離子液體萃取脂肪酸甲酯性能研究

陸向紅 黃晨蕾 賈俊乾 聶 勇 計建炳

離子液體萃取脂肪酸甲酯性能研究

陸向紅 黃晨蕾 賈俊乾 聶 勇 計建炳

（浙江工業大學化學工程學院，杭州 310014）

以咪唑型離子液體為萃取劑萃取長鏈脂肪酸甲酯。研究了離子液體陰離子的結構、相比和改性劑對萃取率的影響。［Bmim］Cl，［Bmim］Ac對脂肪酸甲酯有一定的萃取能力，但萃取率遠遠低于路易斯酸型離子液體［Bmim］Cl－x AlCl3。對于［Bmim］Cl－x AlCl3，萃取率隨離子液體中AlCl3比例的增加而增加。離子液體對脂肪酸甲酯的萃取能力與脂肪酸甲酯的分子結構有關，并受相比和改性劑影響。脂肪酸甲酯分子中雙鍵個數越多、碳鏈長度越短，離子液體與石油醚的體積比越大，萃取率越高，當以x＝1.35的咪唑型氯鋁酸鹽離子液體為萃取劑，離子液體與石油醚相比為1∶2時，EPA的萃取率可以達到97.23%。萃取體系中加入乙酸乙酯或乙醇，將降低離子液體對脂肪酸甲酯的萃取能力。體系中200μL乙醇，EPA的萃取率由99.06%降低到15.10%。

離子液體 脂肪酸甲酯 萃取

長鏈脂肪酸因分子中所含的雙鍵個數、碳鏈長度的不同而形成了一個很大的家族。在這個大家族中，EPA（C20∶5）、DHA （C22∶6）等多不飽和脂肪酸對人體有著重要的生理功能［1］，而棕櫚酸（C16∶0）、油酸等飽和或低不飽和脂肪酸是重要的醫藥和化工原料［2］。長鏈脂肪酸主要來自于動植物和微生物油脂，以碳鏈長度12～22，雙鍵個數0～6的混合脂肪酸甘油酯的形式存在。從動植物和微藻油脂中提取高純度長鏈脂肪酸具有重要的意義。

傳統的分離方法［3］主要有尿素包合法，低溫結晶法，銀離子絡合法，分子蒸餾法，脂肪酶濃縮法，超臨界流體萃取法。其中，銀離子絡合法有較高的分離選擇性，但存在AgNO3用量大、費用高、Ag＋在產品中有殘留等問題。美國密西西比州立大學的Li等［4－5］以離子液體替代水和甲醇的混合溶液作為銀鹽的溶劑，可以降低Ag＋在產品中的殘留，同時提高萃取效率，降低銀鹽用量。丹麥奧爾胡斯大學的Ling等［6］利用芳香環上的π電子具有離域性，可以與多不飽和脂肪酸中雙鍵上的π電子形成π－π絡合的原理，將咪唑型離子液體直接用于長鏈多不飽和脂肪酸的分離。Ling等［6］為長鏈脂肪酸的分離提供了一條新的途徑，然而，由于芳香環和不飽和脂肪酸雙鍵間的π－π絡合力較弱，萃取率較低。

在Ling等［6］基礎上，同時借鑒銀離子絡合分離原理，用路易斯酸離子液體取代AgNO3用于脂肪酸的分離。路易斯酸是電子接受體，分子中具有空軌道，能與長鏈脂肪酸的雙鍵π電子對配位絡合。比較了路易斯酸離子液體與非路易斯酸離子液體對長鏈脂肪酸萃取能力的影響，同時考察了相比和改性劑種類的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

VORTEX－5漩渦振蕩器：海門市其林貝爾儀器制造有限公司；7890A氣相色譜、7890A－5973氣質聯用儀：Agilent Technologies。

微綠球藻藻油，由Nannochloropsis oculat經培養、采收、提油等過程獲得［7］。經GC －MS 定性［7］和GC定量分析［7］，測得其脂肪酸組成為豆蔻酸（C14∶0）4.6%，棕櫚酸（C16∶0）35.3%，棕櫚油酸（C16∶1）33.4%，硬脂酸（C18∶0）0.92%，油酸（C18∶1）13.3%，亞油酸（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%。

