鞠輝，楊慧茹，魏琦峰，任秀蓮，董慧栓

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）海洋科學與技術(shù)學院，山東 威海 264209）

萃取法分離檸檬酸的研究進展

鞠輝，楊慧茹，魏琦峰，任秀蓮，董慧栓

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）海洋科學與技術(shù)學院，山東 威海 264209）

檸檬酸是世界上產(chǎn)量最大發(fā)酵產(chǎn)品之一，是一種重要的有機酸。本文較全面地總結(jié)了近年來液-液萃取法和液膜萃取法分離純化檸檬酸的原理和優(yōu)缺點，詳細討論了這兩種體系的發(fā)展現(xiàn)狀況以及亟待解決的問題，這兩種方法均具有污染小、萃取率高、成本低等優(yōu)點，但是由于發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)、多糖等乳化劑，使得這兩種均有易乳化的缺點，并且液膜萃取法操作復雜?；谶@兩種方法的不足之處，提出了將離子液體運用到檸檬酸的萃取體系中，具有很大的發(fā)展空間，既保證了萃取法本身的優(yōu)勢，又克服了易乳化的缺點，同時離子液體可以循環(huán)使用，能源效率高，分離成本低。

檸檬酸；萃取法；分離；提取

檸檬酸（又稱枸櫞酸），化學名為2-羥基丙烷-1,2,3-三羧酸，是一種天然的果酸[1]，是世界上除酒精發(fā)酵外產(chǎn)量最大的發(fā)酵產(chǎn)品[2]，用途十分廣泛，主要用于食品行業(yè)，化工中常將其運用到濕法冶金中的浸出劑[1]、提取果膠[3]或甲殼素[4]等。每年世界上有機酸生物制品的產(chǎn)量超過170萬噸，其中檸檬酸生物制品占重要地位。據(jù)統(tǒng)計，檸檬酸生物制品量將以每年高達5%的增長率上升[5]。目前，常用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸發(fā)酵液，因此后期分離提取則是關(guān)鍵部分，尋找經(jīng)濟而合理的分離純化檸檬酸的方法一直是人們關(guān)注的熱點。本文對萃取法分離提取檸檬酸的各種方法進行綜述和評述。

1 液-液萃取法分離純化檸檬酸

液-液萃取檸檬酸的基本原理是相似相容原理：利用原料液中檸檬酸和其他成分在有機相中溶解度的差異，將檸檬酸從水相轉(zhuǎn)移到有機相而達到分離的目的。液-液萃取法有其自身的特點：在提取過程中不會產(chǎn)生大量廢渣，有利于環(huán)保；萃取率高；可連續(xù)性操作；萃取劑可以反復使用，生產(chǎn)成本較低。

在檸檬酸的萃取過程中，由于其親水性較強，一般采用化學萃取法?；瘜W萃取法按萃取機理可分為：中性絡(luò)合萃取和離子締合萃取。按萃取劑種類分為：磷氧類萃取劑和胺類萃取劑。通常萃取體系中包含主體萃取劑、相調(diào)節(jié)劑和稀釋劑三部分，主體萃取劑的作用是與被分離物檸檬酸發(fā)生反應，生成絡(luò)合物等；相調(diào)節(jié)劑可以調(diào)節(jié)萃取體系的極性，從而增加了絡(luò)合物在有機相中的溶解度，并且防止第三相的形成；稀釋劑的作用是改善有機相的物理性質(zhì)，降低萃取體系的成本。

1.1 磷氧類萃取劑對檸檬酸的絡(luò)合萃取

磷氧類萃取劑一般為中性有機磷類和亞砜類，P=O官能團氧原子上有孤對電子，而被分離物檸檬酸中的—COOH中氫原子為裸露的原子核，二者以氫鍵結(jié)合形成締合物實現(xiàn)絡(luò)合萃取[6]，其與羧酸的反應可表示為式（1）。

江玉明等[7]研究了以中性磷類TRPO和TBP作萃取劑，分別與檸檬酸形成的萃合物結(jié)構(gòu)式為C6H8O7·2TRPO·H2O和C6H8O7·3TBP·2H2O，實驗結(jié)果顯示TRPO對檸檬酸的萃取能力高于TBP；金寄春等[8]使用80%石油亞砜甲苯溶液萃取檸檬酸，6% NaCl水溶液作為反萃劑，其萃取率高于相同條件下磷酸三丁酯的萃取率，同時，石油亞砜萃取含Ca2+、Mg2+和 Fe3+的檸檬酸時能選擇性萃取檸檬酸，但Fe3+會同時被石油亞砜萃取。

