正交实验优化超临界流体CO2反胶团-络合萃取痕量重金属

乳酸钙是生产药品钙剂和含钙食品的重要原料，在发酵过程中，由于杆菌重金属盐代谢以及其它生产作业，会导致重金属(如铅、砷、汞等)杂质的介入和积累，造成原料乳酸钙中重金属含量增加，使产品色度偏黄，品质下降，难以符合市场要求[1]。因此，清洁无毒分离技术对于脱除食品与医药中重金属有毒元素、保障食品与医药安全显得尤为重要。

超临界流体CO2萃取作为一种新型分离净化技术，具有无毒、无污染的特点，引起了食品、医药界的广泛关注[2]。作为一种非极性物质，CO2用于分离极性物质(特别是重金属离子)存在明显局限，虽然通过加入极性修饰剂可改善其溶解性[3]，但效果不明显。超临界流体CO2络合萃取通过金属与络合剂形成金属络合物，使重金属分离成为可能，如何改善金属络合物在超临界流体中的溶解性能仍是解决问题的关键[4～6]。超临界流体CO2反胶团-络合萃取是利用反胶团物质具有极性与非极性的桥链，连接非极性流体与金属络合物，来萃取样品中的重金属组分[7～9]。

作者在此对超临界流体CO2反胶团-络合萃取痕量重金属的工艺条件[10]进行优化，旨在找出影响痕量重金属萃取的主要因素，获得超临界流体CO2反胶团-络合萃取痕量重金属的最佳工艺条件，为后续动力学研究提供基础，为食品与医药重金属脱除和净化提供参考。

1 实验

1.1 试剂与设备

乳酸钙，天津市福晨化学试剂厂；8-羟基喹啉，天津市博迪化工有限公司；二乙基二硫代氨基甲酸钠，天津市大茂化学试剂厂；反胶团AOT表面活性剂为二辛酯琥珀酸磺酸钠，Johnson Matthey Company；二氧化碳，武汉祥云科技有限公司。

HA121-50-01型超临界萃取装置，江苏南通华安超临界萃取有限公司。

1.2 乳酸钙样品的制备

室温搅拌下，向含砷5.38 μg·g-1、汞3.50 μg·g-1、铅4.61 μg·g-1的100 g乳酸钙样品中加入100 mL质量浓度为9%的络合剂溶液(由二乙基二硫代氨基甲酸钠与8-羟基喹啉按质量比1∶1混合而成)，搅拌均匀至糊状，于80℃下真空干燥2 d，研磨成80～100目的细粉，备用。

1.3 方法

实验装置如图1所示。将上述乳酸钙样品装入洁净布袋，系好，置于萃取罐中密封；不同浓度的AOT-乙醇溶液贮于携带剂罐，由携带剂泵输入；开启加热装置，待体系温度达到一定时，启动计量泵，至萃取釜压力达到一定时，缓开减压阀，稳定体系压力、流量和温度，连续萃取一定时间，按下式计算重金属萃取率(y)。

1. CO2钢贮罐 2. CO2 钢瓶 3. 冷槽 4. CO2 计量泵 5. 携带剂泵 6. 携带剂罐 7. 预热罐 8. 减压阀 9. 恒温水槽 10. 萃取罐 11.阀门 12. 分离罐 13. 转子流量计

式中:c1、c2分别为样品萃取前后重金属含量，μg·g-1。

1.4 分析方法

分析样品的预处理，采用微波消解法进行；铅含量采用原子吸收法测定；砷和汞含量采用原子荧光法测定[8]。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

为了获得超临界流体CO2反胶团-络合萃取痕量重金属的最佳工艺条件，在单因素实验基础上，以萃取压力、AOT浓度、萃取温度、萃取时间为影响因素，以重金属萃取率为考察指标，以乳酸钙剂为原料进行L9(43)正交实验，其因素与水平见表1，结果与分析见表2、表3。

表1 正交实验因素与水平

由表3可以看出，各因素对3种重金属萃取率的影响大小顺序各不相同，分别为：铅 A>D>C>B,汞 A>C>B>D,砷 A>D>B>C,但萃取压力对3种重金属萃取率影响均最大，其次为萃取时间、萃取温度，AOT浓度影响最小。3种重金属的最优萃取条件分别为：铅 A2B3C2D2,汞 A2B1C3D3,砷 A2B2C3D3。

2.2 方差分析

在直观分析的基础上，对表2中的数据进行方差分析，结果如表4所示。

表2 正交实验结果

表3 正交实验分析

表4 方差分析

由表4可以看出，萃取压力表现非常显著，其次为萃取时间，萃取温度影响较弱，最不显著的是AOT浓度，方差分析结果与直观分析结果一致。

综合直观分析和方差分析，各因素对3种重金属萃取率的影响主次顺序为：萃取压力>萃取时间>萃取温度>AOT浓度。最佳的萃取方案为萃取压力20 MPa、萃取时间90 min、萃取温度45℃、AOT浓度0.1 mol·L-1。

2.3 验证实验

在最佳萃取条件下进行验证实验，重复3次，结果见表5。

表5 验证实验结果/%

由表5可知，在萃取压力为20 MPa、萃取时间为90 min、萃取温度为45℃,AOT浓度为0.1 mol·L-1的最佳条件下，铅、汞、砷的平均萃取率分别为93.50%、95.36%、90.47%。

2.4 对比实验

采用相同批次乳酸钙样品，在萃取压力为20 MPa、萃取温度为45℃和萃取时间为90 min的条件下，将超临界流体CO2络合萃取、超临界流体CO2反胶团萃取与超临界流体CO2反胶团-络合萃取对重金属萃取率的影响进行了对比，结果如表6所示。

表6 不同超临界流体CO2萃取方法对重金属萃取率的比较/%

由表6可知，超临界流体CO2反胶团-络合萃取的效果明显优于超临界流体CO2络合萃取和超临界流体CO2反胶团萃取，进一步证明反胶团的加入增强了重金属络合物与超临界流体CO2间的结合力，改善了重金属络合物的溶解性能，从而提高了重金属的萃取率。

3 结论

(1)采用超临界流体CO2反胶团-络合萃取乳酸钙中痕量重金属铅、汞、砷，确定最佳工艺条件为：萃取压力20 MPa、萃取时间90 min、萃取温度45℃、AOT浓度0.1 mol·L-1，铅、汞、砷的萃取率分别达到93.50%、95.36%、90.47%。

(2)反胶团具有连接重金属络合物与超临界流体CO2的作用，明显提高了重金属的萃取率。

(3)超临界流体CO2反胶团-络合萃取是超临界脱除重金属杂质的新技术，在食品与医药样品的重金属分离中有着独特的优点。

参考文献：

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[8] 陈少欣, 林文銮. 反胶团提取脂肪酶动力学研究:(Ⅱ)反萃取过程[J]. 华侨大学学报(自然科学版), 1999, 20(2): 182-185.

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[10] 丁一刚, 黄海涛, 田志高. 超临界CO2中络合-反胶团萃取痕量重金属的研究[J]. 襄樊学院学报, 2009, 30(5): 5-9.