双离子液体修饰硅胶材料对可可壳萃取液中茶多酚的吸附研究

田明磊，张丹，陈佩，李小满，卢敬昊

1.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023 2.仁荷大学化学工程学院，韩国 仁川 22212

可可豆原产于美洲中部及南部，广泛栽培于全世界的热带地区。 可可豆含有大量油脂和多种可药用的化学成分，被广泛用于制造可可粉、巧克力、发酵营养品等食品[1]。然而在可可豆的处理过程中，可可壳因油脂含量低而被作为废弃物处理。根据最新研究，可可壳中依然含有大量多糖、蛋白质和酚类化合物等活性成分[2],其中最受关注的就是茶多酚。

双离子液体是一种由阳离子和阴离子组成，且室温下呈液态的物质。它具有优良的化学性能，可调节的亲/疏水性，能与多种无机、有机溶剂混溶，因此被广泛用于分析化学、样品制备、有机合成、萃取和分离研究中[15]。双离子液体不仅本身能作为优良的溶剂，同时也常被用于修饰在其他基体材料上(硅胶、高分子等)作为新型吸附剂使用[16-18]。单离子液体修饰材料的吸附性能已经被大量的研究，但双离子液体修饰材料在吸附机理方面的研究仍有待深入。目前还未有双离子液体修饰硅胶材料吸附茶多酚的报道。因此，为了吸附可可壳萃取液中的茶多酚，笔者选用双离子液体修饰硅胶材料作为茶多酚的吸附剂。研究合成了12种双离子液体修饰硅胶材料，在不同温度和质量浓度条件下对吸附量进行分析，旨在从数据上解释双离子液体官能团与茶多酚的吸附机理，为后续的理论研究和材料应用打下基础。

1 试验部分

1.1 试验试剂

硅胶颗粒 (15～31μm)、3-氯丙基三甲氧基硅烷 (98%)、咪唑(99%)、1-甲基咪唑 (99%)、1-乙基咪唑 (98%)、1-丁基咪唑 (98%)、1-己基咪唑 (98%)、1,2-二氯乙烷 (99%)、1,4-二氯丁烷 (98%)、1,6-二氯己烷(99%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司；茶多酚(99%)，美国Sigma-Aldrich公司；HPLC级乙腈和甲醇，上海星可高纯溶剂有限公司；甲苯和三乙胺剂均为天津北联精细化学品开发有限公司产品；试验所用可可壳颗粒采购于本地超市。

1.2 试验仪器

Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo Fisher有限公司)；JSM-7600F扫描电子显微镜(日本JEOL有限公司)；LC3000高效液相色谱仪(北京创新通恒科技有限公司)；C18分析用液相色谱柱(美国Agilent有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 吸附材料的合成

先将硅胶颗粒浸泡在10%的盐酸水溶液中以激活其表面的- -OH基团，24h后用蒸馏水将其洗成pH中性，充分干燥。活化的硅胶颗粒表面修饰过程如图1所示。

图1 双离子液体修饰硅胶材料的合成过程Fig.1 Synthesis process of dual ionic liquid-based silicas

将30g硅胶颗粒、40mL 3-氯丙基三甲氧基硅烷和80mL甲苯在烧瓶中混合均匀后加热至100℃，12h后得到氯化硅胶(Sil@Cl)。随后将30g的Sil@Cl、25g的咪唑、20mL的三乙胺和80mL的甲苯混合后加入烧瓶中加热至100℃，8h后得到咪唑修饰硅胶(Sil@imizadole)。

取3个烧瓶并在每个烧瓶中加入8g的Sil@imizadole和80mL的甲苯，然后分别加入10mL的1,2-二氯乙烷、1,4-二氯丁烷、1,6-二氯己烷。在100℃加热12h后分别得到3种单离子液体修饰硅胶。称取1.5g单离子液体修饰硅胶分别与等摩尔量的咪唑、1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、1-丁基咪唑，在50mL甲苯溶液中加热至80℃，8h后得到12种含有不同官能团的双离子液体修饰硅胶材料(见表1)。

表1 12种双离子液体修饰硅胶材料官能团及对应名称

1.3.2 标准溶液的配制

称取茶多酚溶解于甲醇溶液(体积分数为30%)中配制成质量浓度为1mg/mL的标准溶液。

1.3.3 最大吸附量的测定

称取12种双离子液体修饰硅胶材料各15mg装入试管中，分别与1mL质量浓度为1mg/mL的茶多酚标准溶液混合，室温下振荡6h后取上层清液，过滤、进样分析。

1.3.4 吸附等温线的测定

配制多份4mL质量浓度在0.001～1mg/mL范围的茶多酚标准溶液。称取10mg双离子液体修饰硅胶材料，与不同质量浓度的茶多酚标准溶液在10、20、30、40℃振荡混合，2h后取上层清液，过滤、进样分析。

吸附量计算式如下：

(1)

式中：Qe为材料在平衡时对茶多酚的吸附能力，mg/g；C0和Ce分别为茶多酚的初始质量浓度和吸附平衡后溶液中的残留质量浓度，mg/mL；V为溶液体积，mL；m为吸附剂的质量，g。

