阅读说明：本技术 从精油中移除金属离子 (Removal of metal ions from essential oils ) 是由 S·强森 于 2018-04-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及从液体中分离金属离子的方法,所述方法包括使包含金属离子的液体与未官能化纤维素接触,将所述金属离子吸附至纤维素中,并将所述液体与纤维素分离,其中所述液体为精油。(The present invention relates to a process for separating metal ions from a liquid, the process comprising contacting a liquid comprising metal ions with non-functionalized cellulose, adsorbing the metal ions into the cellulose, and separating the liquid from the cellulose, wherein the liquid is an essential oil.)

从精油中移除金属离子

发明领域

本发明涉及从液体中分离金属离子，更具体而言涉及少量的金属离子的分离。

背景技术

色谱法是在生物学领域中，常用的从液体中分离需要或不需要的组分的方法，例如用于在药物的生物技术制备过程中从液体中回收所需的药物活性化合物，或用于移除不需要的污染物。

数十年来色谱法的原理一直是众所周知的，并且包括利用待分离的化合物与固相之间的各种化学相互作用，所述待分离的化合物通常存在于液相中，所述固相常常在用于连续色谱分离的色谱柱中或在用于分批色谱分离的容器中提供。这种固相被称为色谱介质或树脂，或用于最常用的连续液相柱色谱的填料。

为了与待分离化合物(有时表示为目标物)有效地相互作用，色谱填料可能包含某些基团作为实际填料材料的一部分，或者可能通过用能够与目标物相互作用的基团进行化学修饰来提供。后者通常称为色谱配体，或简称为配体。

配体可以直接与目标物相互作用，例如在离子交换色谱中带电荷的目标物与带相反电荷的配体之间的离子相互作用。在金属螯合亲和色谱(MCAC)(也称为固定金属亲和色谱(IMAC))中提供了一种特定类型的相互作用，其中固相上存在的基团与某些金属一起形成能够与目标物充分相互作用的金属螯合物，以提供适用于某些情况的有效分离。相似原理用于银色谱法，其可以在薄层色谱法(TLC)中使用涂银的二氧化硅，也可以使用适用于柱色谱法的负载银的阳离子交换剂。市售的这种产品的实例是Rensa^TM树脂，其例如在市场上出售用于从食品中分离农药(www.biotage.com)。

负载银的阳离子交换剂通常用于纯化和分离不饱和小分子，例如脂肪酸、信息素和多芳香族含硫杂环，可用于食品领域和其他领域中分析和制备的目的。任何负载金属的色谱材料都可能发生的问题是金属离子必然渗漏到洗脱液中，即渗入产品物流中。由于在食品工业中，通常要求在加工过程中食品原料、成分或产品不被金属污染，因此移除渗漏的金属离子可以作为继IMAC、MCAC或银色谱法之后的一个步骤而引入。

已提出多种这类金属清除剂，并且存在许多市售的产品。Silicycle提供了用于筛选目的的金属清除剂的实例。

在色谱领域中用作最后一步的基于官能化二氧化硅或树脂的清除材料的其他实例是，从Sigma Aldrich可获得的

TU大孔树脂球珠。

US 6,132,750(Eric Perrier)涉及小尺寸的颗粒，其包含至少在其表面上的壁，所述壁由至少一种蛋白质和至少一种多糖的混合物组成，所述混合物已交联并且优选地通过与多官能酰化剂的界面交联而交联，所述多官能酰化剂与蛋白质和多糖的胺、羟基或羧基官能团形成至少酰胺键和酯键，并任选形成酸酐键，以及包含在其表面上的用于螯合金属离子的异羟肟基。这些颗粒可用于化妆品或药物中，特别是用于金属离子的螯合或释放。

WO 2007/122720(Niisawa Kazuhiro)记载了一种包括以下步骤的方法：(1)用盐酸处理含金属的原料以获得金属离子的盐酸溶液；(2)将步骤(1)中获得的盐酸溶液用分散在由至少一种有机溶剂组成的吸附助剂中的纤维素处理，以使纤维素吸附所含的金属离子；(3)用水或盐酸从纤维素中解吸和回收金属离子。

