D301G大孔樹脂吸附菊芋多糖色素機(jī)理探究

陸 敏,馬海樂,朱莉萍,洪 晨

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

菊芋屬于草本植物,又稱鬼子姜、洋姜、五星草等[1],生長環(huán)境比較惡劣,全國各地都可以種植,聯(lián)合國糧農(nóng)組織稱菊芋為“21世紀(jì)人畜共用作物”[2]。菊芋塊莖含有豐富的多糖,其含量為菊芋濕重的15%～18%,干重的55%～80%左右,又稱為菊糖或菊粉[3]。

菊芋多糖是由若干個(gè)D-果糖連接組成的鏈狀多糖,末端常含有一個(gè)α-D-葡萄糖基[4]。其生理功能在西方國家被廣為研究,它能夠促進(jìn)人體腸道益生菌的增長,穩(wěn)定血脂、血糖含量,促進(jìn)體內(nèi)礦物元素的吸收[5-8]。日本、韓國、歐美等國家對菊芋多糖的研究、開發(fā)和應(yīng)用已居于世界領(lǐng)先水平[9]。在早餐谷物、飲料、乳制品、烘培品和肉制品等產(chǎn)品中,菊芋多糖已是關(guān)鍵性配料,它不僅可以作為脂肪替代品,改善食品質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味,而且還能提供一定的營養(yǎng)物質(zhì)[10],已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。

我國菊芋多糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚,工藝水平不完善,產(chǎn)品質(zhì)量落后,特別是菊芋多糖的色值和純度無法達(dá)到高品質(zhì)菊芋多糖的質(zhì)量要求。脫色在菊芋多糖加工生產(chǎn)過程約占總成本的1/3,所以脫色過程的系統(tǒng)研究,對菊芋多糖的生產(chǎn)具有很大的應(yīng)用價(jià)值[11]。目前常用的脫色方法有活性炭法、過氧化氫法、膜分離技術(shù)法、離子樹脂法等。活性炭雖然使用方便、設(shè)備簡單、吸附能力強(qiáng),但是特異性較差,脫色的同時(shí)會(huì)吸附一定多糖[12];過氧化氫具有氧化性,會(huì)破壞多糖的生物活性[13];膜分離法對低分子量的有色物和無機(jī)物的去除率不高[14]。大孔樹脂吸附量大、再生能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低、操作簡單,而且菊芋多糖中色素分子呈電離狀態(tài),帶負(fù)電荷,可與陰離子樹脂發(fā)生交換,因此樹脂應(yīng)用于菊芋多糖的純化過程得到越來越多的關(guān)注和重視[15-16]。但是目前的文獻(xiàn)中較多地研究樹脂對多糖的脫色工藝,關(guān)于吸附機(jī)理的研究較少。

本文選用6種對菊芋多糖色素吸附效果較好的大孔樹脂,在相同條件下進(jìn)行脫色比較,篩選出最好的樹脂。并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面研究篩選出的樹脂對菊芋多糖色素的吸附機(jī)理,為菊芋多糖脫色過程提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菊芋干片 江蘇徐州康芝源有限公司;S-8、D311、D280大孔樹脂 河南鄭州華溢新材料有限公司;D201大孔樹脂 河北滄州寶恩化工有限公司;D296R、D301-G大孔樹脂 天津南開合成有限科技公司;幾種樹脂的基本性質(zhì)見表1。

表1 幾種大孔樹脂的基本性質(zhì)

BS124S型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;五頻柱狀逆流發(fā)散式超聲設(shè)備 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院自主研發(fā);T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;IS-RDD3臺(tái)式恒溫振蕩器 上海珂淮儀器有限公司;HHS數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;pHS-25型數(shù)顯示pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菊芋多糖溶液的制備 菊芋干片烘干,粉碎并過60目篩。在超聲工作模式為28/35 kHz,功率密度110 W/L、料液比1∶15 (m/v)、時(shí)間20 min和溫度55 ℃下進(jìn)行超聲,然后4000 r/min離心20 min后過濾。過濾液放入60 ℃水浴鍋加熱15 min,加石灰乳調(diào)節(jié)過濾液的pH至11,再水浴20 min,經(jīng)4000 r/min離心10 min去雜。再加入濃磷酸,調(diào)節(jié)pH至6,80 ℃水浴20 min,4000 r/min離心20 min去雜,得到菊芋多糖溶液(此時(shí)菊芋多糖含量43.45 mg/mL)。