1.2 胺類萃取劑對檸檬酸的絡(luò)合萃取

伯胺、仲胺和叔胺屬于中強的Lewis堿性萃取劑，與Lewis酸類有機物的中性分子作用生成離子對萃合物，進入有機相[6]。叔胺與羧酸反應表示如式（2）。

例如 Bayazit等[9]對兩種胺類萃取劑三月桂胺和Amberlite LA-2進行對比，其中三月桂胺為長鏈叔胺，Amberlite LA-2為仲胺的混合物，分別使用甲基異丁基酮、甲苯、環(huán)己烷、異辛醇、1-辛醇作為相調(diào)節(jié)劑，結(jié)果顯示，30% Amberlite LA-2、20% 1-辛醇的萃取體系，萃取效率最高，達到99.05%。

季銨鹽屬于強堿性萃取劑，本身含有陽離子R4N+，所以能直接與Lewis酸性有機物的陰離子進行陰陽離子交換，形成萃合物，完成萃取分離過程[6]。季銨鹽與羧酸反應表示如式（3）。

例如Uslu等[10]采用體積比為1∶1的三辛基甲基氯化銨-1-丙醇（或1-辛醇或1-癸醇）體系萃取檸檬酸，起始濃度為 1.775 mol/L的三辛基甲基氯化銨-1-丙醇體系可使檸檬酸的萃取率達到69.76%。當只改變稀釋劑的種類，萃取率變化為：1-丙醇?1-辛醇＞1-癸醇＞(1-丙醇+1-辛醇)＞(1-丙醇+1-癸醇)＞(1-辛醇+1-癸醇)，結(jié)果顯示隨著脂肪鏈碳數(shù)的逐漸增大，溶劑的萃取能力下降。

王志華等[11]采用伯胺N1923-煤油-A1416體系萃取檸檬酸，實驗結(jié)果說明有機相中有 N1923· (2/3)H3A和N1923·H3A兩種萃合物，且以前者為主，即萃合物中N1923∶H3A=1.5∶1（摩爾比），所以在H3A的摩爾分數(shù)為0.42時，有機相中檸檬酸的平衡濃度達到極大值。Heyberger等[12]研究在叔胺體系中第三相的形成條件，使用1-辛醇或者氯仿與正庚烷的混合物作為二元稀釋劑，在25 ℃無水體系中進行，當1-辛醇的質(zhì)量分數(shù)在13%以上或者氯仿質(zhì)量分數(shù)在21%以上時，則沒有第三相的形成，并且1-辛醇的效果優(yōu)于氯仿。除了這兩類萃取劑外，Lintomen等[13]使用酯類萃取劑三辛酸甘油酯和醇類稀釋劑，利用實驗所得數(shù)據(jù)進行模擬，得到的模型與實驗數(shù)據(jù)偏差低于1.28%。

萃取劑對萃取率有直接的影響，同時相調(diào)節(jié)劑也對萃取率有影響。本文作者在萃取檸檬酸發(fā)酵液時發(fā)現(xiàn)：使用正辛醇或異辛醇作為相調(diào)節(jié)劑，相同條件下前者萃取率更高，且分層時間更短。當主體萃取劑濃度一定時，相調(diào)節(jié)劑占萃取劑體積分數(shù)超過45%時，對萃取率基本沒有影響[14]。Inci等[15]使用環(huán)己烷、2,2,4-三甲基戊烷、1-丁醇、甲苯、甲基異丁基酮和乙酸乙酯作為相調(diào)節(jié)劑進行研究，其中使用57% 2,2,4-三甲基戊烷、甲基異丁基酮和初始濃度1.74 mol/L的三辛基甲基氯化銨體系時，萃取率最高。Prochazka等[16]對甲基異丁基酮、氯仿和1-辛醇這3種相調(diào)節(jié)劑進行比較，實驗結(jié)果顯示，甲基異丁基酮可以在較高的酸溶液中超載胺，而后兩者則不能，并且隨著胺濃度的增加，檸檬酸的萃取率增加，而溫度升高，檸檬酸的萃取率則降低。

通常研究者使用萃取法從檸檬酸發(fā)酵液中分離提取檸檬酸，Ali等[17]利用 K2HPO4緩沖溶液或者K2HPO4-甲醇溶液從土壤中萃取檸檬酸，實驗結(jié)果顯示土壤中有機表面地平線中檸檬酸的濃度高于淋溶層，并且檸檬酸的含量高于其他低分子量酸的含量。

