凹凸棒土對梨果汁中棒曲霉素的吸附作用

張 珊，張 蕊，薛華麗*，馬亞云，畢 陽，宗元元

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

‘皇冠’梨是我國常年種植的梨果品種，因其獨特的香味、甜度和鮮度受到人們的關(guān)注[1-2]，將其加工成梨汁飲料，既充分利用了梨果實資源，又提高了梨果實的利用價值[3]。梨汁是梨果的主要加工品之一，隨著人們生活水平的提高和消費觀念的轉(zhuǎn)變，梨汁的潮流化已趨于必然[4]。

青霉病是梨果實采后的一種重要病害，該病害不僅造成果實采后巨大的經(jīng)濟損失[5]，還會在果實體內(nèi)代謝產(chǎn)生棒曲霉素[6]。棒曲霉素會產(chǎn)生嚴(yán)重的急性和慢性毒性，包括致癌性和誘變作用等人類健康問題[7]。在青霉病蘋果中，不僅果實病部組織中存在棒曲霉素的污染，周圍健康組織中也檢測到了該毒素[8]。棒曲霉素在水果制品中污染現(xiàn)象極為普遍。目前，歐盟和美國食品和藥品監(jiān)督管理局規(guī)定蘋果汁中棒曲霉素限量標(biāo)準(zhǔn)為50 μg/kg[9-10]，用于嬰幼兒的果汁和食品中最高質(zhì)量濃度為10 μg/L[11]。因此，果汁中棒曲霉素的含量及控制技術(shù)和安全性應(yīng)當(dāng)引起人們的重視。

目前，主要采用物理、化學(xué)、生物等方法去除果汁中的棒曲霉素[12]。凹凸棒土作為一種水合鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，具有來源廣泛、價格低廉、結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異的優(yōu)勢[13-15]。同時，凹凸棒土由于具有獨特的三維空間結(jié)構(gòu)，且具有比表面積大、懸浮液黏度大、吸附能力強等特點，其在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；在環(huán)境研究領(lǐng)域中，它被用于吸附染料[16]。1990年朱振海等對凹凸棒土安全性及毒理學(xué)的研究證明，凹凸棒土是一種安全性較高的新型天然吸附劑[17]。凹凸棒土結(jié)構(gòu)中的八面體結(jié)構(gòu)中陽離子Al3+、Fe3+、Fe2+、Mg2+在加熱的酸溶液中能夠被溶解，陽離子的溶解順序為：Mg2+＞Fe2+＞Fe3+＞Al3+[18]。有研究表明，凹凸棒土在酸性溶液中，144 h內(nèi)Al3+的釋放量小于1 μmol/25 mL[19]，符合我國食品安全標(biāo)準(zhǔn)（≤100 mg/kg）。在食品領(lǐng)域中，凹凸棒土目前已應(yīng)用于菜籽油和大豆油油脂脫色、黏稠度高的產(chǎn)品脫色及精制[20]，提高啤酒中非生物穩(wěn)定性、葡萄酒類的澄清和飲用水的凈化等吸附作用[21-23]。GB 2760—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》已將凹凸棒土列入食品中允許使用的加工助劑，但國際上還沒有凹凸棒土的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。然而，關(guān)于凹凸棒土吸附去除果汁中真菌毒素的研究還鮮見報道。

本研究選用凹凸棒土吸附梨汁中的棒曲霉素，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，研究凹凸棒土對梨汁中棒曲霉素吸附等溫線、熱力學(xué)及動力學(xué)特性，并對比吸附前后梨果汁營養(yǎng)品質(zhì)變化，為梨在實際生產(chǎn)加工中提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

皇冠梨（7 成熟，240～260 g）于2017年9月采自甘肅省景泰縣條山農(nóng)場。

凹凸棒土（80～150 目）為磚紅色粉末，由甘肅西部凹凸棒石應(yīng)用研究院提供。

棒曲霉素（純度99.8%） 青島普瑞邦科技有限公司；果膠酶（酶活力40 000 U/g） 索萊寶生物科技有限公司；乙腈（色譜純）、乙酸乙酯 上海康穩(wěn)生物科技有限公司；鄰苯二甲酸氫鉀、冰乙酸、福林-酚 天津市大茂化學(xué)試劑廠；沒食子酸、3,5-二硝基水楊酸 成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FL2200-2型高效液相色譜儀 浙江分析儀器股份有限公司；MX-S型渦漩混合器 上海然泰生物科技有限公司；3K-15高速冷凍離心機 美國Sigma公司；SPX-250-Z-S振蕩培養(yǎng)箱 上海躍進醫(yī)療器械有限公司；JC-WD-24水浴氮吹儀 青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司；RE-2000B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；TU-1901雙光束紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；NDJ-8S旋轉(zhuǎn)式黏度計 上海右一儀器有限公司；阿貝折光儀 上海艾測電子科技有限公司；CC-600（R）plus原汁機 圖們惠人電子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 梨汁的制備

