正交實驗優化超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取痕量重金屬

乳酸鈣是生產藥品鈣劑和含鈣食品的重要原料，在發酵過程中，由于桿菌重金屬鹽代謝以及其它生產作業，會導致重金屬(如鉛、砷、汞等)雜質的介入和積累，造成原料乳酸鈣中重金屬含量增加，使產品色度偏黃，品質下降，難以符合市場要求[1]。因此，清潔無毒分離技術對于脫除食品與醫藥中重金屬有毒元素、保障食品與醫藥安全顯得尤為重要。

超臨界流體CO2萃取作為一種新型分離凈化技術，具有無毒、無污染的特點，引起了食品、醫藥界的廣泛關注[2]。作為一種非極性物質，CO2用于分離極性物質(特別是重金屬離子)存在明顯局限，雖然通過加入極性修飾劑可改善其溶解性[3]，但效果不明顯。超臨界流體CO2絡合萃取通過金屬與絡合劑形成金屬絡合物，使重金屬分離成為可能，如何改善金屬絡合物在超臨界流體中的溶解性能仍是解決問題的關鍵[4～6]。超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取是利用反膠團物質具有極性與非極性的橋鏈，連接非極性流體與金屬絡合物，來萃取樣品中的重金屬組分[7～9]。

作者在此對超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取痕量重金屬的工藝條件[10]進行優化，旨在找出影響痕量重金屬萃取的主要因素，獲得超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取痕量重金屬的最佳工藝條件，為后續動力學研究提供基礎，為食品與醫藥重金屬脫除和凈化提供參考。

1 實驗

1.1 試劑與設備

乳酸鈣，天津市福晨化學試劑廠；8-羥基喹啉，天津市博迪化工有限公司；二乙基二硫代氨基甲酸鈉，天津市大茂化學試劑廠；反膠團AOT表面活性劑為二辛酯琥珀酸磺酸鈉，Johnson Matthey Company；二氧化碳，武漢祥云科技有限公司。

HA121-50-01型超臨界萃取裝置，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司。

1.2 乳酸鈣樣品的制備

室溫攪拌下，向含砷5.38 μg·g-1、汞3.50 μg·g-1、鉛4.61 μg·g-1的100 g乳酸鈣樣品中加入100 mL質量濃度為9%的絡合劑溶液(由二乙基二硫代氨基甲酸鈉與8-羥基喹啉按質量比1∶1混合而成)，攪拌均勻至糊狀，于80℃下真空干燥2 d，研磨成80～100目的細粉，備用。

1.3 方法

實驗裝置如圖1所示。將上述乳酸鈣樣品裝入潔凈布袋，系好，置于萃取罐中密封；不同濃度的AOT-乙醇溶液貯于攜帶劑罐，由攜帶劑泵輸入；開啟加熱裝置，待體系溫度達到一定時，啟動計量泵，至萃取釜壓力達到一定時，緩開減壓閥，穩定體系壓力、流量和溫度，連續萃取一定時間，按下式計算重金屬萃取率(y)。

1. CO2鋼貯罐 2. CO2 鋼瓶 3. 冷槽 4. CO2 計量泵 5. 攜帶劑泵 6. 攜帶劑罐 7. 預熱罐 8. 減壓閥 9. 恒溫水槽 10. 萃取罐 11.閥門 12. 分離罐 13. 轉子流量計

式中:c1、c2分別為樣品萃取前后重金屬含量，μg·g-1。

1.4 分析方法

分析樣品的預處理，采用微波消解法進行；鉛含量采用原子吸收法測定；砷和汞含量采用原子熒光法測定[8]。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

為了獲得超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取痕量重金屬的最佳工藝條件，在單因素實驗基礎上，以萃取壓力、AOT濃度、萃取溫度、萃取時間為影響因素，以重金屬萃取率為考察指標，以乳酸鈣劑為原料進行L9(43)正交實驗，其因素與水平見表1，結果與分析見表2、表3。

表1 正交實驗因素與水平

由表3可以看出，各因素對3種重金屬萃取率的影響大小順序各不相同，分別為：鉛 A>D>C>B,汞 A>C>B>D,砷 A>D>B>C,但萃取壓力對3種重金屬萃取率影響均最大，其次為萃取時間、萃取溫度，AOT濃度影響最小。3種重金屬的最優萃取條件分別為：鉛 A2B3C2D2,汞 A2B1C3D3,砷 A2B2C3D3。

