反膠束萃取法在分析植物油中鉀鈉離子的應用

彭英，張夢琴，羅丹丹，馮含宇，邱會東*

重慶科技學院化學化工學院（重慶 401331）

鉀、鈉是維持人體體液平衡并參與神經信息傳遞的必需微量電解質元素，是通過食物攝取而引入人體的[1]，在許多預包裝食物袋標示的營養成分表中為常見的2種金屬元素成分。然而，在常見食用植物油的營養成分表中鉀、鈉元素標示量及營養素參考值常標示為0[2]，這與現行食用植物油的金屬元素國家標準檢測方法和食用植物油中金屬元素實際含量均有一定影響。

在食用植物油中微量金屬元素分析方法中樣品前處理技術尤為重要，當前多為酸化消解法[3-4]、干法灰化法[5-7]、濁點微萃取法[8]等，上述一些方法中可能會使用大量的酸消解處理，加之待分析無機元素成分含量相對較低，易導致待測液背景值偏高，樣品前處理周期較長（5 h以上，甚至放置過夜），樣品前處理時取樣量又較少（約1 g），以至于分離出的待測液中金屬離子濃度可能低于分析方法檢出限，給鉀、鈉等無機金屬元素的分析工作帶來諸多不便。試驗根據從非極性物質為主體的介質中分離微量極性組分，結合傳統液液萃取及反膠束萃取技術的優點，提出利用反膠束萃取體系[9-11]提取分離富集食用植物油中的鉀、鈉元素，建立一種食用植物油中無機金屬元素的快速分離及分析檢測方法，為食用植物油中金屬元素分析及其營養成分評價提供一定技術支撐。

1 試驗部分

1.1 主要試劑與儀器

超聲波提取儀（SY-360，上海寧商超聲儀器有限公司）；原子吸收分光光度計（TAS-990A，北京普析通用儀器有限責任公司）；2-噻吩甲酰三氟丙酮（純度≥98%，上海麥克林生化科技有限公司）；18-冠醚-6（純度≥99%，上海麥克林生化科技有限公司）；15-冠醚-5（純度≥97%，上海麥克林生化科技有限公司）；硝基苯（分析純）、氨水（分析純）、氯化銨（分析純）、正辛醇（分析純）、鉀（鈉）離子標準溶液。

1.2 反膠束萃取液配制

稱取一定量的螯合劑18-冠醚-6（濃度為7 mmol/L）和20 mL分散劑正辛醇溶于100 mL容量瓶中，并用硝基苯溶劑定容。即配制完成用于萃取鉀、鈉元素的反膠束萃取液。

1.3 反膠束萃取試驗方法

準確移取15 mL的食用植物油于125 mL分液漏斗中，加入6.0 mL反膠束萃取液，加入氨-氯化氨緩沖溶液調節提取液pH為9.0，置于超聲波提取儀并設置超聲波頻率40 kHz，在室溫條件下超聲提取10 min，靜置，待分層后，取出反膠束層。然后加入20 mL的去離子水，在轉速200 r/min的恒溫搖床中振蕩25 min后，置于分液漏斗中靜置，待分層后再定量反萃取2次，合并水相層，并用濾頭將水相進行過濾備用，取濾液測定金屬鉀、鈉元素含量。

1.4 植物油中鉀、鈉元素含量及反膠束萃取率計算

用火焰原子吸收分光光度計測定反膠束萃取液中金屬元素，取平行測定3次的平均值計算鉀、鈉元素濃度，計算公式如式（1）所示；以國家標準方法（GB 5009.91—2017）測定植物油中鉀、鈉元素含量為參考標準值，建立的反膠束萃取法測定的鉀、鈉元素含量為測量值，計算反膠束萃取法萃取鉀、鈉元素的萃取率，計算公式如式（2）所示。

2 結果與討論

2.1 反膠束萃取液中金屬元素螯合劑種類的選擇

選擇性萃取分離非極性基體油脂中的有機金屬化合物，需選擇能與鉀、鈉元素有較強的配位作用螯合劑，且該螯合劑同時具備既能在非極性疏水介質中有一定溶解度，又能溶解在極性親水性介質，所以試驗選取了具有雙親性特性的冠醚類螯合劑[12]。試驗考察了噻吩甲酰三氟丙酮（TTA）、18-冠醚-6、15-冠醚-5等3種螯合劑，按照反膠束萃取液配制方法配制螯合劑濃度為5 mmol/L的反膠束萃取液，按照萃取分離植物油中鉀、鈉的分離分析方法進行試驗，試驗結果如圖1所示。