2 液膜萃取法分離純化檸檬酸

液膜萃取法主要分為乳化液膜（emulsion liquid membrance，ELM）和支撐液膜（SLM）兩種方法，其基本分離原理是根據(jù)原料液和反萃相被分離組分檸檬酸的濃度梯度，將檸檬酸從原料液進入膜相，再轉(zhuǎn)入反萃相，而得到檸檬酸或檸檬酸鹽。

2.1 乳化液膜分離法

在乳狀液膜法ELM中，有機相中加入反萃相，進行高速攪拌，形成W/O型乳化液，分散于原料液中，由于乳化液中萃取劑對原料液中檸檬酸具有高選擇性，使檸檬酸與膜內(nèi)相萃取劑反應得到絡(luò)合物，推動力為濃度梯度，使得絡(luò)合物向內(nèi)相傳遞，與反萃相接觸進行反應，得到檸檬酸或檸檬酸鹽，由圖1所示。

圖1 乳狀液膜示意圖

乳狀液膜根據(jù)成膜流體的不同，分為(W/O)/W和(O/W)/O兩種，檸檬酸萃取通常為(W/O)/W型。乳化液通常由載體、調(diào)節(jié)劑、乳化劑組成，其中載體為主體催化劑，與被分離物質(zhì)檸檬酸發(fā)生反應，轉(zhuǎn)移檸檬酸；調(diào)節(jié)劑是使生成的檸檬酸絡(luò)合物更好地溶入有機相，同時調(diào)節(jié)有機相的黏度；乳化劑是一種使形成的乳化液更穩(wěn)定的表面活性劑，同時可以提高液膜傳質(zhì)速率和選擇性。該方法[18-19]可以將檸檬酸在膜的兩側(cè)同時進行萃取與反萃取，但是存在操作復雜、乳液易于溶脹、破乳困難以及穩(wěn)定性問題等缺點。

Yordanov等[20]采用Alamine 336作為載體，氯仿做調(diào)節(jié)劑，C9232作為乳化劑，NaOH作為反萃劑，最終在內(nèi)相可以得到濃縮15倍的檸檬酸鈉。實驗過程中若使用醇類作為調(diào)節(jié)劑，乳液有明顯的破乳現(xiàn)象，調(diào)節(jié)劑的濃度增加到一定程度，會導致有機相黏度增加，使得原料液與乳化液分離困難，故選擇體積分數(shù)為 8%的氯仿。朱亦仁等[21-22]采用正三辛胺為載體，表面活性劑Span-80和LMA-1為乳化穩(wěn)定劑，Na2CO3為反萃劑，其中LMA-1對檸檬酸的提取率比Span-80高，并且乳液溶脹較小。

2.2 支撐液膜分離純化法

支撐液膜分離法是將有機相固定于多孔膜材料中，即支撐體（溶劑和流動載體），原料液和反萃劑分別在膜兩側(cè)，通過支撐液膜內(nèi)的流動載體對被遷移物質(zhì)檸檬酸的選擇性，首先載體與原料液中檸檬酸反應，生成絡(luò)合物，因膜兩側(cè)存在濃度梯度，使生成絡(luò)合物從膜的原料液側(cè)擴散到反萃相側(cè)，與反萃相發(fā)生反應而解萃，解萃后生成的檸檬酸離子進入反萃相，而載體則反擴散到膜的原料液側(cè)，繼續(xù)與原料液中的檸檬酸反應，如圖2。

圖2 支撐液膜示意圖

該方法優(yōu)點是具有更高的選擇性，過程需要的有機溶劑很少，萃取和反萃過程結(jié)合在一起[22]，有機相利用率很高，但滲透壓的存在是 SLM不穩(wěn)定的重要原因之一；由于膜孔徑的改變，使得膜的壽命短[23]，對孔徑要求嚴格。

Juang等[24-25]利用三辛胺作為載體，二甲苯作為稀釋劑，疏水的聚偏氟乙烯作為多孔膜，水或者Na2CO3溶液作為反萃劑，實驗結(jié)果顯示當溫度和三辛胺濃度升高時，溶質(zhì)的傳質(zhì)速率增加，但低溫、高濃度三辛胺以及水作為反萃劑時，檸檬酸的分離效率更好。Miyako等[26]利用酶催化反應驅(qū)動支撐液膜，使有機酸更容易通過液膜，實驗得出水相 pH值為6.3時酶活性較高；原料液中超過體積分數(shù)65%的乙醇，會使酶變性；異辛醇為液膜相；Candida rugosa酶作為酯化反應的催化劑；原料液中含有酯類催化劑；反萃相中含有酯水解催化劑，最終可以達到對有機酸選擇性的分離。

