反膠束萃取法在分析植物油中鉀鈉離子的應(yīng)用

彭英，張夢(mèng)琴，羅丹丹，馮含宇，邱會(huì)東*

重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院（重慶 401331）

鉀、鈉是維持人體體液平衡并參與神經(jīng)信息傳遞的必需微量電解質(zhì)元素，是通過食物攝取而引入人體的[1]，在許多預(yù)包裝食物袋標(biāo)示的營養(yǎng)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(yǎng)成分表中鉀、鈉元素標(biāo)示量及營養(yǎng)素參考值常標(biāo)示為0[2]，這與現(xiàn)行食用植物油的金屬元素國家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和食用植物油中金屬元素實(shí)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(shù)尤為重要，當(dāng)前多為酸化消解法[3-4]、干法灰化法[5-7]、濁點(diǎn)微萃取法[8]等，上述一些方法中可能會(huì)使用大量的酸消解處理，加之待分析無機(jī)元素成分含量相對(duì)較低，易導(dǎo)致待測(cè)液背景值偏高，樣品前處理周期較長(zhǎng)（5 h以上，甚至放置過夜），樣品前處理時(shí)取樣量又較少（約1 g），以至于分離出的待測(cè)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(jī)金屬元素的分析工作帶來諸多不便。試驗(yàn)根據(jù)從非極性物質(zhì)為主體的介質(zhì)中分離微量極性組分，結(jié)合傳統(tǒng)液液萃取及反膠束萃取技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)金屬元素的快速分離及分析檢測(cè)方法，為食用植物油中金屬元素分析及其營養(yǎng)成分評(píng)價(jià)提供一定技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)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(jì)（TAS-990A，北京普析通用儀器有限責(zé)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法

準(zhǔn)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(diào)節(jié)提取液pH為9.0，置于超聲波提取儀并設(shè)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(zhuǎn)速200 r/min的恒溫?fù)u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(jìn)行過濾備用，取濾液測(cè)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(jì)算

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

2 結(jié)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(jī)金屬化合物，需選擇能與鉀、鈉元素有較強(qiáng)的配位作用螯合劑，且該螯合劑同時(shí)具備既能在非極性疏水介質(zhì)中有一定溶解度，又能溶解在極性親水性介質(zhì)，所以試驗(yàn)選取了具有雙親性特性的冠醚類螯合劑[12]。試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，對(duì)鈉離子萃取效果，18-冠醚-6與15-冠醚-5萃取效果相當(dāng)，且萃取效果均優(yōu)于TTA；對(duì)于鉀離子的萃取，18-冠醚-6的萃取效果明顯優(yōu)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(dāng)且能發(fā)生較強(qiáng)的螯合作用。綜合比較，選取18-冠醚-6作為試驗(yàn)萃取植物油中鉀、鈉離子的螯合劑。