1.2.2 菊芋多糖脫色率及保留率的測定

1.2.2.1 測定波長的確定 由于提取液中色素的成份較復(fù)雜,難以確定色素的種類,可以選擇在可見光區(qū)的某一個(gè)波長的脫色率來表達(dá)總體的脫色率。本研究中選擇波長380、400、420、450和500 nm,分別測定多糖溶液脫色前后的吸光度,確定測定波長。

1.2.2.2 脫色率的計(jì)算 在420 nm處測定溶液脫色前后的吸光度,并計(jì)算脫色率[17]。

式(1)

1.2.2.3 多糖保留率的計(jì)算 總糖含量測定采用苯酚硫酸法[18];還原糖含量的測定采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)法[19]。

菊芋多糖含量(mg/mL)=總糖含量-還原糖含量

式(2)

式(3)

式中:M0,M1分別是菊芋多糖溶液脫色前和脫色后的菊芋多糖含量,mg/mL。

1.2.3 六種樹脂的篩選 取已濾干的S-8、D311、D280、D201、D296R、D301-G六種大孔樹脂10 g,分別倒入實(shí)驗(yàn)室制備的菊芋多糖溶液100 mL,在恒溫振蕩器下以170 r/min振蕩,在第2、6、12、20、30、45、65、95、135、185、245 min時(shí)各取樣一次,測定并計(jì)算脫色率,第245 min時(shí)脫色液的多糖保留率,篩選出最優(yōu)樹脂進(jìn)行后續(xù)機(jī)理探究實(shí)驗(yàn)[20]。

1.2.4 菊芋多糖色素的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué) 在三角瓶中稱量已經(jīng)濾干的D301-G樹脂4 g,倒入實(shí)驗(yàn)室制備的菊芋多糖溶液50 mL,293、303、313 K下以170 r/min振蕩2 h,分別在第5、10、20、30、50、70、100和130 min時(shí)各取樣一次,測定并計(jì)算脫色率,按公式4計(jì)算吸附量[21]。

式(4)

式中:Qt為時(shí)間t時(shí)樹脂的色素吸附量,1/g樹脂;A0和A分別為脫色前后溶液在420 nm吸光度;m樹脂的質(zhì)量,g。

1.2.5 菊芋多糖色素吸附等溫線的繪制及熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算 在三角瓶中稱量已經(jīng)濾干的D301-G樹脂2、3、4、5、6、7 g,分別倒入實(shí)驗(yàn)室制備的菊芋多糖溶液50 mL,分別在293、303、313 K溫度下以170 r/min振蕩2 h,定性濾紙過濾,繪制吸附等溫線并計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013、Origin 8.0進(jìn)行繪圖和擬合,SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫色率檢測波長的確定

由表2可知,在380、400、420、450和500 nm下所測得的脫色率的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%,可認(rèn)為5個(gè)波長下所測的脫色率無顯著性差異。因此,本實(shí)驗(yàn)中以脫色率接近平均脫色率的420 nm波長為代表,測定菊芋多糖溶液脫色前后的吸光度,并計(jì)算脫色率。

表2 5種不同波長下菊芋多糖溶液的脫色率

2.2 樹脂的篩選

從圖1可以看出,六種樹脂對菊芋多糖的脫色率相差較大,D301-G大孔樹脂脫色率最高達(dá)79.63%,S-8大孔樹脂最低只有29.02%。不同的樹脂,在2 min時(shí)脫色率差別顯著,可能原因是不同樹脂的功能基、樹脂的加工工藝不同。D311、D201、D301-G樹脂在245 min之后脫色率達(dá)到75%以上,明顯比其它三種樹脂效果好。D301-G樹脂在45 min時(shí)對色素的吸附已達(dá)到了69.34%,與其它樹脂相比,吸附速率快,可以短時(shí)間對色素進(jìn)行吸附。而S-8大孔吸附樹脂對菊芋多糖色素吸附能力最差,在吸附245 min時(shí)才達(dá)到了29.02%。這與李煥東[16]的研究結(jié)果一致。可能是因?yàn)榫沼蠖嗵侨芤褐械纳刂饕躁庪x子、非極性色素分子為主,所以大孔陰離子樹脂對菊芋多糖脫色效果較好。

