离子液体萃取脂肪酸甲酯性能研究

陆向红 黄晨蕾 贾俊乾 聂 勇 计建炳

离子液体萃取脂肪酸甲酯性能研究

陆向红 黄晨蕾 贾俊乾 聂 勇 计建炳

（浙江工业大学化学工程学院，杭州 310014）

以咪唑型离子液体为萃取剂萃取长链脂肪酸甲酯。研究了离子液体阴离子的结构、相比和改性剂对萃取率的影响。［Bmim］Cl，［Bmim］Ac对脂肪酸甲酯有一定的萃取能力，但萃取率远远低于路易斯酸型离子液体［Bmim］Cl－x AlCl3。对于［Bmim］Cl－x AlCl3，萃取率随离子液体中AlCl3比例的增加而增加。离子液体对脂肪酸甲酯的萃取能力与脂肪酸甲酯的分子结构有关，并受相比和改性剂影响。脂肪酸甲酯分子中双键个数越多、碳链长度越短，离子液体与石油醚的体积比越大，萃取率越高，当以x＝1.35的咪唑型氯铝酸盐离子液体为萃取剂，离子液体与石油醚相比为1∶2时，EPA的萃取率可以达到97.23%。萃取体系中加入乙酸乙酯或乙醇，将降低离子液体对脂肪酸甲酯的萃取能力。体系中200μL乙醇，EPA的萃取率由99.06%降低到15.10%。

离子液体 脂肪酸甲酯 萃取

长链脂肪酸因分子中所含的双键个数、碳链长度的不同而形成了一个很大的家族。在这个大家族中，EPA（C20∶5）、DHA （C22∶6）等多不饱和脂肪酸对人体有着重要的生理功能［1］，而棕榈酸（C16∶0）、油酸等饱和或低不饱和脂肪酸是重要的医药和化工原料［2］。长链脂肪酸主要来自于动植物和微生物油脂，以碳链长度12～22，双键个数0～6的混合脂肪酸甘油酯的形式存在。从动植物和微藻油脂中提取高纯度长链脂肪酸具有重要的意义。

传统的分离方法［3］主要有尿素包合法，低温结晶法，银离子络合法，分子蒸馏法，脂肪酶浓缩法，超临界流体萃取法。其中，银离子络合法有较高的分离选择性，但存在AgNO3用量大、费用高、Ag＋在产品中有残留等问题。美国密西西比州立大学的Li等［4－5］以离子液体替代水和甲醇的混合溶液作为银盐的溶剂，可以降低Ag＋在产品中的残留，同时提高萃取效率，降低银盐用量。丹麦奥尔胡斯大学的Ling等［6］利用芳香环上的π电子具有离域性，可以与多不饱和脂肪酸中双键上的π电子形成π－π络合的原理，将咪唑型离子液体直接用于长链多不饱和脂肪酸的分离。Ling等［6］为长链脂肪酸的分离提供了一条新的途径，然而，由于芳香环和不饱和脂肪酸双键间的π－π络合力较弱，萃取率较低。

在Ling等［6］基础上，同时借鉴银离子络合分离原理，用路易斯酸离子液体取代AgNO3用于脂肪酸的分离。路易斯酸是电子接受体，分子中具有空轨道，能与长链脂肪酸的双键π电子对配位络合。比较了路易斯酸离子液体与非路易斯酸离子液体对长链脂肪酸萃取能力的影响，同时考察了相比和改性剂种类的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

VORTEX－5漩涡振荡器：海门市其林贝尔仪器制造有限公司；7890A气相色谱、7890A－5973气质联用仪：Agilent Technologies。

微绿球藻藻油，由Nannochloropsis oculat经培养、采收、提油等过程获得［7］。经GC －MS 定性［7］和GC定量分析［7］，测得其脂肪酸组成为豆蔻酸（C14∶0）4.6%，棕榈酸（C16∶0）35.3%，棕榈油酸（C16∶1）33.4%，硬脂酸（C18∶0）0.92%，油酸（C18∶1）13.3%，亚油酸（C18∶2）0.86%，二十碳四烯酸（C20∶4）2.6%，二十碳五烯酸（EPA，C20∶5）8.9%。