然而，由于现有技术中提出并存在的金属清除剂已被建议用于处理液体例如在生物技术处理中的发酵液和用于其中被金属污染的液体是含水液体的情况下的其他目的，因此在该领域中需要可以有效地从非含水液体(non-aqueous liquid)中移除甚至少量的金属离子(例如银离子)的新产品。

WO 2010/002696(Coca cola Co)记载了一种用于处理精油组合物的方法，该方法包括以下步骤：使精油组合物与吸附材料接触，并将吸附剂材料从经处理的精油中分离。建议的吸附材料包括活性炭、无定形二氧化硅、漂白土、富勒土和硅藻土。

然而，在本领域中仍然需要能够从非含水液体中移除甚至少量金属的改进方法。

发明内容

本发明提供用于从有机液体中除去甚至极少量的金属离子的新方法。根据本发明，出乎意料地发现，未官能化纤维素是在处理含水液体的色谱法中常用的高度亲水性材料，可以用于有效地从有机液体如精油中分离金属离子。

这可以通过从液体中分离金属离子的方法来实现，所述方法包括使包含金属离子的液体与未官能化纤维素接触，将金属离子吸附至纤维素中，并将所述液体与纤维素分离，其中所述液体包含精油。

本发明的其他实施方案、优点和其他细节将从下文的实验部分以及在本申请整体中示出。

定义

在本文中，术语“清除剂”或“清除”用于检测和/或移除非常少量的分子或化合物的情况。

在本文中，术语“纤维素”用于由化学式(C₆H₅O₅)_n定义的多糖。

在本文中，术语“杂纤维素”用于纤维素的任何杂聚物，所述纤维素包括未经化学改性的由化学式(C₆H₅O₅)_n定义的多糖。

在本文中，术语“未官能化纤维素”用于未通过在其OH基团的衍生化进行化学改性或其他改性的纤维素。

在本文中，术语“油”用于任何中性的非极性化学物质，其在环境温度下为粘性液体并且是疏水性和亲脂性的。

在本文中，术语“精油”用于包含来自植物的挥发性芳香化合物的浓缩疏水性液体。

具体实施方式

在第一方面，本发明涉及从液体中分离金属离子的方法，所述方法包括使包含金属离子的液体与未官能化纤维素接触，将所述金属离子吸附至纤维素中，并将所述液体与纤维素分离，其中所述液体包含精油。

本发明使用的未官能化纤维素可以根据公知方法从纤维植物材料如木材或棉花作为浆料而获得。本文所用的未官能化纤维素可包括微晶纤维素和/或α-纤维素，它们是衍生自高质量木浆的纤维素，它们均可从商业来源例如Sigma Aldrich或食品添加剂生产商获得。

或者，在本发明的方法中使用纤维素以及它的其他杂聚物的混合物，条件是这类混合物的机械和其他性能与纯的未官能化纤维素足够相似，以从本文所述的精油中移除金属。

本发明的方法可为色谱法，其中未官能化纤维素被用作或包含在固相中。因此，如果色谱以连续液相色谱操作，则该柱包含非官能化纤维素作为填充柱或流化床。或者，如果该方法是以分批模式操作的色谱方法，则所用的容器(vessel、container)包含未官能化纤维素作为固相。

或者，本发明的方法可为过滤的方法，其中未官能化纤维素构成过滤器的全部或一部分。众所周知，清除剂过滤器的效率直接与纤维素纤维的密度和平均粒径有关。在过滤中使用较粗的等级，即更长的纤维、更低密度的粉末将产生较低的吸附效率。使用更细的等级、更短的纤维、更致密的粉末将产生更快的吸附，并且在更高的柱流速下从洗脱液中捕获更多的离子。

如本领域技术人员所理解的，本发明的未官能化纤维素可以以适于特定应用的任何形式提供，只要是能够吸附本文所述的量的金属离子的合适条件即可。说明性条件将在下文的实验部分中举例说明。

从中分离出金属离子的精油可为任何精油，例如柑桔油(citrus oil)或香油(scented oil)，或更具体地说是桉树油、薰衣草油、薄荷油、留兰香油、雪松木油、玫瑰油、丁香油等。众所周知，精油是挥发性的，通常是浓缩的植物精华，并且可以存在不同的植物部位中，包括但不限于根(如香根草中)、叶(如留兰香叶中)、花(如玫瑰中)、柑桔类水果(如佛手柑中)和种子(如小茴香中)。精油的实例为柑桔油，包括来自柑桔、甜橙、柠檬、佛手柑、蜜桔、酸橙、红橘和葡萄柚的油或它们的任意组合。

