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【COSMOlogic应用实例】基于烷二醇的深共晶溶剂分离柑橘精油中的萜类化合物:实验评价和COSMO-RS研究
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【COSMOlogic应用实例】基于烷二醇的深共晶溶剂分离柑橘精油中的萜类化合物:实验评价和COSMO-RS研究

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热力学性质(溶解度、粘度等)
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COSMOlogic

摘要:

目前用于精油分离的液-液萃取技术依赖于危险的挥发性有机化合物来浓缩目标溶质,用于进一步的食品、精细化工和医疗应用。在此,基于各种烷二醇的生物可再生深共晶溶剂被评估为从萜烯中分离生物活性萜的环保替代品,用于精油下游加工。其中,以氯化胆碱为氢键受体,以1,3-丁二醇、2,3 -丁二醇、1,2-丙二醇或1,3-丙二醇为氢键供体,以1:2的比例组成DES,在温和条件下进行柑橘精油模型混合物和真正粗橙精油的分离。从实验液-液平衡、分布系数和选择性等方面探讨了烷烃二醇结构(即碳氢链长度和羟基位置)对不同DES提取精油性能的影响。此外,将实验测得的热力学参数与实际溶剂类导体筛选模型作为溶剂选择工具估计的热力学参数进行了比较。最后,通过分析计算得到的西格玛谱、活度系数、过剩焓和萜类烃溶质与溶剂之间的分子相互作用,进一步理解了体系的热力学行为。总的来说,所提出的基于烷二醇的DES是可行的精油分离溶剂,是通过选择性分离萜类化合物开发可持续的精油纯化工艺的有前途的候选溶剂。

 

引言:

柑橘产量的增加和由此产生的浪费。全世界每年生产超过7000万吨橙子,橙汁行业产生了高达50%的水果废物[1,2],人们敦促开发生物精炼方法来稳定如此大量的生物质残留物。这包括回收精油、多酚、类黄酮、可溶性糖或果胶,用作生产新产品、溶剂和材料的几种工业工艺的原材料。精油(EOs)是一种高附加值产品,具有固有的感官、抗氧化和抗菌特性,2016年全球市场规模超过60亿美元,预计未来十年的年增长率为9.7%[1,2]。

 

本文考察了烃链长度和羟基位置对HBD分离过程的影响。此外,应用量子化学方法COSMO-RS [20](Real solvent的导体样筛选模型)对EO和DES混合物的液-液平衡进行建模,预测分离过程的关键热力学参数,同时在分子水平上进一步了解系统的行为,以更好地理解DES作为萃取溶剂的作用。

 

结果与讨论:

DES是按照我们之前的工作[17]中描述的程序制备的。简单地说,HBA和HBD在分析天平(New Classic MS Mettler Toledo)中称重,根据分子量分别采用1:2摩尔比,准确度为±0.0001g,放置在IKA带搅拌器的热板上(±0.5K),在323.15K(±0.05K)下加热,直到形成均匀的透明液体。制备的DES的组成、缩写和摩尔质量见表1。 

 

柠檬烯和芳樟醇分别是橙精油中的主要萜和萜类成分;因此,选择这些组分来制备具有代表性的模型混合物。(R)(+)-柠檬烯(>97%,CAS号;芳樟醇(>97%,CAS编号:5989-27-5)购自Fischer Scientific。78-20-6)从Acros Organic购买。粗橙精油(COEO)天然,冷压缩(原产地美国加利福尼亚州),购买自Sigma Aldrich英国(CAS编号:COEO)。8008-57-9)。以下原料用于深层共晶溶剂(DES)制备:氯化胆碱(99%,化学文摘社编号:67-48-1),1,3-丁二醇(299%,化学文摘社编号:107-88-00),2,3-丁二醇(≥98%,化学文摘社编号:513-85-9)和1,3-丙二醇(298%,CAS no.504-63-2)购自Sigma Aldrich UK,而1,2丙二醇(≥99%,CAS no.57-55-6)购自Fischer Scientific UK。用于烷二醇基DES制备的HBA和hbd的结构如图1所示。

 

基于烷二醇的DES的密度和粘度值见表2。

 

