乳酸鈣是生產(chǎn)藥品鈣劑和含鈣食品的重要原料，在發(fā)酵過程中，由于桿菌重金屬鹽代謝以及其它生產(chǎn)作業(yè)，會導(dǎo)致重金屬(如鉛、砷、汞等)雜質(zhì)的介入和積累，造成原料乳酸鈣中重金屬含量增加，使產(chǎn)品色度偏黃，品質(zhì)下降，難以符合市場要求[1]。因此，清潔無毒分離技術(shù)對于脫除食品與醫(yī)藥中重金屬有毒元素、保障食品與醫(yī)藥安全顯得尤為重要。

超臨界流體CO2萃取作為一種新型分離凈化技術(shù)，具有無毒、無污染的特點(diǎn)，引起了食品、醫(yī)藥界的廣泛關(guān)注[2]。作為一種非極性物質(zhì)，CO2用于分離極性物質(zhì)(特別是重金屬離子)存在明顯局限，雖然通過加入極性修飾劑可改善其溶解性[3]，但效果不明顯。超臨界流體CO2絡(luò)合萃取通過金屬與絡(luò)合劑形成金屬絡(luò)合物，使重金屬分離成為可能，如何改善金屬絡(luò)合物在超臨界流體中的溶解性能仍是解決問題的關(guān)鍵[4～6]。超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取是利用反膠團(tuán)物質(zhì)具有極性與非極性的橋鏈，連接非極性流體與金屬絡(luò)合物，來萃取樣品中的重金屬組分[7～9]。

作者在此對超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取痕量重金屬的工藝條件[10]進(jìn)行優(yōu)化，旨在找出影響痕量重金屬萃取的主要因素，獲得超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取痕量重金屬的最佳工藝條件，為后續(xù)動力學(xué)研究提供基礎(chǔ)，為食品與醫(yī)藥重金屬脫除和凈化提供參考。

1 實驗

1.1 試劑與設(shè)備

乳酸鈣，天津市福晨化學(xué)試劑廠；8-羥基喹啉，天津市博迪化工有限公司；二乙基二硫代氨基甲酸鈉，天津市大茂化學(xué)試劑廠；反膠團(tuán)AOT表面活性劑為二辛酯琥珀酸磺酸鈉，Johnson Matthey Company；二氧化碳，武漢祥云科技有限公司。

HA121-50-01型超臨界萃取裝置，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司。

1.2 乳酸鈣樣品的制備

室溫攪拌下，向含砷5.38 μg·g-1、汞3.50 μg·g-1、鉛4.61 μg·g-1的100 g乳酸鈣樣品中加入100 mL質(zhì)量濃度為9%的絡(luò)合劑溶液(由二乙基二硫代氨基甲酸鈉與8-羥基喹啉按質(zhì)量比1∶1混合而成)，攪拌均勻至糊狀，于80℃下真空干燥2 d，研磨成80～100目的細(xì)粉，備用。

1.3 方法

實驗裝置如圖1所示。將上述乳酸鈣樣品裝入潔凈布袋，系好，置于萃取罐中密封；不同濃度的AOT-乙醇溶液貯于攜帶劑罐，由攜帶劑泵輸入；開啟加熱裝置，待體系溫度達(dá)到一定時，啟動計量泵，至萃取釜壓力達(dá)到一定時，緩開減壓閥，穩(wěn)定體系壓力、流量和溫度，連續(xù)萃取一定時間，按下式計算重金屬萃取率(y)。

1. CO2鋼貯罐 2. CO2 鋼瓶 3. 冷槽 4. CO2 計量泵 5. 攜帶劑泵 6. 攜帶劑罐 7. 預(yù)熱罐 8. 減壓閥 9. 恒溫水槽 10. 萃取罐 11.閥門 12. 分離罐 13. 轉(zhuǎn)子流量計

式中:c1、c2分別為樣品萃取前后重金屬含量，μg·g-1。

1.4 分析方法

分析樣品的預(yù)處理，采用微波消解法進(jìn)行；鉛含量采用原子吸收法測定；砷和汞含量采用原子熒光法測定[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗

為了獲得超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取痕量重金屬的最佳工藝條件，在單因素實驗基礎(chǔ)上，以萃取壓力、AOT濃度、萃取溫度、萃取時間為影響因素，以重金屬萃取率為考察指標(biāo)，以乳酸鈣劑為原料進(jìn)行L9(43)正交實驗，其因素與水平見表1，結(jié)果與分析見表2、表3。

表1 正交實驗因素與水平

由表3可以看出，各因素對3種重金屬萃取率的影響大小順序各不相同，分別為：鉛 A>D>C>B,汞 A>C>B>D,砷 A>D>B>C,但萃取壓力對3種重金屬萃取率影響均最大，其次為萃取時間、萃取溫度，AOT濃度影響最小。3種重金屬的最優(yōu)萃取條件分別為：鉛 A2B3C2D2,汞 A2B1C3D3,砷 A2B2C3D3。

