酸性低共熔溶剂的理化特性及其与虾青素溶解度的相关性研究

文章亮点1、研究酸性低共熔溶剂的同时与有机试剂和离子液体相比较，凸显了低共熔溶剂的优势。2、探究不同温度下虾青素在不同溶剂中的溶解度。3、将溶解度与性质结合，溶解度与物理性质相关性为下游萃取分离研究提供借鉴。内容介绍1实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

实验方法1.2.1

低共熔溶剂的制备如表1所示，采用加热搅拌法[15]于60~80℃恒温搅拌，直至溶液变为均一透明，冷却至室温后备用。1.2.2

低共熔溶剂理化性质的测定1.2.3

虾青素溶解度测定1.3

数据分析试验均测定3次，采用软件SPSS26进行方差分析，P<0.05时具有统计学差异。2结果与讨论2.1

DES的基本性质2.1.1

密度低共熔溶剂的密度取决于分子的组织和堆积，并且受液体中空穴和空位的影响[20]。测定7种低共熔溶剂在303.15~343.15K温度范围内的密度，结果如图2a所示。7种低共熔溶剂的密度均小于水，密度范围为0.8673~0.9381g/cm3。根据“空穴”理论，热能在局部密度上产生涨落，所以低共熔溶剂液体中离子运动和自由体积的增加导致低共熔溶剂密度随温度的升高而降低。本文研究结果与朱俊芳等[21]研究规律相似，即温度越高，低共熔溶剂的密度越小。2.1.2

摩尔体积温度也是影响分子摩尔体积（Vm）的重要因素。如图2b所示，当温度升高时，低共熔溶剂分子热运动加速，分子间缔合减弱，分子距离增大，摩尔体积增大。除此之外，低共熔溶剂自身的结构也是摩尔体积变化的主要原因。2.1.3

等压热膨胀系数如图2c所示，当温度升高时，离子的热运动和自由体积的增加使等圧膨胀系数变大。2.1.4

黏度在绿色萃取技术中，具有低黏度的溶剂具有更强的优势。近年来，离子液体成为广泛关注的萃取溶剂。但是，由于其黏度很高，往往通过添加水或有机溶剂等助溶剂来降低黏度，限制了其在萃取领域的功能。低共熔溶剂因成本低、易降解等特性，被普遍认为是替代离子液体的理想溶剂，但是其黏度仍然普遍很高。从图2d中可以看出，本研究的7种低共熔溶剂黏度均低于10mPa·s，与离子液体和常见低共熔溶剂相比，显示出理想的流动性，具有作为良好萃取溶剂的潜力。2.1.5

表面张力表面张力可用来揭示分子结构对低共熔溶剂中氢键受体和氢键供体之间相互作用强度的影响，是萃取溶剂的一个重要特性，影响提取效率和提取液雾化过程。表面张力和黏度均与“空穴”理论有关。通常，黏度和表面张力呈正相关关系。溶剂的黏度越低，则表面张力值越低，形成液滴的能力越大，越容易渗入狭窄空间。2.1.6

极性Kamlet-Taft参数用于表示溶剂中的氢键相互作用、分散相互作用和静电相互作用，包括α（给予质子的溶剂容量）、β（接受质子的溶剂能力）和π*（偶极性/极化率）。疏水性低共熔溶剂的极性主要取决于HBA的性质。表2总结了303.15K下7种低共熔溶剂的极性参数。2.1.7

热稳定性在萃取过程中常常需要输入外界热量促进提取效率，此时溶剂的热稳定性就尤为重要。测定了7种低共熔溶剂的热重曲线，将初始降解温度（Ti）、最大降解速率峰的温度（Tpeak）、降解终止温度（Tf）3个参数列于表2中。2.2

虾青素在低共熔溶剂中的溶解度溶剂对虾青素的溶解度大小直接反映出其从天然资源中提取虾青素的能力。提高溶解度是提高萃取率的有效手段[38]，一般情况下，溶解度随温度的升高而升高。例如，β-胡萝卜素的溶解度随着温度的升高呈指数级增长。2.3

低共熔溶剂理化性质与虾青素的溶解度相关性分析研究中发现n(辛酸):

n(薄荷醇)=2:1低共熔溶剂对酚类化合物表现出最高的提取效率，且密度更高。同样，筛选出的n(薄荷醇):n(1-丁醇)=1:1从雨生红球藻中提取紫杉烷的回收率超过95.31%，相比之下该低共熔溶剂也表现出较高的密度和较低的黏度。为了研究低共熔溶剂各物理性质与虾青素溶解度之间的相关性，绘制了低共熔溶剂性质数据与虾青素溶解度数据关联系数热图，结果见图4所示。3结论

本文以薄荷醇和脂肪酸为氢键受体、不同链长的有机酸作为氢键供体构建了7种酸性低共熔溶剂，考察了低共熔溶剂的物理性质在不同温度下的变化规律和虾青素在不同溶剂中的溶解度。HBD的烷基链之间形成相互作用产生堆积，从而形成更稠密的分子微观结构，较长碳链的HBD表现出更小的密度和更大的黏度。此外，它们表现出理想的流动性，形成液滴能力强，传质速率较高，溶解虾青素能力均强于乙醇和离子液体[P4448]Cl。虾青素在低共熔溶剂中溶解度与密度和偶极性/极化率呈正相关性，与黏度呈负相关性。综合评