咪唑型離子液體（結構見圖1）、路易斯酸性離子液體：河南林州市科能材料科技有限公司；非路易斯酸性離子液體：實驗室自制。

圖1 咪唑型離子液體的結構式

1.2 離子液體萃取分離脂肪酸甲酯

用離子液體從微綠球藻藻油中萃取分離脂肪酸甲酯前，微綠球藻藻油必須先甲酯化生成藻油甲酯，藻油的甲酯化過程采用酸催化酯化和堿催化酯交換兩步法［8－9］。

稱取一定量的藻油甲酯，用石油醚溶解配成溶液。用移液槍量取100μL離子液體于2 mL離心管內，再量取一定量的藻油甲酯溶液，蓋上蓋子，離心管在室溫下漩渦震蕩10 min，然后在10 000 r／min轉速下離心2 min，取石油醚相用氣相色譜分析脂肪酸組成。由于石油醚和離子液體的互溶度很小，萃取前后石油醚相體積變化很小，故根據式（1）計算萃取率。

式中：c0和ce分別為萃取前和萃取后石油醚相脂肪酸甲酯濃度。

因為離子液體黏度大、沸點高，離子液體相的溶質不能直接通過GC分析，故通過質量衡算式（2），計算獲得離子液體相的溶質濃度ci

式中：Vi和Ve分別為石油醚相體積和萃取相體積。

由于組成原料油的脂肪酸種類較多，參考Ling［6］等的方法，根據式（3）計算離子液體萃取脂肪酸的分配系數D。

不飽和脂肪酸甲酯的分配系數：

EPA的分配系數：

2 結果與討論

2.1 離子液體結構對萃取效果的影響

以咪唑型離子液體為萃取劑，考察了陰離子種類（Ac－、Cl－、P、Al）對長鏈脂肪酸甲酯萃取效果的影響，結果見圖2。在陽離子相同的條件下，陰離子不同時，萃取效果差別很大。當陰離子為氯離子時，在離子液體用量較大、藻油甲酯濃度較低的情況下，萃取率仍然較低，不同脂肪酸甲酯的萃取率均低于10%；用陰離子為AlCl4－的咪唑型離子液體萃取高濃度的藻油甲酯，各脂肪酸甲酯仍具有較高的萃取率。萃取率隨離子液體中AlCl4－的含量的增加而增加。圖2結果顯示，［Bmim］Cl－x（AlCl3）x＝1.35離子液體萃取效果最好。這些結果說明咪唑型離子液體的陰離子為路易斯酸時，路易斯酸與長鏈脂肪酸雙鍵π電子對配位絡合作用比咪唑環離域電子與長鏈脂肪酸雙鍵π電子對之間的π－π作用力強得多，在脂肪酸萃取過程中起著主要作用。

從圖2中還可以看出，用離子液體萃取長鏈脂肪酸甲酯時，萃取率不僅與離子液體陰離子種類有關，而且與脂肪酸甲酯的分子結構有關，脂肪酸甲酯的碳鏈長度和雙鍵個數均會影響萃取率。在雙鍵個數相同時，萃取率隨著碳鏈長度的增加而下降，如C14∶0 ＞C16∶0 ＞C18∶0，以及C16∶1 ＞C18∶1；而當脂肪酸甲酯碳鏈長度相同時，雙鍵數越多，其萃取率越高，如C16∶0 ＜C16∶1，C18∶0 ＜C18∶1 ＜C18∶2；C20∶4＜C20∶5。雙鍵個數對萃取率的影響主要是因為路易斯酸與長鏈脂肪酸雙鍵π電子對之間形成的配位絡合點的個數隨雙鍵個數增加而增加。碳鏈長度對萃取率的影響說明路易酸離子液體對脂肪酸甲酯的萃取不僅受配位絡合的影響，而且與離子液體與長鏈脂肪酸甲酯間的親水－疏水作用有關。若要提高碳鏈相對較長的飽和脂肪酸甲酯的萃取率，可以提高咪唑環上烷基取代基的鏈長實現。