從圖1可以看出，對鈉離子萃取效果，18-冠醚-6與15-冠醚-5萃取效果相當，且萃取效果均優于TTA；對于鉀離子的萃取，18-冠醚-6的萃取效果明顯優于15-冠醚-5和TTA。由于不同冠醚的空穴直徑大小有一定差異性，18-冠醚-6空穴直徑稍大于15-冠醚-5，以及鈉、鉀離子的直徑與18-冠醚-6的空穴直徑相當且能發生較強的螯合作用。綜合比較，選取18-冠醚-6作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的螯合劑。

圖1 不同螯合劑對植物油萃出液中鉀、鈉元素的影響

2.2 反膠束溶液螯合劑濃度的選擇

在反膠束萃取過程中反膠束數量多少與螯合劑濃度大小有一定相關性，試驗分別配制濃度為2，5，7和9 mmol/L的18-冠醚-6/硝基苯/正辛醇的反膠束溶液，考察它們對反膠束萃取的影響，并按照萃取分離植物油中鉀、鈉離子分離分析方法進行試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同濃度反膠束溶液條件反膠束萃取鉀、鈉離子的影響

通過試驗發現：隨著18-冠醚-6濃度的增加，萃取率呈逐漸增大趨勢，且所萃取出的鈉離子的含量比鉀離子高；當18-冠醚-6的濃度增大至7 mmol/L時植物油中的鉀、鈉離子萃取率達到最大。18-冠醚-6的濃度較低時，溶液中的反膠束形成數目隨著18-冠醚-6濃度的增大而增多，增溶螯合鉀、鈉離子的能力隨之增強；而當18-冠醚-6的濃度達到一定（7 mmol/L）后，在體系水分濃度基本不變的條件下，隨著18-冠醚-6濃度的增大，水的含量變小，萃取率增大不明顯甚至減少，可能由于溶液中反膠束內核尺寸變小，萃取率下降以至達到平衡。綜合比較，選取18-冠醚-6反膠束溶液濃度7 mmol/L作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳反膠束溶液濃度。

2.3 反膠束溶液用量的選擇

為保證植物油中鉀、鈉金屬離子全部轉移到反膠束溶液中，反膠束溶液用量要合適且不可過多。試驗分別考察了3，4，5和6 mL反膠束溶液對萃取鉀、鈉離子影響，并按照萃取分離植物油中鉀、鈉離子分離方法進行試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 反膠束溶液的不同用量對萃取植物油中鉀、鈉離子的影響

從圖3可以看出，隨著反膠束溶液用量的增大，萃取出的植物油中鉀、鈉離子的含量呈上升趨勢，且所萃取出的鈉離子的含量較鉀離子高。反膠束用量過少，所形成的反膠束數目也少，鉀、鈉離子可能并未完全增溶進入，不能最大量被萃取出來；反膠束用量過多，則會導致反膠束數量增多，造成鉀、鈉離子增溶困難，且對試劑也是一種浪費。綜合比較，選取6.00 mL反膠束溶液作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳反膠束溶液用量。

2.4 反膠束萃取溶液pH的選擇

在以非極性基體物質萃取極性金屬元素時，萃取液的pH對金屬元素的相轉移、在兩相中溶解度及分離效果有較大影響[13]。試驗考察了pH為8.0，9.0，10.0和11.0的反膠束萃取溶液體系，并按照萃取分離植物油中鉀、鈉離子分離分析方法進行試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同pH條件對植物油反膠束萃取液萃取鉀、鈉離子的影響

通過萃取和反萃取的試驗現象發現：pH 8時萃取和反萃取分層速度較快，隨著pH的增加，分層速度逐漸變慢；當pH 11時，基本上未分層且水相渾濁；當pH 9時，該試驗條件下的鉀、鈉離子萃取率均達到最大值，且萃取出的鈉離子的含量比鉀離子高。說明在pH較小時，鉀、鈉離子與18-冠醚-6的配位作用力弱，萃取率偏小；且pH過大時體系容易產生乳化，有機相與水相不易分開，無法實現萃取分離效果。在pH 9條件下鉀、鈉離子在反膠束中的濃度大于在植物油和水相中的濃度，反萃取時鉀、鈉離子不斷從反膠束中遷移進入水相，使得鉀、鈉離子最大量地被萃取到水相中。故選取pH 9作為試驗反膠束溶液的最佳pH。