1.3.5 吸附材料用于可可壳萃取液茶多酚的吸附

制备可可壳萃取液，将可可壳碾磨成粉末并称取3g，将其放入甲醇溶液(体积分数为30%)中搅拌，4h后取上层清液并由0.22μm过滤膜过滤。

图2 12种双离子液体修饰硅胶材料的FT-IR谱图 Fig.2 FT-IR analysis of 12 dual ionic liquid-based silicas

在离心管中装入5mL萃取液和0.01g吸附剂，设定温度条件下振荡混合，2h后取上层清液，过滤、进样分析。

2 结果与分析

2.1 吸附材料表征

图2为12种双离子液体修饰硅胶材料的FT-IR谱图。普通硅胶材料在波长3433.8cm-1处展示了一个羟基的宽峰，而修饰后的材料该处没有宽峰，说明羟基被其他官能团所取代。修饰后的材料在1568.7cm-1附近出现了新的峰，这是咪唑基团的特称吸收波长，说明咪唑基团被修饰在硅胶材料上。在2936.4cm-1附近出现了吸收峰，这个波长在C- -H烷基基团的吸收波长范围内，因此说明了双离子液体基团被修饰在硅胶材料上。

图3为材料表面修饰前与修饰后的SEM图，从图3能明显看出修饰后材料表面变得粗糙，说明有新的官能团被修饰在表面。通过表征数据，能够证明双离子液体修饰硅胶材料被成功合成。

图3 普通硅胶材料和双离子液体修饰硅胶材料表面的SEM图 Fig.3 SEM analysis of general silica and dual ionic liquid-based silica

2.2 最大吸附量的筛选

从图4中可以看出，Sil@Eim-IL(IL为Bim、Eim、Mim、Im)系列的4种材料对茶多酚的吸附量远高于其他系列，吸附量在57.3mg/g以上。其中Sil@Eim-Eim获得最大吸附量(58.0mg/g)。这是因为根据茶多酚的化学结构，其含有多个极性的羟基基团，与双离子液体官能团之间能形成氢键和 π- -π键。然而双离子液体官能团中碳链越长，所呈现的极性越弱，与茶多酚之间的作用力也越弱。在Sil@Eim-IL系列的4种材料中，2个双离子液体官能团因碳链长短的原因间隔距离不同，而茶多酚具有一定的空间体积，因此Sil@Eim-Eim和Sil@Eim-Bim的吸附量比Sil@Eim-Im和Sil@Eim-Mim的吸附量略高。

图4 12种双离子液体修饰硅胶材料对茶多酚的最大吸附量 Fig.4 The highest adsorption amount of catechin on 12 dual ionic liquid-based silicas

2.3 吸附等温线的研究

吸附等温线能从机理上解释在平衡条件下吸附剂与被吸附物之间的关系。在10、20、30、40℃温度下4种双离子液体修饰硅胶吸附能力随茶多酚质量浓度的变化规律如图5所示。根据茶多酚的结构，羟基能产生强的氢键，- -O- -能产生较弱的氢键，因此双离子液体官能团通过氢键与茶多酚产生强的吸附力。同时茶多酚中的苯环能与双离子液体官能团中的咪唑环产生π- -π作用，进一步加强了相互作用力。然而Sil@Eim-Bim比Sil@Eim-Eim的碳链长，其官能团的极性也随之下降，因此弱化了氢键作用力。由图5中的趋势图可以看出，当温度上升时，吸附量也随之上升。但40℃时的吸附量比30℃时低，是因为温度过高会破坏官能团之间形成的化学键，导致解吸比吸附强，所以30℃为最佳吸附温度。综上所述，Sil@Eim-Eim在30℃对不同质量浓度的茶多酚都有更强的吸附能力。

图5 不同温度下4种双离子液体修饰硅胶材料对茶多酚的吸附能力Fig.5 Adsorption amount of catechin on four dual ionic liquid-based silicas at different temperatures

2.4 Sil@Eim-Eim用于可可壳萃取液中茶多酚的吸附

图6为可可壳萃取液和经Sil@Eim-Eim吸附后液相色谱谱图的对比。谱图中17.4min的峰为可可壳中茶多酚的色谱峰。在30℃吸附2h后，茶多酚的峰消失，说明萃取液中的茶多酚被Sil@Eim-Eim吸附完全。

图6 可可壳萃取液和经Sil@Eim-Eim吸附后的 液相色谱谱图对比Fig.6 Comparison of HPLC chromatogram of cocoa shell extract before and after adsorption by Sil@Eim-Eim

3 结论

1)研究合成了12种双离子液体修饰硅胶吸附材料，通过表征手段，证明了双离子液体官能团被成功修饰在硅胶材料表面。

2)以可可壳萃取液中茶多酚为被吸附物质，通过最大吸附量和吸附等温线的实验，揭示了茶多酚与双离子液体官能团之间以氢键、π- -π键和官能团极性为主要相互作用力进行吸附。最终确定Sil@Eim-Eim在30℃时能获得最大吸附量(58.0mg/g)。

3)可可壳萃取液经Sil@Eim-Eim吸附、液相色谱测定，色谱图数据证明其中的茶多酚被完全吸附。为后续双离子液体官能团在天然产物吸附分离中的应用提供理论基础。