2.2 方差分析

在直觀分析的基礎上，對表2中的數據進行方差分析，結果如表4所示。

表2 正交實驗結果

表3 正交實驗分析

表4 方差分析

由表4可以看出，萃取壓力表現非常顯著，其次為萃取時間，萃取溫度影響較弱，最不顯著的是AOT濃度，方差分析結果與直觀分析結果一致。

綜合直觀分析和方差分析，各因素對3種重金屬萃取率的影響主次順序為：萃取壓力>萃取時間>萃取溫度>AOT濃度。最佳的萃取方案為萃取壓力20 MPa、萃取時間90 min、萃取溫度45℃、AOT濃度0.1 mol·L-1。

2.3 驗證實驗

在最佳萃取條件下進行驗證實驗，重復3次，結果見表5。

表5 驗證實驗結果/%

由表5可知，在萃取壓力為20 MPa、萃取時間為90 min、萃取溫度為45℃,AOT濃度為0.1 mol·L-1的最佳條件下，鉛、汞、砷的平均萃取率分別為93.50%、95.36%、90.47%。

2.4 對比實驗

采用相同批次乳酸鈣樣品，在萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為45℃和萃取時間為90 min的條件下，將超臨界流體CO2絡合萃取、超臨界流體CO2反膠團萃取與超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取對重金屬萃取率的影響進行了對比，結果如表6所示。

表6 不同超臨界流體CO2萃取方法對重金屬萃取率的比較/%

由表6可知，超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取的效果明顯優于超臨界流體CO2絡合萃取和超臨界流體CO2反膠團萃取，進一步證明反膠團的加入增強了重金屬絡合物與超臨界流體CO2間的結合力，改善了重金屬絡合物的溶解性能，從而提高了重金屬的萃取率。

3 結論

(1)采用超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取乳酸鈣中痕量重金屬鉛、汞、砷，確定最佳工藝條件為：萃取壓力20 MPa、萃取時間90 min、萃取溫度45℃、AOT濃度0.1 mol·L-1，鉛、汞、砷的萃取率分別達到93.50%、95.36%、90.47%。

(2)反膠團具有連接重金屬絡合物與超臨界流體CO2的作用，明顯提高了重金屬的萃取率。

(3)超臨界流體CO2反膠團-絡合萃取是超臨界脫除重金屬雜質的新技術，在食品與醫藥樣品的重金屬分離中有著獨特的優點。

參考文獻：

[1] 王博彥,金其榮. 發酵有機酸生產與應用手冊[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2000：23-37.

[2] 廖傳華, 黃振仁. 超臨界CO2流體萃取技術——工藝開發及其應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004：10-18.

[3] Guclu-Ustundag Ozlem,Temelli Feral.Solubility behavior of ternary systems of lipids,cosolvents and supercritical carbon dioxide and processing aspects[J]. Journal of Supercritical Fluids, 2005, 36(1):1-15.

[4] 周春平, 丁一剛, 丁曉娟, 等. 超臨界CO2絡合萃取乳酸鈣中痕量重金屬離子的研究[J]. 化學與生物工程, 2007, 24(3):31-33, 43.

[5] 崔洪友, 王濤, 關艷芬,等. 重金屬的超臨界絡合萃取動力學[J]. 化工學報, 2001, 52(9): 829-833.

[6] Kersch C， Woerlee G F， Witkamp G J. Supercritical fluid extraction of heavy metals from fly ash[J]. Industral & Engineering Chemistry Research, 2004, 43(1): 190-196.

[7] 陳少欣, 林文鑾. 反膠團提取脂肪酶動力學研究：(Ⅰ)萃取過程[J]. 華僑大學學報(自然科學版), 1999, 20(1): 89-94.

[8] 陳少欣, 林文鑾. 反膠團提取脂肪酶動力學研究:(Ⅱ)反萃取過程[J]. 華僑大學學報(自然科學版), 1999, 20(2): 182-185.

[9] 楊靜, 李淑芬. 反膠團在超臨界CO2萃取中的應用[J]. 化學工業與工程, 2003, 20(6): 476-480.

[10] 丁一剛, 黃海濤, 田志高. 超臨界CO2中絡合-反膠團萃取痕量重金屬的研究[J]. 襄樊學院學報, 2009, 30(5): 5-9.