咪唑型离子液体（结构见图1）、路易斯酸性离子液体：河南林州市科能材料科技有限公司；非路易斯酸性离子液体：实验室自制。

图1 咪唑型离子液体的结构式

1.2 离子液体萃取分离脂肪酸甲酯

用离子液体从微绿球藻藻油中萃取分离脂肪酸甲酯前，微绿球藻藻油必须先甲酯化生成藻油甲酯，藻油的甲酯化过程采用酸催化酯化和碱催化酯交换两步法［8－9］。

称取一定量的藻油甲酯，用石油醚溶解配成溶液。用移液枪量取100μL离子液体于2 mL离心管内，再量取一定量的藻油甲酯溶液，盖上盖子，离心管在室温下漩涡震荡10 min，然后在10 000 r／min转速下离心2 min，取石油醚相用气相色谱分析脂肪酸组成。由于石油醚和离子液体的互溶度很小，萃取前后石油醚相体积变化很小，故根据式（1）计算萃取率。

式中：c0和ce分别为萃取前和萃取后石油醚相脂肪酸甲酯浓度。

因为离子液体黏度大、沸点高，离子液体相的溶质不能直接通过GC分析，故通过质量衡算式（2），计算获得离子液体相的溶质浓度ci

式中：Vi和Ve分别为石油醚相体积和萃取相体积。

由于组成原料油的脂肪酸种类较多，参考Ling［6］等的方法，根据式（3）计算离子液体萃取脂肪酸的分配系数D。

不饱和脂肪酸甲酯的分配系数：

EPA的分配系数：

2 结果与讨论

2.1 离子液体结构对萃取效果的影响

以咪唑型离子液体为萃取剂，考察了阴离子种类（Ac－、Cl－、P、Al）对长链脂肪酸甲酯萃取效果的影响，结果见图2。在阳离子相同的条件下，阴离子不同时，萃取效果差别很大。当阴离子为氯离子时，在离子液体用量较大、藻油甲酯浓度较低的情况下，萃取率仍然较低，不同脂肪酸甲酯的萃取率均低于10%；用阴离子为AlCl4－的咪唑型离子液体萃取高浓度的藻油甲酯，各脂肪酸甲酯仍具有较高的萃取率。萃取率随离子液体中AlCl4－的含量的增加而增加。图2结果显示，［Bmim］Cl－x（AlCl3）x＝1.35离子液体萃取效果最好。这些结果说明咪唑型离子液体的阴离子为路易斯酸时，路易斯酸与长链脂肪酸双键π电子对配位络合作用比咪唑环离域电子与长链脂肪酸双键π电子对之间的π－π作用力强得多，在脂肪酸萃取过程中起着主要作用。

从图2中还可以看出，用离子液体萃取长链脂肪酸甲酯时，萃取率不仅与离子液体阴离子种类有关，而且与脂肪酸甲酯的分子结构有关，脂肪酸甲酯的碳链长度和双键个数均会影响萃取率。在双键个数相同时，萃取率随着碳链长度的增加而下降，如C14∶0 ＞C16∶0 ＞C18∶0，以及C16∶1 ＞C18∶1；而当脂肪酸甲酯碳链长度相同时，双键数越多，其萃取率越高，如C16∶0 ＜C16∶1，C18∶0 ＜C18∶1 ＜C18∶2；C20∶4＜C20∶5。双键个数对萃取率的影响主要是因为路易斯酸与长链脂肪酸双键π电子对之间形成的配位络合点的个数随双键个数增加而增加。碳链长度对萃取率的影响说明路易酸离子液体对脂肪酸甲酯的萃取不仅受配位络合的影响，而且与离子液体与长链脂肪酸甲酯间的亲水－疏水作用有关。若要提高碳链相对较长的饱和脂肪酸甲酯的萃取率，可以提高咪唑环上烷基取代基的链长实现。