2.2 方差分析

在直觀分析的基礎(chǔ)上，對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表2 正交實驗結(jié)果

表3 正交實驗分析

表4 方差分析

由表4可以看出，萃取壓力表現(xiàn)非常顯著，其次為萃取時間，萃取溫度影響較弱，最不顯著的是AOT濃度，方差分析結(jié)果與直觀分析結(jié)果一致。

綜合直觀分析和方差分析，各因素對3種重金屬萃取率的影響主次順序為：萃取壓力>萃取時間>萃取溫度>AOT濃度。最佳的萃取方案為萃取壓力20 MPa、萃取時間90 min、萃取溫度45℃、AOT濃度0.1 mol·L-1。

2.3 驗證實驗

在最佳萃取條件下進(jìn)行驗證實驗，重復(fù)3次，結(jié)果見表5。

表5 驗證實驗結(jié)果/%

由表5可知，在萃取壓力為20 MPa、萃取時間為90 min、萃取溫度為45℃,AOT濃度為0.1 mol·L-1的最佳條件下，鉛、汞、砷的平均萃取率分別為93.50%、95.36%、90.47%。

2.4 對比實驗

采用相同批次乳酸鈣樣品，在萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為45℃和萃取時間為90 min的條件下，將超臨界流體CO2絡(luò)合萃取、超臨界流體CO2反膠團(tuán)萃取與超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取對重金屬萃取率的影響進(jìn)行了對比，結(jié)果如表6所示。

表6 不同超臨界流體CO2萃取方法對重金屬萃取率的比較/%

由表6可知，超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取的效果明顯優(yōu)于超臨界流體CO2絡(luò)合萃取和超臨界流體CO2反膠團(tuán)萃取，進(jìn)一步證明反膠團(tuán)的加入增強(qiáng)了重金屬絡(luò)合物與超臨界流體CO2間的結(jié)合力，改善了重金屬絡(luò)合物的溶解性能，從而提高了重金屬的萃取率。

3 結(jié)論

(1)采用超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取乳酸鈣中痕量重金屬鉛、汞、砷，確定最佳工藝條件為：萃取壓力20 MPa、萃取時間90 min、萃取溫度45℃、AOT濃度0.1 mol·L-1，鉛、汞、砷的萃取率分別達(dá)到93.50%、95.36%、90.47%。

(2)反膠團(tuán)具有連接重金屬絡(luò)合物與超臨界流體CO2的作用，明顯提高了重金屬的萃取率。

(3)超臨界流體CO2反膠團(tuán)-絡(luò)合萃取是超臨界脫除重金屬雜質(zhì)的新技術(shù)，在食品與醫(yī)藥樣品的重金屬分離中有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王博彥,金其榮. 發(fā)酵有機(jī)酸生產(chǎn)與應(yīng)用手冊[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2000：23-37.

[2] 廖傳華, 黃振仁. 超臨界CO2流體萃取技術(shù)——工藝開發(fā)及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004：10-18.

[3] Guclu-Ustundag Ozlem,Temelli Feral.Solubility behavior of ternary systems of lipids,cosolvents and supercritical carbon dioxide and processing aspects[J]. Journal of Supercritical Fluids, 2005, 36(1):1-15.

[4] 周春平, 丁一剛, 丁曉娟, 等. 超臨界CO2絡(luò)合萃取乳酸鈣中痕量重金屬離子的研究[J]. 化學(xué)與生物工程, 2007, 24(3):31-33, 43.

[5] 崔洪友, 王濤, 關(guān)艷芬,等. 重金屬的超臨界絡(luò)合萃取動力學(xué)[J]. 化工學(xué)報, 2001, 52(9): 829-833.

[6] Kersch C， Woerlee G F， Witkamp G J. Supercritical fluid extraction of heavy metals from fly ash[J]. Industral & Engineering Chemistry Research, 2004, 43(1): 190-196.

[7] 陳少欣, 林文鑾. 反膠團(tuán)提取脂肪酶動力學(xué)研究：(Ⅰ)萃取過程[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1999, 20(1): 89-94.

[8] 陳少欣, 林文鑾. 反膠團(tuán)提取脂肪酶動力學(xué)研究:(Ⅱ)反萃取過程[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1999, 20(2): 182-185.

[9] 楊靜, 李淑芬. 反膠團(tuán)在超臨界CO2萃取中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 2003, 20(6): 476-480.

[10] 丁一剛, 黃海濤, 田志高. 超臨界CO2中絡(luò)合-反膠團(tuán)萃取痕量重金屬的研究[J]. 襄樊學(xué)院學(xué)報, 2009, 30(5): 5-9.