如本领域技术人员所理解的，在这种精油中可以包含少量的稀释剂。可以根据本发明使用的稀释剂可选自以下种类：烃、酮、醚、酯，更合适的是烃环己烷、庚烷柠檬烯(heptane limonene)。

本发明包括从可以旨在用于食品或制药工业中的精油中分离金属离子。因此，根据本发明待纯化的精油可能已经被金属离子污染，所述金属离子由方法中更早的步骤，例如色谱的先前步骤所产生；或所述金属离子源自油的成分之一，例如与用于产生柑桔油的水果接触的农药。

如上所述，负载金属的阳离子交换剂广泛用于食品工业，也用于其他领域，例如制药工业。在大多数这样的用途中，存在金属离子从固相中渗漏的风险，并且如果最终产品旨在应用于人类，则将其移除显得更为重要。

因此，本发明的方法可以包括源自先前色谱步骤的精油，所述色谱步骤使用不同色谱原理，例如负载金属的阳离子交换剂或银色谱。因此，本发明的方法可以在多步骤方法的后期步骤之一中，使用未官能化纤维素作为清除剂，以将目标物与精油分离。在本发明的方法的先前步骤中使用的柱填充物可以包含携带金属离子的合成聚合物。制备这种柱填充物的一个实例存在于下文的实施例1中。或者，在本发明方法的先前步骤中使用的柱填充物可以是市售的产品，例如

C100EAG，已知所述产品在某些情况下会产生一定的金属渗漏。如本领域技术人员所理解的，只要精油用作洗脱液并且该洗脱液包含待移除的一定水平或渗漏的金属离子，则该先前步骤的具体细节对于本发明的后续使用而言并不重要。

在本发明的方法中，从液体中分离的金属离子可以是带正电荷的单价或多价金属离子，例如过渡金属离子。因此，金属离子可选自Au⁺或Au²⁺；Ag⁺、Cu⁺、Pt²⁺、Pd²⁺、Ni⁺和Co⁺。在一个有利的实施方案中，金属离子为银，即Ag⁺。

如本领域技术人员将从本说明书中理解的，精油应保持在所有或基本上所有待移除的金属以离子形式存在的条件下。因此，例如应该避免还原条件。

不希望受限于任何理论，由于未官能化纤维素的纤维具有多孔结构，因此其表面可允许金属离子渗透。本发明的积极的技术效果可能是由于纤维素和金属离子之间形成了盐，但是其也可以包括金属簇和/或胶体金属。

为了说明本发明的效果，实施例2示出银离子迁移到橙油中的典型洗脱液浓度分布(profile)。已经测量了不同体积的洗脱液的成分，发现其范围为0.6至2ppm。如果油的成分复杂，则未官能化纤维素的清除性能可能会受到影响。在本发明的一个实施方案中，通过用有机溶剂或柠檬烯稀释油基质，使不期望的油作用最小化。例如，与未稀释的柑桔油/柠檬油相比，用环己烷和/或柠檬烯稀释的柑桔油/柠檬油提高了未官能化纤维素作为银离子清除剂的效率。这使得能够通过本发明使用的未官能化纤维素改善银离子的分离。

不同油之间的化学组成不同。例如，留兰香油的主要化学成分是α-蒎烯、β-蒎烯、香芹酮、1,8-桉树脑、芳樟醇(linalool)、柠檬烯、月桂烯、石竹烯和薄荷醇。在橙油中：α-蒎烯、桧烯(sabinene)、月桂烯、柠檬烯、芳樟醇、香茅醛、橙花醛(neral)和香叶醛。在柠檬油中：α-蒎烯、莰烯、β-蒎烯、桧烯、月桂烯、α-萜品烯、芳樟醇、β-没药烯、柠檬烯、反式-α-佛手柑烯、橙花醇(nerol)和橙花醛。玫瑰油是最复杂的化合物之一，其主要化学成分为香茅醇、苯乙醇、香叶醇、橙花醇、法尼醇(farnesol)和玫瑰蜡(stearpoten)。