图2 咪唑型离子液体阴离子种类对脂肪酸甲酯萃取率的影响

咪唑型离子液体阴离子结构对脂肪酸甲酯萃取分配系数和选择性的影响分别见图3和图4。当非路易斯酸离子液体［Bmim］Cl为萃取剂时，所有脂肪酸甲酯的分配系数均低于0.2，从图4中也可以看出，它的选择性比较差。用［Bmim］Cl－x AlCl3为萃取剂，x＝1.05时，所有的脂肪酸甲酯中，EPA分配系数最高能达到1.2，并对EPA有较高的选择性；当x＝1.35时，饱和脂肪酸甲酯的分配系数要远远低于不饱和脂肪酸甲酯，饱和脂肪酸甲酯中以C14∶0的分配系数最高，为11.7，而不饱和脂肪酸甲酯C16∶1能达到82.5，从图4可以看出，以x＝1.35的氯铝酸盐咪唑型离子液体为萃取剂对不饱和脂肪酸有较高的选择性，且对EPA的萃取选择性达到4.75。从选择性看，2种氯铝酸盐咪唑型离子液体均能满足分离萃取EPA的要求，但x＝1.05时，EPA的萃取率仅为71%，远低于x＝1.35时的97%，且对不饱和脂肪酸的选择性要低于x＝1.35时的选择性，综合考虑选择［Bmim］Cl－ x（AlCl3）（x＝1.35）为萃取剂从藻油甲酯中萃取分离不饱和脂肪酸甲酯。

图3 咪唑型离子液体阴离子种类对脂肪酸甲酯分配系数的影响

图4 咪唑型离子液体阴离子种类对脂肪酸甲酯萃取选择性的影响

2.2 离子液体与石油醚比例对萃取率的影响

考察离子液体与石油醚两者之间的相比（体积比）对萃取效果的影响，结果见图5。

图5 石油醚相与离子液体相比对脂肪酸甲酯萃取率和选择性的影响

随着石油醚相体积的增加，离子液体对饱和脂肪酸甲酯的萃取率逐渐降低，当石油醚相与离子液体相体积比从1 增加到4 时，C18∶0，C16∶0 和C14∶0的萃取率分别降低了66.38%，27.64%和17.14%，而不饱和脂肪酸的萃取率基本不变，C20∶5和C16∶1只降低了4.09%和2.38%。这进一步说明，对于不饱和脂肪酸甲酯，离子液体中路易酸与双键离子π电子之间的配位络合作用是萃取的主要动力，而对于饱和脂肪酸甲酯而言，液体与长链脂肪酸甲酯间的亲水－疏水作用在萃取过程中起着更重要作用。从图5中可以看出随着石油醚相体积的增加，不饱和脂肪酸甲酯选择性逐渐增加，可以通过调节相比，调节饱和脂肪酸甲酯和不饱和脂肪酸甲酯之间的萃取选择性。

2.3 改性剂对萃取效果的影响

路易斯酸性位点与π电子对之间的络合作用受周围其他分子的亲电、极性的影响，在离子液体－长链脂肪酸甲酯体系中加入某些化学试剂，将影响路易斯酸离子液体萃取长链脂肪酸甲酯的能力。试验考察了添加乙醇、乙酸乙酯等试剂对离子液体萃取长链脂肪酸甲酯能力的改变情况，结果见图6。结果显示，体系中加入乙酸乙酯和乙醇，将大幅降低离子液体对长链脂肪酸甲酯的萃取率，并且随着用量的增加，萃取率下降。相对于乙酸乙酯，乙醇的影响更大，当乙醇加入量达到100μL，饱和脂肪酸甲酯的萃取率接近0，不饱和脂肪酸甲酯的萃取率下降50%左右。我们推论，加入这2种改性剂不利于离子液体萃取脂肪酸甲酯。因此，在反萃取时，改性剂的加入将有助于从离子液体中选择性的反萃取脂肪酸甲酯。