圖1 樹脂脫色動(dòng)力學(xué)曲線

由圖2可見,樹脂對菊芋多糖有一定程度的吸附。D301-G樹脂對菊芋多糖的保留率最高,為92.28%,其次是D311和D201樹脂,對菊芋多糖保留率分別為89.12%、89.60%,三者之間無顯著性差異(p>0.05),但都顯著高于D296R樹脂對菊芋多糖的保留率83.49%(p<0.05)。D280樹脂對菊芋多糖的保留率為82.25%,與D296R樹脂相比無顯著性差異(p>0.05)。而S-8樹脂對菊芋多糖的保留率最低,為79.22%,顯著低于其他樹脂(p<0.05)。

圖2 樹脂對菊芋多糖保留率的影響(245 min)

不同的樹脂對菊芋多糖溶液色素的脫色率和多糖保留率都不相同,這可能與樹脂的表面特性、菊芋多糖溶液色素的復(fù)雜性以及其它成分的競爭吸附有關(guān)[22]。綜上考慮,選擇對菊芋多糖脫色效果最好、多糖保留率最高的D301-G大孔陰離子樹脂。

2.3 D301-G大孔樹脂對菊芋多糖色素的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)曲線 從圖3中可以看出,吸附反應(yīng)開始后,在最初20 min菊芋多糖色素被快速地吸附在D301-G樹脂上,此階段推動(dòng)力可能主要是由于固液兩相中吸附質(zhì)的濃度差以及吸附劑表面大量空余的吸附位點(diǎn);20～70 min為慢速吸附階段,此階段固液兩相中吸附質(zhì)的濃度差逐漸縮小,吸附劑表面的吸附位點(diǎn)趨于飽和;70～130 min 為吸附平衡階段,瞬時(shí)吸附速率(dQt/dt)逐漸減小到零。

圖3 菊芋多糖色素在D301-G樹脂上的吸附動(dòng)力學(xué)曲線

2.3.2 吸附動(dòng)力學(xué)特性 吸附速率可體現(xiàn)固-液界面上吸附質(zhì)的滯留時(shí)間,能夠控制影響靜態(tài)吸附的外界因素,保證D301-G大孔樹脂對菊芋多糖色素吸附的可重現(xiàn)性。通過對動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合,可發(fā)現(xiàn)吸附劑吸附溶質(zhì)的變化特征,從而對后續(xù)吸附行為具有一定指導(dǎo)和預(yù)測作用。常用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程來描述吸附過程。

準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程由Lagergren和Svenska提出[23],其方程可表示為:

式(5)

式中:K1為準(zhǔn)一級吸附速率常數(shù),min-1;Qt為單位樹脂在t時(shí)刻的吸附量,g-1;Qe為單位樹脂的飽和吸附量,即130 min時(shí)的吸附量,g-1。

準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程由McKay提出[24],其方程可表示為:

式(6)

式中:K2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)(min-1)。

以時(shí)間t橫坐標(biāo),分別以lg(Qe-Qt)、t/Qt為縱坐標(biāo)繪制準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)曲線、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)曲線,得到2條直線,經(jīng)線性回歸得動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 D301-G樹脂對菊芋多糖色素的吸附動(dòng)力學(xué)模型的擬合

從表3可以得出,準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9998,能更好地描述其吸附過程,這表明吸附過程中吸附質(zhì)的吸附速率與溶液中吸附質(zhì)含量的二次方成正比,可能通過共用電子或者交換電子完成[25]。