取無明顯病害的皇冠梨，清洗后去核，在用酒精棉擦拭的工作臺上按質(zhì)量比1∶10加入蒸餾水在原汁機中進行榨汁，再加入質(zhì)量濃度為0.02 g/L的果膠酶，玻璃棒攪拌均勻，50 ℃條件下水浴進行1 h酶解，冷卻，5 000 r/min離心5 min取上清液，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 凹凸棒土前處理

將凹凸棒土先用蒸餾水清洗2～3 次，浸泡24 h，每間隔8 h攪拌一次，最后用去離子水反復(fù)清洗至中性（pH 7），60 ℃烘箱烘干，磨碎后保存，待用。

1.3.3 凹凸棒土吸附梨汁中的棒曲霉素

在40 ℃下，經(jīng)4.15 g/L凹凸棒土吸附梨汁樣品24 h，5 000 r/min離心5 min取上清液，在分液漏斗中用乙酸乙酯等體積重復(fù)提取3 次，提取液放入圓底燒瓶中在40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中濃縮至干，濃縮結(jié)束用2 mL pH 4的乙酸進行溶解，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾，取濾液。

1.3.4 棒曲霉素質(zhì)量濃度的測定

分別取吸附前的梨汁和1.3.3節(jié)的梨汁濾液，采用高效液相色譜法測定其中棒曲霉素質(zhì)量濃度，具體根據(jù)GB 5009.185—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中展青霉素的測定》[24]中方法，并稍作修改。色譜柱：C18反相柱（250 nm×4.6 nm，5 μm）；檢測器：紫外檢測器；波長：276 nm；流動相：V（乙腈）∶V（水）=1∶9；流速：1.0 mL/min；柱溫：30 ℃；進樣量20 μL。

棒曲霉素的吸附率計算見式（1）[25]。

式中：ρ0和ρe分別為梨汁中棒曲霉素初始質(zhì)量濃度/（μg/mL）和吸附后平衡質(zhì)量濃度/（μg/mL）。

1.3.5 熱力學(xué)吸附實驗

準(zhǔn)確配制棒曲霉素初始質(zhì)量濃度（ρ0）分別為3、5、8、10、12、15 μg/mL的梨果汁200 mL，分別取20 mL于150 mL錐形瓶中，加入4.15 g/L經(jīng)處理的凹凸棒土，放置在溫度為30、40、50 ℃的振蕩培養(yǎng)箱中，在120 r/min條件下振蕩吸附24 h，離心分離，取上清液測定棒曲霉素質(zhì)量濃度，得到平衡吸附量（qe），繪制等溫線。然后用Langmuir和Freundlich等溫線方程進行擬合。

1.3.5.1 熱力學(xué)吸附等溫線模型

Langmuir模型是假設(shè)在均勻的表面上進行單層吸附，不存在吸附物之間的遷移現(xiàn)象，該模型適用于具有有限多個相同位置的表面單層吸附。Freundlich模型認(rèn)為吸附是一個多分子層的物理吸附過程，常用于描述在不均勻表面的吸附過程。

吸附過程通常由Langmuir和Freundlich等溫線方程描述分子與吸附劑表面的相互作用，這2 種吸附等溫線模型分別見公式（2）、（3）[26]。

式中：ρe為凹凸棒土吸附后棒曲霉素的平衡質(zhì)量濃度/（μg/mL）；qe為吸附平衡條件下每克吸附劑的吸附量/（μg/g）；qm為凹凸棒土吸附過程中單層吸附容量/（μg/g）；KL是有關(guān)吸附自由能和吸附親和力的Langmuir吸附平衡常數(shù)；Kf為Freundlich模型中與吸附容量有關(guān)的常數(shù)；n為Freundlich模型中與吸附強度有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，隨材料的非均勻性而變化。

1.3.5.2 熱力學(xué)公式

吸附過程的自發(fā)性可以通過計算吉布斯自由能（ΔG/（kJ/mol））、焓變（ΔH/（kJ/mol））和熵變（ΔS/（kJ/（mol·K）））等熱力學(xué)參數(shù)來確定，根據(jù)ΔG預(yù)測自發(fā)性的程度，其值為負(fù)即容易發(fā)生吸附[27]。ΔG、ΔH、ΔS的計算分別見方程（4）～（6）。