圖1 不同螯合劑對(duì)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(shù)量多少與螯合劑濃度大小有一定相關(guān)性，試驗(yàn)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(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著18-冠醚-6濃度的增加，萃取率呈逐漸增大趨勢(shì)，且所萃取出的鈉離子的含量比鉀離子高；當(dāng)18-冠醚-6的濃度增大至7 mmol/L時(shí)植物油中的鉀、鈉離子萃取率達(dá)到最大。18-冠醚-6的濃度較低時(shí)，溶液中的反膠束形成數(shù)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(qiáng)；而當(dāng)18-冠醚-6的濃度達(dá)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(nèi)核尺寸變小，萃取率下降以至達(dá)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(yàn)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(zhuǎn)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(yàn)分別考察了3，4，5和6 mL反膠束溶液對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 反膠束溶液的不同用量對(duì)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(shì)，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(shù)目也少，鉀、鈉離子可能并未完全增溶進(jìn)入，不能最大量被萃取出來；反膠束用量過多，則會(huì)導(dǎo)致反膠束數(shù)量增多，造成鉀、鈉離子增溶困難，且對(duì)試劑也是一種浪費(fèi)。綜合比較，選取6.00 mL反膠束溶液作為試驗(yàn)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(zhì)萃取極性金屬元素時(shí)，萃取液的pH對(duì)金屬元素的相轉(zhuǎn)移、在兩相中溶解度及分離效果有較大影響[13]。試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同pH條件對(duì)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(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：pH 8時(shí)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(dāng)pH 11時(shí)，基本上未分層且水相渾濁；當(dāng)pH 9時(shí)，該試驗(yàn)條件下的鉀、鈉離子萃取率均達(dá)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(shí)，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(shí)體系容易產(chǎn)生乳化，有機(jī)相與水相不易分開，無法實(shí)現(xiàn)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(shí)鉀、鈉離子不斷從反膠束中遷移進(jìn)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(yàn)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(qiáng)度，進(jìn)而也影響金屬離子在不同相態(tài)的萃取分離速度[14]。在萃取時(shí)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(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同用量緩沖溶液對(duì)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?？赡芤?yàn)榧哟缶彌_溶液用量一方面促使體系中離子強(qiáng)度增加，形成的反膠束體積增大，數(shù)量減少；且反膠束集團(tuán)內(nèi)外離子濃度相差大，形成了傳質(zhì)推動(dòng)力，使鉀、鈉離子更高效地進(jìn)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(nèi)核尺寸變大，能有更大的空間與離子相結(jié)合，提高對(duì)鉀、鈉離子的萃取率；達(dá)到5～6 mL范圍時(shí)鉀、鈉離子萃取效率趨于穩(wěn)定。綜合比較，選取緩沖溶液5 mL作為試驗(yàn)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(shí)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(qiáng)的穿透能力，加速反膠束與目標(biāo)離子的作用[15]。試驗(yàn)分別考察了5，10，20和30 min不同超聲輔助萃取時(shí)間對(duì)萃取分離鉀、鈉離子的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著超聲時(shí)間的增加，鉀、鈉離子的含量變化趨勢(shì)基本一致，均在10 min時(shí)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(dá)到飽和，且隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，體系中會(huì)出現(xiàn)一定程度的乳化現(xiàn)象，導(dǎo)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(yàn)萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳超聲輔助萃取時(shí)間。

圖6 不同超聲萃取時(shí)間對(duì)萃取植物油中鉀、鈉離子的影響

2.7 超聲波頻率對(duì)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(yàn)方法分別考察了30，40，50和60 kHz等不同頻率對(duì)鉀、鈉離子萃取分離的效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同超聲萃取頻率對(duì)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(shì)基本相同，且在40 kHz時(shí)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(yīng)和機(jī)械效應(yīng)會(huì)增大水油兩相界面間的湍動(dòng)，同時(shí)空化產(chǎn)生的微射流加速油脂的運(yùn)動(dòng)，其中金屬離子也隨之加速擴(kuò)散，更好地增溶進(jìn)入水相，提高萃取率[16]。但當(dāng)反膠束與溶解的鉀、鈉離子達(dá)到飽和后，振動(dòng)頻率的增加會(huì)使體系產(chǎn)生乳化。故選取40 kHz作為試驗(yàn)萃取植物油中鉀、鈉離子的最佳超聲振動(dòng)頻率。

2.8 樣品測(cè)定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法及所建立的反膠束萃取分析方法，分別對(duì)市售常見的花生油和大豆油2種植物油中鉀、鈉離子進(jìn)行檢測(cè)；以國家標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)值，并計(jì)算反膠束萃取分離分析方法對(duì)不同種類植物油種鉀、鈉的萃取效率，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同植物油樣品經(jīng)國標(biāo)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(jīng)國標(biāo)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(dāng)，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(yōu)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(yīng)過程較復(fù)雜，導(dǎo)致反膠束萃取效率偏低，但通過對(duì)反膠束萃取條件優(yōu)化，可進(jìn)一步提高萃取效率。

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用反膠束萃取法對(duì)植物油中鉀、鈉元素進(jìn)行富集濃縮處理，并通過火焰原子吸收光譜法對(duì)其含量進(jìn)行測(cè)定，從而建立了一種快速分離富集及分析檢測(cè)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。