在298.15K和101.325kPa的条件下,以烷基二醇为萃取剂,从EO模型混合物中萃取芳樟醇作为代表性萜类化合物。液液平衡(LLE)结果如表S1-S4所示,三元图的图形表示如图2所示。

 

利用COSMO-RS在298.15K条件下使用基于烷二醇的DES对EO模型混合物中芳樟醇的LLE进行预测,结果如表S5-S8所示,图2与实验数据图形化表示。

 

通过计算芳樟醇的分布系数(B)和选择性(S)值来评估烷烃二醇基DES的溶剂性能,如表S1-S4和图3所示,并与使用甘油基DES[17]得到的结果进行比较。

 

表S10-S13和LLE数据显示了使用烷二醇类DES作为萃取溶剂对COEO的分离得到的ß和S值,并与基于甘油的DES一起图形化地表示在图4中。如前所述,ß和S都是评估所提溶剂在实际工业分离过程中的实际应用的相关参数。ß和s值越大,分别表示溶剂用量越少,溶剂对目标组分的萃取能力越强,分离过程越高效。结果表明,油溶剂比的降低,分布系数略有增加,选择性值显著提高。此外,图4B所示的所有基于烷二醇的DES对COEO的分离S值都大于1,这证实了所提出的溶剂对目标溶质具有更高的亲和力。特别地,所提出的烷二醇基DES所提供的选择性在S=24-30范围内,高于ChCl:Gly(S=18.6)提供的选择性。

 

柠檬烯、芳樟醇和DES对应的o型曲线分别见图5A和5B。芳樟醇在o~-0.012e/A2处出现一个峰,这是由羟基中的酸性氢引起的,表明了化合物的氢键供体能力;此外,在o~+0.012e/A2处存在一个由羟基上的孤对引起的峰,表明其具有氢键受体能力;σ-剖面非极区宽峰是由于其结构中含有碳氢化合物(-CH基团)。这说明芳樟醇是一种极性烃类化合物,能与极性溶剂产生良好的氢键相互作用。柠檬烯是一种不饱和的非极性组分,具有显著的亲脂性,在o型剖面的非极性区域有明显的峰,因此在HBD和HBA区域缺乏峰。同时,DES具有明显的极性特征,其o-剖面的HBD和HBA区域具有宽峰,这是由于其结构中存在羟基(即盐阳离子中有一个-OH基团,每个烷二醇中有两个-OH基团,而甘油作为DES络合剂时则有三个-OH基团)。此外,季铵盐结构中氯离子的存在增加了溶剂的碱度,促进了对芳樟醇溶质的亲和力。总的来说,芳樟醇与DES之间的良好氢键相互作用可以根据单个化合物的o型分布来预测,这证明了目标溶质(即极性含氧萜类化合物,主要是芳樟醇)从非极性萜相(主要由柠檬烯组成)向极性溶剂DES相的预先迁移,支持了本文报道的实验结果。

 

图6所示的芳樟醇-DES和柠檬烯-DES二元混合物的结果表明,萜类溶质和DES溶剂的无限稀释活度系数(y°)与混合焓(H)直接相关。综上所述,芳樟醇对DES的亲和性高于柠檬烯,其混合过剩焓为负值,活性系数较低,表明含氧萜类化合物与溶剂之间的HB相互作用增强,具有良好的相互作用。

总结:

本研究证明了利用可再生烷二醇基DES进行柑橘精油液-液萃取的可行性,与传统溶剂相比,ChCl:1,3-丁二醇(1:2)和ChCl:1,3-丙二醇(1:2)分别具有更高的分配系数和选择性值。评估了COSMO-RS作为估算精油和烷基二醇DES组成体系的性能的计算工具的能力,其趋势与实验相平衡数据(RMSD≤4%)以及溶质分布系数和选择性值的定性预测很好地吻合。另外的热力学研究支持,特定的氢键相互作用是萜类化合物从富萜相优先迁移到富DES相的原因,而-gtions限制了萜类载体与溶剂之间的混相。因此,提议的基于可再生烷二醇的DES可以作为环境友好型萃取剂,通过选择性分离有价值的生物活性萜类化合物用于市场应用,开发精油下游加工的可持续工艺。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115707 

 

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