如上所述，即使精油中仅存在非常少量的金属离子，其移除也可非常重要。因此，本方法可以使纯化后精油的金属含量低于0.05ppm，例如橙油中的银。

相比之下，EPA已制定国家二级饮用水条例(National Secondary DrinkingWater Regulations)作为指导原则，以帮助公共水系统出于审美考虑(例如味道、颜色和气味)管理其饮用水。银作为污染物包括在此列表中。根据该列表，在饮用水中低于0.10mg/L(0.10ppm)的情况下，不认为Ag⁺对人体健康存在风险。

在实施例3中，评估树脂量和清除剂量之间的比例。测量银的迁移水平和纤维素的清除作用。结果表明，每克本发明的未官能化纤维素具有清除约0.5-0.7mg银的清除剂能力，以便在混合的收集油(橙油)中将银离子移除至＜0.05ppm。

在比较实施例4中，在相同的清除条件下，将用于清除银的市售的树脂与本发明的方法进行了比较。使用125mg的树脂，记录的容量为3-3.5mmole/g(硫脲官能度)。处理630克橙油。对油的分析表明，清除剂之前的银浓度为1.13ppm，清除剂之后的最终洗脱液中银浓度为0.315ppm，并且在合并的洗脱液中为0.248ppm。结果表明，尽管该树脂的容量高，但在油中该树脂将银清除至更低浓度范围的效率较低。

负载金属的树脂的功能是相互作用并固定油中的杂质，例如某些种类的农药。在实施例5中，该油已经被掺入40ppm马拉硫磷，一种有机硫代磷酸酯农药。结果表明，银迁移至不同程度，从0.3ppm至0.7ppm，这取决于油。纤维素材料使银移除，至银含量低于0.1ppm银。

以分批模式进行采用橙油的相应实验。橙油被掺入马拉硫磷和毒死蜱农药。通过将银树脂球珠悬浮在油中来进行纯化(移除农药)。已发现，将树脂封装在高质量纸或棉的“茶包”中，可在保持性能的同时显著地降低迁移的银。

在第二方面，本发明涉及一种用于液相色谱的系统，所述系统包括至少一个色谱柱和至少一个第二色谱柱，其中第一柱填充物包含负载有金属离子的合成聚合物，第二柱填充物包含未官能化纤维素。如上所述，第二柱可如在上述本发明的第一方面的上下文中所讨论的。

应调整系统参数，例如未官能化纤维素柱与其先前步骤之间的距离、未官能化纤维素的可用表面积、流速等，以确保在这类系统中，存在于被纯化的精油中的金属离子保持离子形式。

本发明还涉及一种用于液相色谱的系统，该系统包括用于至少第一和第二色谱步骤的装置，其中对于第一步，提供用于IMAC或银色谱的装置；对于第二步，提供包含未官能化纤维素的柱。实例可为用于银色谱的色谱柱，在其下游连接包含未官能化纤维素的清除剂柱。清除剂柱可以布置为后置柱(post-column)；或作为银色谱柱的下部。或者，将用于负载银的阳离子交换或IMAC的色谱柱连接至包含未官能化纤维素的清除剂柱，其根据本发明移除至少一部分含量的从先前步骤渗漏的金属——优选渗漏的银离子(Ag⁺)。

此外，本发明涉及未官能化纤维素在制备用于清除金属离子的色谱填充物中的用途。

最后，本发明涉及一种清除剂色谱柱，其包括填充物，所述填充物是未官能化纤维素或包含未官能化纤维素。从上文可以看出，这种清除剂柱有利地用于从精油中移除金属离子。因此，以上关于从精油中分离金属离子的方法所提供的所有细节也将适用于本发明的这一方面和其他方面。

实验

提供本发明的实施例仅用于阐明目的，不应当理解为如同所附的权利要求所定义那样限定本发明。在本申请中下文或其他处所提供的全部参考文献均通过引用的方式纳入本文。

实施例1：制备负载银的阳离子交换剂

在搅拌下向瓶中加入水(100ml)和三丁胺(7.4g，0.04摩尔)，随后加入硫酸(2.0g,0.02摩尔)，然后加入4-乙烯基苯磺酸钠盐(8.4g,0.04摩尔)。加入甲苯(55ml)，将所述两相体系剧烈搅拌0.5h，pH＝2.5。简单地进行相分离，并且所述甲苯相无需纯化即可用于后续步骤。