2.3.3 吸附控制機(jī)制的分析 通常脫色吸附過程由四個(gè)連續(xù)的過程組成。色素分子向大孔樹脂的擴(kuò)散,即外擴(kuò)散;色素分子向大孔樹脂表面的液膜中進(jìn)行擴(kuò)散,即膜擴(kuò)散;色素分子在大孔樹脂內(nèi)部孔徑中進(jìn)行擴(kuò)散,即顆粒內(nèi)擴(kuò)散;色素分子到達(dá)大孔樹脂內(nèi)部與其內(nèi)部活性基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),最終達(dá)到離子交換的目的，其中速度最慢的一步是離子交換過程的速度控制步驟[26-27]。所以認(rèn)為D301-G樹脂吸附色素由液膜擴(kuò)散,顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)組成。式7～9即分別為液膜擴(kuò)散、顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的控制方程[28]:

F=kt

式(7)

3-3(1-F)2/3-2F=kt

式(8)

1-(1-F)1/3=kt

式(9)

式中:F=Qt/Qe,k為擴(kuò)散系數(shù)。

以時(shí)間為t橫坐標(biāo),分別以F、3-3(1-F)2/3-2F、1-(1-F)1/3為縱坐標(biāo)繪制液膜擴(kuò)散,顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線,得到3條直線,經(jīng)線性回歸動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 D301-G樹脂對菊芋多糖色素粒子擴(kuò)散模型擬合方程及相關(guān)系數(shù)

由表4可知,顆粒擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的控制方程線性擬合的決定系數(shù)R2>0.94,可以分析得出D301-G大孔樹脂吸附色素可能主要受兩種模型的共同控制。但是溶液離子與樹脂的化學(xué)反應(yīng)速率很快,不能作為吸附速率控制的關(guān)鍵過程[29]。因此樹脂顆粒擴(kuò)散過程是D301-G樹脂吸附色素的關(guān)鍵控速步驟,廠家可以通過改變D301-G樹脂顆粒孔徑的大小改善脫色性能。

2.4 D301-G大孔樹脂對菊芋多糖的靜態(tài)吸附等溫線

固液吸附是發(fā)生在固液兩相界面上的表面效應(yīng)。當(dāng)吸附達(dá)到表觀平衡時(shí),吸附與解吸速率相等。在溫度不變條件下,吸附量只和濃度相關(guān),q=f(c),該函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。本文研究中,ce代表(A/A0),qe代表{(A0-A)/A0}/m,其中A0是菊芋多糖原液的色值,A是某時(shí)刻脫色后的色值,m是樹脂的用量[30]。利用兩個(gè)常用的模型,Freundlich模型和Langmuir模型,分析樹脂的吸附能力[31]。

Langmuir模型是基于“吸附劑的表面只能發(fā)生單分子層吸附”的假設(shè)而提出,Freundlich模型基于“非均一吸附的基礎(chǔ),吸附劑表面的活性化學(xué)能分布不均勻”而提出[32]。

Langmuir吸附模型:

式(10)

Freundlich吸附模型:

qe=KFce

式(11)

其線性化形式為;

式(12)

式中,qe為單位樹脂的平衡吸附量,g-1;qm為最大吸附量,g-1;KL為吸附平衡時(shí)的解離常數(shù);ce為吸附質(zhì)的平衡濃度;KF為平衡吸附系數(shù);n為特征常數(shù),表明吸附劑表面的不均勻性和吸附強(qiáng)度的相對大小。

用線性擬合來描述不同溫度條件下不同質(zhì)量濃度吸附質(zhì)和吸附劑的吸附平衡關(guān)系。以ce為橫坐標(biāo),ce/qe為縱坐標(biāo)對Langmuir方程進(jìn)行線性擬合。同時(shí),以lgce為橫坐標(biāo),lgqe為縱坐標(biāo)對Freundlich方程進(jìn)行線性擬合。不同模型擬合的相關(guān)系數(shù)列于表5和表6。