為了解決乳狀液膜法和支撐液膜法的缺點，Ren等[27]研究的中空纖維更新液膜法，其操作簡單，傳質(zhì)速率高，能耗低，過程穩(wěn)定，兩相之間無泄漏，沒有二次污染，萃取劑消耗少，無破乳問題等，并且可以從稀溶液中同時提取濃縮檸檬酸。Juang等[28]采用無分散膜萃取檸檬酸，通過親水性平面多微孔膜或者親水性中空纖維膜，將溶質(zhì)從水溶液轉(zhuǎn)移到含絡(luò)合載體的有機相，該方法克服了許多液-液萃取的缺點，例如溶劑損失、乳狀液的形成以及在反應器和混合器中產(chǎn)生的溢流和負載問題。這種方法操作更簡單，成本更低。中空纖維組件可以串聯(lián)或者并聯(lián)，通過改變纖維和組件的長度和直徑來改變接觸面積。這樣膜過程不僅可以從水中除掉復合物，而且可以在產(chǎn)品一側(cè)進一步處理濃縮這些物質(zhì)。

為了改善支撐液膜法穩(wěn)定性差、壽命短的缺點，可以將離子液體作為支撐液膜的溶劑[29-30]。離子液體由有機陽離子和有機或無機陰離子組成[31]。該液體熱穩(wěn)定性強、離子傳導性強、不易燃[32]。離子液體具有一個很重要的物理性質(zhì)，可以通過改變離子液體中烷基碳鏈的長度，增加陽離子的疏水性，從而降低它的水溶性，而且陰離子的選擇也對離子液體的性質(zhì)有很大改變[30]。研究者將支撐離子液膜用于分離提取有機酸，例如乙酸[33]和乳酸[31]。還有將電滲析和離子液體有效地結(jié)合起來，有機酸的收率能達到99%，離子液體可以循環(huán)使用，能源效率高，分離成本低[34]。

3 發(fā)展前景

近年來，隨著人們消費水平的不斷提高，對檸檬酸的需求逐年增加，因此分離提取檸檬酸已成為研究的熱點。萃取法在分離提取方面具有一定的優(yōu)勢，例如工藝簡單，適合工業(yè)化；整個過程節(jié)能環(huán)保，符合國家發(fā)展趨勢。目前，使用萃取法分離提取檸檬酸面臨的主要問題有以下幾個方面。

（1）選擇合適的萃取劑。檸檬酸發(fā)酵液中組成復雜，選擇對檸檬酸選擇性較高的萃取體系至關(guān)重要，同時其要求無毒、萃取率高、易分層、回收利用率高。

（2）在傳統(tǒng)萃取法的基礎(chǔ)上加入新的元素。傳統(tǒng)萃取法有一定的不足，研究人員可以將新的理念與傳統(tǒng)萃取法相結(jié)合，比如檸檬酸的分離提取中離子液體尚未得到應用，將其運用到分離提取檸檬酸中，可能會有很大的發(fā)展空間。

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Progress in citric acid separation by extracting

JU Hui，YANG Huiru，WEI Qifeng，REN Xiulian，DONG Huishuan
（School of Marine Science and Technology，Harbin Institute of Technology，Weihai 264209，Shandong，China ）

Citric acid is an important organic acid and one of the largest amounts of fermentation products in the world. In the paper，it is comprehensively synopsized for the principles，advantages and disadvantages about the liquid-liquid extraction and liquid membrane extraction. The current development of two systems and problems need to be solved now are discussed in detail. They have little pollution，high extraction efficiency and low cost，but they are all easy to emulsify due to emulsifiers，proteins，polysaccharides contained in fermentation broth，meanwhile liquid membrane extraction method is complicated. Based on these shortages，ionic liquid applied to the citric acid extraction system is proposed. And the idea ensures the extraction keep its advantages，but also overcome its emulsification，while ion liquid can be recycled，which will increase its energy-efficiency，and reduce the cost of separation.

citric acid；extraction method；separation；extraction

O 69

A

1000-6613（2014）02-0285-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.02.003

2013-08-05；修改稿日期：2013-10-31。

鞠輝（1989—），女，碩士研究生。E-mail juhuihit@163.com。

聯(lián)系人：魏琦峰，博士，教授，研究生導師，研究方向為分離提取、電化學。E-mail weiqifeng163@163.com。