图6 改性剂对［Bmim］Cl－x（AlCl3）x＝1.35离子液体萃取脂肪酸甲酯萃取率的影响

从表1和表2可以看出，随着改性剂用量的增加，脂肪酸甲酯的分配系数均逐渐降低，当改性剂加入量为200μL时，所有组分的分配系数基本为0，且乙醇改性剂对分配系数的影响更大。从图7可以看出，当改性剂用量为100μL，乙醇为改性剂时，不饱和脂肪酸的选择性比以乙酸乙酯为改性剂时的选择性更高，可以达到30.5。因此，在反萃取时，可以根据产品要求加入适当的改性剂以达到分离效果。

表1 乙醇为改性剂时改性剂用量对脂肪酸甲酯分配系数的影响

表2 乙酸乙酯为改性剂时改性剂用量对脂肪酸甲酯分配系数的影响

图7 2种改性剂条件下对不饱和脂肪酸甲酯选择性的影响

3 结论

研究了路易斯酸性离子液体萃取不饱和脂肪酸甲酯，结果表明离子液体阴离子的结构直接影响萃取效果，路易斯酸性离子液体萃取效果要比非路易斯酸性离子液体好，在萃取过程中，路易斯酸的π键起主导作用，而阳离子虽然有离域的π键，但是作用力很低。且路易斯酸性越强，其萃取能力越好。对于不同的脂肪酸甲酯来说，饱和脂肪酸甲酯的碳链越短越有利于萃取，而对于不饱和脂肪甲酯，其双键数越多，萃取率越高。通过相比的研究可知，物质的极性也会影响脂肪酸甲酯的萃取率，且对饱和的脂肪酸甲酯影响更大，对双键数越多的脂肪酸甲酯，影响越小。

体系中加入改性剂后，离子液体对所有的脂肪酸甲酯的萃取效果都显著下降，并且随着改性剂加入量的增加，萃取率进一步下降。改性剂的加入对萃取率的影响将有助于从离子液体中选择性的反萃取脂肪酸甲酯。

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Extraction Performance of Ionic Liquids for Fatty Acid Methyl Ester

Lu Xianghong Huang Chenlei Jia Junqian Nie Yong Ji Jianbing
（School of Chemical Engineering ，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014）

This paper took imidazole ionic liquids as extraction agent for extraction of long－chain fatty acid methyl ester.It studied the influences of the anion structure of the ionic liquid，phase ratio and modifier on the extraction rate.［Bmim］Cl and［Bmim］Ac have extraction ability for fatty acid methyl ester.The extraction ability was far lower than lewis acidic ionic liquid，such as［Bmim］Cl－x AlCl3.For［Bmim］Cl－x AlCl3，the extraction rate increased with the increase of AlCl3 proportion in the ionic liquid.The extraction ability of ionic liquid for fatty acid methyl ester was related to the molecular structure of fatty acid methyl ester.The fatty acid methyl ester with more double bonds，shorter carbon chain and bigger volume ratio between ionic liquid and petroleum ether have higher extraction rate.When taking x＝1.35 imidazole chlorine aluminate ionic liquid as extraction agent，the phase ratio of ionic liquid to petroleum ether was 1∶2，the extraction rate of EPA could reach 97.23%.When adding ethyl acetate or ethyl alcohol in the extraction system，extraction ability of ionic liquid for fatty acid methyl ester would be reduced.When ethanol was 200μL，the extraction rate of EPA was reduced to 15.10%from 99.06%.

lonic liquid，fatty acid methyl ester，extraction

TQ641

A

1003－0174（2016）07－0094－05

863计划（2014AA022103），浙江省重点创新团队自主设计（2009R50012－11）

2014－11－17

陆向红，女，1971年出生，副教授，生物质能源工程和天然药物提取分离