温度诱导虾青素在LCST型离子液体-盐双水相体系中迁移的作用机理研究

In recent years, ionic-liquids (ILs)-based aqueous biphasic systems (ABS) have been emerged as a beneficial and potential separation method, due to their lower viscosity, high biocompatibility, and recyclable property. It is necessary to establish ABS controlled by temperatures resulting from the sensitivity of biomolecules to temperatures. However, the influence of temperature on ABS is very complex, and there are many controversial issues. We first studied a novel LCST (lower critical solution temperature) type ABS composed of IL and salt. The LCST-type ABS proposed by us is very different from the UCST (upper critical solution temperature)-type ABS. Moreover, temperature is closely related to transference of carotenoid such as astaxanthin in the LCST-type ABS. Based on the phase equilibrium separation theory of ABS, this research plans to study the effect of temperature on phase behavior and the distribution coefficient of astaxanthin in the LCST-type ABS. To study the influence mechanism of the transference of astaxanthin in the LCST-type ABS, the salvation effects of the ILs and their miscible abilities with water will be investigated. The research will provide a novel theory for the influence of temperature on IL-based ABS, and is of great significance to design an extract process for carotenoid.

离子液体双水相体系具有黏度低、生物相容性好和可循环利用的优点，在萃取领域展现出显著优势和巨大潜力。多数生物活性分子对温度较敏感，建立温度可控的离子液体双水相萃取体系十分必要。但是，温度影响离子液体双水相情况复杂，始终存在争议。课题组建立了LCST型离子液体-盐双水相体系，填补了目前仅有UCST型离子液体-盐双水相体系的空白。我们研究发现以虾青素为代表的类胡萝卜素在前一种体系中的迁移与温度密切相关。因此，本项目以双水相平衡分离为理论依据，探索LCST型离子液体-盐双水相体系的相行为和虾青素的迁移特性随温度变化而呈现的规律及二者的关联性，明确不同温度下离子液体的溶剂化效应及其与水分子相互溶解性的关键科学问题，揭示温度诱导虾青素在LCST型离子液体-盐双水相体系中迁移的作用机理。研究是从新的角度审视温度对离子液体-盐双水相体系的作用，为含有虾青素等类胡萝卜素的生物资源利用提供重要理论依据。

类胡萝卜素是一类非极性物质，其中虾青素以其突出的抗氧化性和着色能力在饲料、食品、化妆品和医药领域具有极高的经济价值。但是，许多研究仍然局限在以二氯甲烷为代表的有机试剂提取天然虾青素，不仅对环境造成巨大压力，而且严重降低了生产过程中的安全性。本项目基于温度对离子液体-盐双水相体系作用的基础科学问题，采用虾青素作为类胡萝卜素分子模板，以双水相平衡分离和离子液体的可设计性为理论依据，系统研究不同温度下LCST型离子液体-盐双水相体系的相平衡数据、各相关键理化特性、虾青素分配系数和迁移热力学参数，明确温度影响体系相平衡规律和虾青素迁移特性之间的关系，阐明温度诱导虾青素在LCST型离子液体-盐双水相体系中迁移的作用机理。研究发现部分季膦盐离子液体和季铵盐离子液体与无机盐构成的双水相系统不仅受温度影响显著，而且成相能力随温度的升高而增强。该结果与咪唑类离子液体-盐双水相体系的成相能力随温度升高而下降的规律相反。该研究填补了UCST型离子液体-盐双水相体系的空白。虾青素主要迁移到离子液体富集相中。虾青素紫罗酮环上的羟基与离子液体阳离子上的氢原子之间形成氢键作用，其中[P4448]Br-K2HPO4/KH2PO4双水相体系在[P4448]Br质量浓度为0.25 g/g，35 ℃，pH=9时，虾青素分配系数最大。项目研究的6种离子液体的氢键碱性随温度的升高而降低，呈现出线性关系，表明其疏水性随温度升高而增强，因此其双水相体系表现为LCST型相转变特点。离子液体的疏水性随温度变化，进而影响了其与虾青素的相互作用，虾青素的提取率随氢键碱性值的增加而增大，并且呈现线性关系。温度对离子液体微观结构的影响，决定了离子液体宏观性质的变化趋势，进而影响了离子液体双水相对虾青素的萃取规律。本项目构建的离子液体-盐双水相体系提取虾青素比有机溶剂在相同条件下的提取率高，是可以替代有机溶剂的良好萃取体系。该研究从新的角度审视温度对离子液体-盐双水相体系的作用，为含有虾青素的生物资源利用提供重要理论依据。