在90℃下将聚乙烯醇(PVA)(Celvol 523)溶解于水(400ml)中以形成2重量％溶液，冷却至室温，然后添加至悬浮液反应器中。

将二乙烯苯80％工业级(26g,0.2摩尔)添加至制备的4-乙烯基苯磺酸三丁胺盐的甲苯溶液(如上所述)中。将引发剂，ABDV(V65,2,2'-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)(0.6g)加入到甲苯溶液中，并使氮气鼓泡通过溶液。将PVA溶液加入到反应器中，然后加入单体溶液。

将两相混合物搅拌几分钟，并将温度升至50℃，在4-6h后升至65℃。该过程维持过夜。使用20微米筛过滤聚合物，并小心地用水洗涤。将聚合物用1M H₂SO₄洗涤0.5h，然后用约400ml水洗涤。然后将聚合物在索氏萃取器中用乙醇洗涤过夜，并干燥，得到28.4g聚合物(83％产率)。测定粒度为100-300微米。

如下进行多孔聚合分离材料的银负载：

将16.1g的干燥聚合物在水中溶胀并转移至玻璃柱中。材料沉淀后，使AgNO₃水溶液(0.5M，44mL)缓慢通过色谱柱。使该柱子静置过夜，然后用300mL去离子水洗涤，最后在40℃下真空干燥。该材料为米白色，材料的元素分析示出2.64％S和6.49％Ag。

实施例2：负载银的阳离子交换剂用于纯化精油的用途

将500mg负载银的分离材料装填到色谱柱(ID＝7mm)中，并在橙油(天然，冷压，加利福尼亚州产，购自Sigma-Aldrich)中溶胀3h。用铝箔保护所述柱避免光照。该油取自瓶中，不经稀释使用，且未掺入农药。柱色谱在室温下进行。在13天内，以约0.15mL/min的速度将橙油以恒定流量泵入所述柱，共注入2.3L油(1.95kg)。

从洗脱液中以不同体积收集样品(1mL)。用硝酸消化油，并通过ICP-MS技术测定迁移的银含量。

实施例3：非官能化纤维素用于移除橙油中的银的用途

使用来自实施例2的实验装置和参数。在负载银的分离柱之后，连接含有清除剂的后置柱(ID＝22mm)。用铝箔保护树脂柱和清除剂柱避免光照。进行了三个系列的实验以研究银迁移和所研究的纤维素的清除作用。这些实验在银树脂的量和纤维素的量方面是不同的。

使用的纤维素是微晶纤维素(粉末20μm，pH 5-7Sigma-Aldrich)。样品(1mL)是从来自银树脂柱的洗脱油中以及经指定体积的消除剂之后的洗脱液中收集的。

实施例4：市售树脂用于移除橙油中银的用途(比较实施例)

使用来自实施例2的实验装置和参数。在负载银的分离柱(500mg)之后为附有125mg Aldrich QuadraPure TU大孔聚合物的后置柱(粒度400-600μm，硫脲容量3.0-3.5mmol/g树脂)。

处理630g油。对油的分析表明，清除剂之前为1.13ppm银，清除剂之后的最终洗脱液为0.315ppm银，合并的洗脱液中为0.248ppm银。

实施例5：未官能化纤维素用于从不同的精油中移除银的用途

注射泵中装有25mL掺料油，使所述油在24小时内缓慢通过含有100mg负载银的树脂的塑料柱。在负载银的分离柱之后，连接后置柱(300mg微晶纤维素)。每种油都掺入1ml含1mg马拉硫磷(malathion)(40ppm)的柠檬烯。在通过负载银的分离柱之前和之后，使用GC-MS技术测量农药的浓度。

实施例6：分批技术用于纯化掺有农药的橙油的用途

橙油中掺入20ppm马拉硫磷和20ppm毒死蜱(chlorpyrifos)。

将25g油与100mg负载银的树脂在塑料管中振荡24h。

A不含清除剂

B填充在由0.21g棉织布制成的“茶包”中的树脂。

C填充在由0.22g纤维素滤纸Munktell 120H制成的信封中的树脂。

24h后从油中收集样品，并测定银/农药的浓度。