圖2 咪唑型離子液體陰離子種類對脂肪酸甲酯萃取率的影響

咪唑型離子液體陰離子結構對脂肪酸甲酯萃取分配系數和選擇性的影響分別見圖3和圖4。當非路易斯酸離子液體［Bmim］Cl為萃取劑時，所有脂肪酸甲酯的分配系數均低于0.2，從圖4中也可以看出，它的選擇性比較差。用［Bmim］Cl－x AlCl3為萃取劑，x＝1.05時，所有的脂肪酸甲酯中，EPA分配系數最高能達到1.2，并對EPA有較高的選擇性；當x＝1.35時，飽和脂肪酸甲酯的分配系數要遠遠低于不飽和脂肪酸甲酯，飽和脂肪酸甲酯中以C14∶0的分配系數最高，為11.7，而不飽和脂肪酸甲酯C16∶1能達到82.5，從圖4可以看出，以x＝1.35的氯鋁酸鹽咪唑型離子液體為萃取劑對不飽和脂肪酸有較高的選擇性，且對EPA的萃取選擇性達到4.75。從選擇性看，2種氯鋁酸鹽咪唑型離子液體均能滿足分離萃取EPA的要求，但x＝1.05時，EPA的萃取率僅為71%，遠低于x＝1.35時的97%，且對不飽和脂肪酸的選擇性要低于x＝1.35時的選擇性，綜合考慮選擇［Bmim］Cl－ x（AlCl3）（x＝1.35）為萃取劑從藻油甲酯中萃取分離不飽和脂肪酸甲酯。

圖3 咪唑型離子液體陰離子種類對脂肪酸甲酯分配系數的影響

圖4 咪唑型離子液體陰離子種類對脂肪酸甲酯萃取選擇性的影響

2.2 離子液體與石油醚比例對萃取率的影響

考察離子液體與石油醚兩者之間的相比（體積比）對萃取效果的影響，結果見圖5。

圖5 石油醚相與離子液體相比對脂肪酸甲酯萃取率和選擇性的影響

隨著石油醚相體積的增加，離子液體對飽和脂肪酸甲酯的萃取率逐漸降低，當石油醚相與離子液體相體積比從1 增加到4 時，C18∶0，C16∶0 和C14∶0的萃取率分別降低了66.38%，27.64%和17.14%，而不飽和脂肪酸的萃取率基本不變，C20∶5和C16∶1只降低了4.09%和2.38%。這進一步說明，對于不飽和脂肪酸甲酯，離子液體中路易酸與雙鍵離子π電子之間的配位絡合作用是萃取的主要動力，而對于飽和脂肪酸甲酯而言，液體與長鏈脂肪酸甲酯間的親水－疏水作用在萃取過程中起著更重要作用。從圖5中可以看出隨著石油醚相體積的增加，不飽和脂肪酸甲酯選擇性逐漸增加，可以通過調節相比，調節飽和脂肪酸甲酯和不飽和脂肪酸甲酯之間的萃取選擇性。

2.3 改性劑對萃取效果的影響

路易斯酸性位點與π電子對之間的絡合作用受周圍其他分子的親電、極性的影響，在離子液體－長鏈脂肪酸甲酯體系中加入某些化學試劑，將影響路易斯酸離子液體萃取長鏈脂肪酸甲酯的能力。試驗考察了添加乙醇、乙酸乙酯等試劑對離子液體萃取長鏈脂肪酸甲酯能力的改變情況，結果見圖6。結果顯示，體系中加入乙酸乙酯和乙醇，將大幅降低離子液體對長鏈脂肪酸甲酯的萃取率，并且隨著用量的增加，萃取率下降。相對于乙酸乙酯，乙醇的影響更大，當乙醇加入量達到100μL，飽和脂肪酸甲酯的萃取率接近0，不飽和脂肪酸甲酯的萃取率下降50%左右。我們推論，加入這2種改性劑不利于離子液體萃取脂肪酸甲酯。因此，在反萃取時，改性劑的加入將有助于從離子液體中選擇性的反萃取脂肪酸甲酯。

圖6 改性劑對［Bmim］Cl－x（AlCl3）x＝1.35離子液體萃取脂肪酸甲酯萃取率的影響

從表1和表2可以看出，隨著改性劑用量的增加，脂肪酸甲酯的分配系數均逐漸降低，當改性劑加入量為200μL時，所有組分的分配系數基本為0，且乙醇改性劑對分配系數的影響更大。從圖7可以看出，當改性劑用量為100μL，乙醇為改性劑時，不飽和脂肪酸的選擇性比以乙酸乙酯為改性劑時的選擇性更高，可以達到30.5。因此，在反萃取時，可以根據產品要求加入適當的改性劑以達到分離效果。