2.5 緩沖溶液用量的選擇

在反膠束萃取過程中，緩沖溶液用量影響反膠束溶液的離子強度，進而也影響金屬離子在不同相態的萃取分離速度[14]。在萃取時分別考察了1～6 mL（間隔體積為1 mL）不同用量的緩存溶液對反膠束萃取的影響，并按照萃取分離植物油中鉀、鈉離子分離分析方法進行試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同用量緩沖溶液對反膠束萃取鉀、鈉離子的影響

從圖5可以看出，隨著緩沖溶液用量的增加，鉀、鈉離子的萃取率也增大，且所萃取出的鈉離子的含量比鉀離子高。可能因為加大緩沖溶液用量一方面促使體系中離子強度增加，形成的反膠束體積增大，數量減少；且反膠束集團內外離子濃度相差大，形成了傳質推動力，使鉀、鈉離子更高效地進入反膠束中；另一方面體系中水的含量也增大，所形成的反膠束內核尺寸變大，能有更大的空間與離子相結合，提高對鉀、鈉離子的萃取率；達到5～6 mL范圍時鉀、鈉離子萃取效率趨于穩定。綜合比較，選取緩沖溶液5 mL作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳緩沖溶液用量。

2.6 超聲波輔助萃取時間的選擇

為加快反膠束萃取速度，可利用超聲波的定向傳播及超強的穿透能力，加速反膠束與目標離子的作用[15]。試驗分別考察了5，10，20和30 min不同超聲輔助萃取時間對萃取分離鉀、鈉離子的影響，試驗結果如圖6所示。

通過試驗發現：隨著超聲時間的增加，鉀、鈉離子的含量變化趨勢基本一致，均在10 min時所萃取出的含量最大，且鈉離子的含量比鉀離子高。在超聲10 min之后的鉀、鈉離子的溶解基本達到飽和，且隨著超聲時間的延長，體系中會出現一定程度的乳化現象，導致分層不明顯，無法完全萃取分離。故選取超聲輔助萃取10 min作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳超聲輔助萃取時間。

圖6 不同超聲萃取時間對萃取植物油中鉀、鈉離子的影響

2.7 超聲波頻率對反膠束萃取的選擇

超聲波頻率是影響待分離成分萃取效率的主要因素，按照萃取試驗方法分別考察了30，40，50和60 kHz等不同頻率對鉀、鈉離子萃取分離的效果，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同超聲萃取頻率對萃取植物油中鉀、鈉離子的影響

從圖7可以看出，隨著超聲頻率的增加，鉀、鈉離子的萃取率變化趨勢基本相同，且在40 kHz時萃取率最大，而后減小至基本趨于平緩，且所萃取出的鈉離子的含量較鉀離子高。由于超聲的空化效應和機械效應會增大水油兩相界面間的湍動，同時空化產生的微射流加速油脂的運動，其中金屬離子也隨之加速擴散，更好地增溶進入水相，提高萃取率[16]。但當反膠束與溶解的鉀、鈉離子達到飽和后，振動頻率的增加會使體系產生乳化。故選取40 kHz作為試驗萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳超聲振動頻率。

2.8 樣品測定

按照國家標準方法及所建立的反膠束萃取分析方法，分別對市售常見的花生油和大豆油2種植物油中鉀、鈉離子進行檢測；以國家標準法測定結果為參考標準值，并計算反膠束萃取分離分析方法對不同種類植物油種鉀、鈉的萃取效率，試驗結果如表1和表2所示。

表1 不同植物油樣品經國標法和反膠束萃取處理后鉀離子的含量

表2 不同植物油樣品經國標法和反膠束萃取處理后鈉離子的含量

通過表1和表2可知，不同植物油中同一種離子的含量基本相當，且不同植物油中鈉離子的含量普遍比鉀離子含量偏高；反膠束溶液萃取植物油中鉀離子優于萃取鈉離子的效果，由于反膠束萃取法中取樣量大及萃取反應過程較復雜，導致反膠束萃取效率偏低，但通過對反膠束萃取條件優化，可進一步提高萃取效率。

3 結論

試驗采用反膠束萃取法對植物油中鉀、鈉元素進行富集濃縮處理，并通過火焰原子吸收光譜法對其含量進行測定，從而建立了一種快速分離富集及分析檢測的方法，為快速分析植物油中鉀鈉離子的含量提供了一種有效途徑。