式中：R為理想氣體常數(shù)（8.314（J/（mol·K）））；T為絕對溫度/K；C為常數(shù)；n為Freundlich模型中的吸附指數(shù)。

1.3.6 動力學(xué)吸附實驗

準(zhǔn)確配制棒曲霉素質(zhì)量濃度3.0 μg/mL的梨果汁20 mL于150 mL錐形瓶中，加入4.15 g/L經(jīng)處理的凹凸棒土，放入40 ℃振蕩培養(yǎng)箱中，在120 r/min條件下振蕩分別振蕩3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36 h，離心分離，取上清液測定棒曲霉素質(zhì)量濃度。

為了了解凹凸棒土在梨果汁中的吸附動力學(xué)，采用準(zhǔn)一級（式（7））和準(zhǔn)二級（式（8））動力學(xué)模型來描述和分析[28]。

式中：qt為t時刻的吸附量/（μg/g）；q1、q2分別為為準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型平衡吸附量/（μg/g）；k1/min－1、k2/（g/（μg·min））分別為準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的平衡吸附速率常數(shù)。

1.3.7 凹凸棒土吸附對梨汁品質(zhì)的影響

1.3.7.1 凹凸棒土吸附梨汁處理

在150 mL錐形瓶中加入20 mL梨汁，加入4.15 g/L經(jīng)處理的凹凸棒土，然后放于30、40、50 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中吸附0、6、9、12、15、18、21、24、27 h，離心備用。

1.3.7.2 梨汁品質(zhì)指標(biāo)測定

取1.3.7.1節(jié)中40 ℃條件下吸附不同時間的梨汁進行品質(zhì)指標(biāo)測定。總酸質(zhì)量濃度采用直接滴定法測定；還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用3,5-二硝基水楊酸法測定[29]；總酚質(zhì)量濃度采用福林-酚比色法測定[30]；可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用折光儀法測定；黏度采用旋轉(zhuǎn)黏度計測定；色值以420 nm波長處果汁的吸光度表示；在625 nm波長處測定果汁的透光率。

品質(zhì)指標(biāo)變化率計算見公式（9）。

式中：A1為吸附后梨汁中品質(zhì)指標(biāo)水平；A2為吸附前梨汁中品質(zhì)指標(biāo)水平。

1.3.7.3 感官評價

感官評價小組由6 名（3男、3女）食品專業(yè)背景知識的評價員組成，參照戈振揚[31]、張夢月[32]等的感官評價方法，根據(jù)本實驗梨汁的實際情況進行修改，在30、40、50 ℃下對梨汁組織狀態(tài)、色澤、氣味3 個方面進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。最終感官評分為這3 個指標(biāo)得分之和，當(dāng)總分之和在8～10 分時，表示易接受；在5～8 分時，表示可以接受；在0～5 分時表示很難接受。

表1 梨汁產(chǎn)品的感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for sensory evaluation of pear juice

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計算；采用SPSS 17.0軟件的Duncan's多重比較進行差異顯著性分析；采用Origin 9.0軟件進行線性回歸分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凹凸棒土對梨果汁中棒曲霉素的吸附等溫線及模型

吸附等溫線表示吸附過程達(dá)到平衡狀態(tài)時吸附分子在液相和固相之間的分布情況。通過擬合不同溫度的等溫線模型對實驗數(shù)據(jù)進行分析，是尋找適合設(shè)計模型的重要步驟。用理論方程或經(jīng)驗方程關(guān)聯(lián)平衡數(shù)據(jù)對于實際吸附系統(tǒng)的設(shè)計和操作也是非常必要的[33]。在不同溫度下，凹凸棒土對梨果汁中棒曲霉素的吸附等溫線如圖1所示，隨著梨汁中棒曲霉素初始質(zhì)量濃度的增加，凹凸棒土對棒曲霉素的吸附量也逐漸增加，這可能是吸附劑表面的孔徑增大和活化所致[34]。3 條等溫線中，30 ℃時吸附量最少，說明低溫不利于凹凸棒土對棒曲霉素的吸附，40 ℃和50 ℃時吸附量相對較高，說明高溫有利于凹凸棒土的吸附，且40 ℃時吸附量最高。