表5 Langmuir方程對色素在D301-G樹脂上吸附等溫線的擬合結(jié)果

表6 Freundlich方程對色素在D301-G樹脂上吸附等溫線的擬合結(jié)果

293、303、31 3K條件下D301-G樹脂對菊芋多糖溶液色素的吸附等溫線見圖4。從圖4可以看出,提高溫度,D301-G大孔樹脂對菊芋多糖色素的平衡吸附量呈增加的趨勢。等溫線為上凸曲線,表明吸附劑在較低溶質(zhì)濃度的液相中可吸附富集到較高濃度的溶質(zhì)。

圖4 不同溫度下D301-G樹脂對菊芋多糖色素吸附等溫線

由表5、表6可以看出,在所研究的濃度和溫度范圍內(nèi),Freundlich 方程能很好地描述 D301-G樹脂對菊芋多糖色素的吸附等溫線,R2均大于 0.99。從 Freundlich 模型給出的參數(shù)KF、n可知,在293～313 K時(shí),KF隨著溫度的升高而增大,表明溫度升高D301-G樹脂對色素的吸附能力和結(jié)合能力增大。這可能是由于溫度升高使吸附質(zhì)能夠達(dá)到能量較高的吸附位點(diǎn)。特征常數(shù)n大于1,表明為優(yōu)惠吸附,吸附比較容易的進(jìn)行[33]。

2.5 D301-G大孔樹脂對菊芋多糖色素的吸附熱力學(xué)

吸附量為定值時(shí),熱力學(xué)參數(shù)吸附焓變?chǔ)根據(jù)范托夫定律計(jì)算[34]:

式(13)

式中:ce1是在絕對溫度時(shí),特定吸附量qe1下溶質(zhì)的平衡濃度,本文考察三種平衡吸附量(qe1=0.1、0.2和0.3),ce1由Freundlich等溫方程計(jì)算得出;R是氣體常數(shù)(8.314 J/mol·K);K為常數(shù)。

吸附自由能變?chǔ)通過Gibbs方程計(jì)算[35]:

式(14)

式中:X代表平衡溶液中吸附質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù),Q為吸附量。若吸附等溫線符合Freundlich等溫線,當(dāng)吸附質(zhì)濃度較低時(shí),得到吸附自由能變與Q無關(guān)。

ΔG=-nRT

式(15)

吸附熵變?chǔ)通過Gibbs-Helmholtz方程計(jì)算[36]:

ΔS=(ΔH-ΔG)/T

式(16)

表7為D301-G樹脂對菊芋多糖溶液色素的吸附熱力學(xué)結(jié)果。0<|ΔH|<40 kJ·mol-1,表明吸附過程吸熱過程,在研究的溫度范圍內(nèi)升溫是有利于菊芋多糖色素吸附。同時(shí)吸附焓隨著吸附量的增加逐漸降低,這可能與已吸附分子偶極矩的存在以及樹脂表面吸附中心的能量不同有關(guān)。一般來說,吸附焓的大小取決于溶質(zhì)吸附熱和溶劑脫附熱之間的差值[37]。ΔG<0,表明吸附是可以自發(fā)進(jìn)行,絕對值越大吸附過程的自發(fā)趨勢也越大。ΔS>0,說明吸附是熵增過程。在樹脂吸附色素過程中,色素被吸附到樹脂表明時(shí)喪失自由度是熵減少的過程,但是色素的吸附會(huì)導(dǎo)致樹脂上的其它吸附質(zhì)和水分子解析(水分子脫附是熵增過程),整個(gè)吸附過程是總熵變增大的過程。

表7 D301-G樹脂對菊芋多糖溶液色素的吸附熱力學(xué)性質(zhì)

3 結(jié)論

D301-G樹脂對菊芋多糖溶液脫色效果最好,脫色率為79.63%,多糖的保留率為92.28%。D301-G大孔樹脂吸附菊芋多糖時(shí)吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程,而且顆粒擴(kuò)散是控制吸附速率的主要步驟。另外在293～313 K期間吸附等溫線更符合Freundlich模型,吸附過程可能為多分子層。吸附過程焓變?yōu)檎?且其絕對值小于40 kJ/mol,表明吸附過程為吸熱過程;吉布斯自由能為負(fù),說明吸附過程自發(fā)進(jìn)行;熵變?yōu)檎?說明吸附過程是一個(gè)熵增過程。