液体[C6MIm]NO3和[C8MIm]NO3)有助于提高酶活,但同时会因分子量的增加而使离子液体的熔点和粘度增大,从而影响传质,降低淀粉溶解度。基于上述筛选,在咪唑阳离子上同时引入烷氧链和烯丙基(均能有效降低离子液体的熔点和粘度),设计合成了2种新型咪唑醋酸型离子液体([Me(OCH2CH22-Al-Im]Ac和[Me(OCH2CH23-Al-Im]Ac)。采用液质联用(LC-MS)和核磁共振(NMR)技术对合成离子液体进行结构鉴定,并对其物化性质(如:熔点、粘度、热稳定性)进行测定。结果表明,本研究成功合成了新型离子液体[Me(OCH2CH22-Al-Im]Ac和Me(OCH2CH23-Al-Im]Ac,其均为室温离子液体(熔点<-50℃)、热稳定性良好(起始热分解温度>200℃)、粘度低(分别为109.49、93.32 mPa·s,25℃)。研究了淀粉在新型离子液体中的溶解度,采用偏光显微镜对溶解过程进行追踪,并通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、高效尺寸排阻色谱联合多角度激光检测器与示差检测器联用系统(HPSEC-RID-MALLS)、差示扫描量热仪(DSC)等对溶解后淀粉的表观形态、晶型结构、分子量及热学性质进行探究。结果表明:两种新型离子液体均能将淀粉溶解成稳定、澄清透明的均相体系,淀粉在其中的溶解度均达到10.5 wt.%以上(100℃);溶解过程中,玉米淀粉的颗粒结构遭到破坏并发生团聚,偏光十字消失,晶型结构遭到破坏(由A-型结晶变为无定形结构);此外,100℃下玉米淀粉在2种合成离子液体中降解程度低,降解后淀粉的分子量与原淀粉仍维持在一个数量级(107)上,能满足其作为淀粉溶剂的要求。采用荧光光谱法测定了脂肪酶在离子液体中的构象变化,从而研究合成离子液体对脂肪酶催化活性及分子结构的影响。结果表明,两种合成离子液体对脂肪酶构象的改变程度介于离子液体[C4MIm]PF6和C4MIm]NO3之间;离子液体[Me(OCH2CH23-Al-Im]Ac对脂肪酶构象的改变程度小于离子液体[Me(OCH2CH22-Al-Im]Ac。以DMSO为参照,在两种新型离子液体中酶法合成了棕榈酸淀粉酯和硬脂酸淀粉酯,并采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、热重(TGA)等手段对合成的淀粉酯进行结构表征分析以及热稳定性分析。结果表明与DMSO相比,在2种新型离子液体中合成的脂肪酸淀粉酯的取代度(DS)更高,棕榈酸淀粉酯的DS值从0.078(DMSO中)提升至0.089;硬脂酸淀粉酯的DS值从0.067(DMSO中)提升至0.074。选择两种新型离子液体作为反应溶剂,对脂肪酸淀粉酯的酶法合成条件进行优化。首先,在离子液体[Me(OCH2CH22-Al-Im]Ac中酶法合成棕榈酸淀粉酯。其最佳反应条件为:棕榈酸甲酯和AGU的摩尔比为3:1、脂肪酶Novozyme 435添加量为6 wt.%(占淀粉干基)、反应温度为50℃、反应时间为4 h时,棕榈酸淀粉酯的最佳取代度达0.153;然后,在离子液体[Me(OCH2CH23-Al-Im]Ac中也采用酶法合成了硬脂酸淀粉酯,其最佳反应条件为:硬脂酸甲酯和AGU的摩尔比为4:1、脂肪酶Novozyme 435添加量为4 wt.%(占淀粉干基)、反应温度为50℃、反应时间为3 h,此时硬脂酸淀粉酯的最佳取代度达0.138。FT-IR结果表明淀粉羟基上分别成功引入了棕榈酸酯基团和硬脂酸酯基团;SEM结果表明淀粉酯的表观形貌已遭到彻底破坏;XRD结果表明淀粉原有的晶型结构在酯化过程中丧失,且由A-型转为V-型;TGA结果表明,与原淀粉相比,合成的棕榈酸淀粉酯的热稳定性略低,而合成的硬脂酸淀粉酯的热稳定性则较高,且随着取代度的增加,两种脂肪酸淀粉酯的热稳定性均得到提高。对两种新型离子液体进行回收,并将其重复用于淀粉酯的酶法合成。回收实验表明,两种新型离子液体回收利用率高,回收利用4次以后,2种脂肪酸淀粉酯(棕榈酸淀粉酯、硬脂酸淀粉酯)的取代度均能保持0.1以上。
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