表1 乙醇為改性劑時改性劑用量對脂肪酸甲酯分配系數的影響

表2 乙酸乙酯為改性劑時改性劑用量對脂肪酸甲酯分配系數的影響

圖7 2種改性劑條件下對不飽和脂肪酸甲酯選擇性的影響

3 結論

研究了路易斯酸性離子液體萃取不飽和脂肪酸甲酯，結果表明離子液體陰離子的結構直接影響萃取效果，路易斯酸性離子液體萃取效果要比非路易斯酸性離子液體好，在萃取過程中，路易斯酸的π鍵起主導作用，而陽離子雖然有離域的π鍵，但是作用力很低。且路易斯酸性越強，其萃取能力越好。對于不同的脂肪酸甲酯來說，飽和脂肪酸甲酯的碳鏈越短越有利于萃取，而對于不飽和脂肪甲酯，其雙鍵數越多，萃取率越高。通過相比的研究可知，物質的極性也會影響脂肪酸甲酯的萃取率，且對飽和的脂肪酸甲酯影響更大，對雙鍵數越多的脂肪酸甲酯，影響越小。

體系中加入改性劑后，離子液體對所有的脂肪酸甲酯的萃取效果都顯著下降，并且隨著改性劑加入量的增加，萃取率進一步下降。改性劑的加入對萃取率的影響將有助于從離子液體中選擇性的反萃取脂肪酸甲酯。

［1］王萍，張銀波，江木蘭.多不飽和脂肪酸的研究進展［J］.中國油脂，2008，33（12）：42 －46

Wang Ping，Zhang Yinbo，Jing Mulan.Research advance in polyunsaturated fatty acid［J］.China Oils and Fats，2008，33（12）：42 －46

［2］陸蠡珠.我國脂肪酸的生產和應用［J］.精細與專用化學品，2007，15（1）：24－28

Lu Lizhu.Production and application of fatty acid in China［J］.Fine and Specialty Chemicals，2007，15（1）：24 －28

［3］張桂梅，何美瑩，姜士寬，等.多不飽和脂肪酸的富集純化方法及研究進展［J］.熱帶農業科技，2008，31（4）：48 －53

Zhang Guimei，He Meiying，Jiang Shikuan，et al.Research progress in enrichment and purification of polyunsaturated fatty acid［J］.Tropical Agricultural Science and Technology，2008，31（4）：48 －53

［4］Li M，Pittman CU，Li T.Extraction of polyunsaturated fatty acid methyl esters by imidazolium－based ionic liquids containing silver tetrafluoroborate—extraction equilibrium studies［J］.Talanta，2009，78（4）：1364 －1370

［5］Li M，Pham PJ，Wang T，et al.Selective extraction and enrichment of polyunsaturated fatty acid methyl esters from fish oil by novelπ － complexing sorbents［J］.Separation and Purification Technology，2009，66（1）：1 －8

［6］Cheong L Z，Guo Z，Yang Z，et al.Extraction and enrichment of n－3 polyunsaturated fatty acids and ethyl esters through reversibleπ－πcomplexation with aromatic rings containing ionic liquids［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59（16）：8961 －8967

［7］竇曉，陸向紅，盧美貞，等.碳源種類及碳氮比對眼點擬微綠球藻生長密度、油脂含量和脂肪酸組成的影響［J］.生物工程學報，2013，29（3）：358 －369

Dou Xiao，Lu Xianghong，Lu Meizhen，et al.Effects of carbon source and concentration on the growth density，lipid accumulation and fatty acid composition of Nannochloropis oculata［J］.Chinese Journal of Biotechnology，2013，29（3）：358－369

［8］周燕君，陸向紅，俞云良，等.水力空化強化高酸值油脂脫酸反應［J］.太陽能學報，2010，31（12）：1532 －1536

Zhou Yanjun，Lu Xianghong，Yu Yunliang，et al.Removing FFA from oil with high acid value by hydrodynamic cavitation［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2010，31（12）：1532 －1536

［9］俞云良，陸向紅，王云，等.水力空化強化高芥酸菜籽油聯產生物柴油和芥酸甲酯［J］.太陽能學報，2011，32（9）：1365－1369

Yu Yunliang，Lu Xianghong，Wang Yun，et al.Study on transesterification of rape oil with high reucic acid to prepare biodiesel and erucicacid methyl ester by hydrodynamic cavitation［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2011，32 （9）：1365－1369.

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計劃（2014AA022103），浙江省重點創新團隊自主設計（2009R50012－11）

2014－11－17

陸向紅，女，1971年出生，副教授，生物質能源工程和天然藥物提取分離