圖1 凹凸棒土對梨果汁棒曲霉素吸附等溫線Fig. 1 Adsorption isotherms at different temperatures

為了研究吸附等溫線，用Langmuir和Freundlich模型擬合等溫線數(shù)據(jù)，分別得到不同溫度下的相關(guān)參數(shù)（表2）。2 種模型擬合效果均較好（R2＞0.98）。對比兩種模型R2可以看出，F(xiàn)reundlich模型能更好地反映凹凸棒土對棒曲霉素的吸附作用。Freundlich方程中的n可反映吸附效果，時，吸附效果不明顯時，吸附是單向進行的；時，吸附效果較好。表2顯示，當(dāng)溫度為30 ℃時，F(xiàn)reundlich模型中的，說明吸附效果不明顯；而當(dāng)溫度為40 ℃和50 ℃時，表明凹凸棒土對棒曲霉素有較好的吸附效果。吸附溫度的升高對凹凸棒土吸附棒曲霉素是有利的，表明該實驗的吸附屬于吸熱過程。同時，Kf是Freundlich模型的特征常數(shù)，隨著溫度的升高Kf值增大，也表明凹凸棒土對棒曲霉素的吸附是一個吸熱過程。

2.2 凹凸棒土吸附梨果汁中棒曲霉素的熱力學(xué)參數(shù)

由表3可知，ΔH＞0，說明凹凸棒土對梨果汁中棒曲霉素的吸附屬于吸熱過程，這與吸附等溫線所得吸熱過程相一致。3 種不同溫度下ΔG＜0，說明吸附過程是自發(fā)反應(yīng)，也說明凹凸棒土對棒曲霉素具有很強的親和力。在固液體系中的吸附過程是兩個過程的組合，包括吸附的溶劑（水）分子的解吸和吸附物種的吸附[35]。ΔS＞0，說明棒曲霉素在溶劑中的運動受到抑制，且吸附后不易被水分子解吸，利于吸附反應(yīng)的進行，可能是因為吸附時棒曲霉素固定在交換點上，降低了系統(tǒng)的自由度，使凹凸棒土對棒曲霉素的吸附更容易。

表2 不同溫度下Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型擬合回歸方程和吸附參數(shù)Table 2 Model fitting and adsorption data of Langmuir and Freundlich isotherm models

表3 凹凸棒土吸附梨汁中棒曲霉素的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of patulin adsorption by attapulgite

2.3 凹凸棒土對梨果汁中棒曲霉素的吸附動力學(xué)模型

圖2 凹凸棒土對梨果汁棒曲霉素靜態(tài)吸附曲線Fig. 2 Adsorption static curves of patulin in pear juice by attapulgite

凹凸棒土對梨汁中棒曲霉素的靜態(tài)吸附如圖2所示，隨著吸附時間的延長，凹凸棒土對棒曲霉素吸附量先增加后降低，其中在24 h時吸附量和吸附率最大，分別為510.07 μg/g和70.57%。

表4 動力學(xué)模型擬合方程及模型參數(shù)Table 4 Kinetic models and parameters for patulin adsorption

由表4可知，準(zhǔn)二級模型預(yù)測的平衡吸附量（q2）總高于準(zhǔn)一級動力學(xué)模型預(yù)測的平衡吸附量（q1），但準(zhǔn)一級速率方程的R2大于準(zhǔn)二級速率方程，說明準(zhǔn)一級動力學(xué)模型能更好地反映實驗結(jié)果。本研究是準(zhǔn)一級動力學(xué)模型擬合效果較好的少數(shù)幾種情況之一，在吸附期的大部分時間內(nèi)，吸附速率受各種擴散方式的控制，動力學(xué)模型被認(rèn)為能更好地反映實際化學(xué)和物理現(xiàn)象發(fā)生的經(jīng)驗方程式[36]。吸附時間與吸附量、吸附率之間的非線性關(guān)系表明，在吸附過程中，有離子交換、螯合和物理吸附等作用機制。

2.4 凹凸棒土吸附對梨果汁品質(zhì)的影響

2.4.1 品質(zhì)指標(biāo)

表5 凹凸棒土吸附過程中梨果汁理化指標(biāo)水平的變化Table 5 Changes of physicochemical indexes levels of pear juice during the adsorption process by attapulgite

如表5所示，隨著吸附時間的延長，總酸、還原糖、黏度、可溶性固形物、總酚水平顯著下降，而透光率、色值下降速率較慢。

圖3 凹凸棒土吸附過程中梨果汁棒曲霉素及理化指標(biāo)水平的變化率Fig. 3 Change rate of patulin and physicochemical indexes levels of pear juice during the adsorption process by attapulgite

由圖3可知，隨著吸附時間的延長，棒曲霉素質(zhì)量濃度及各品質(zhì)指標(biāo)變化率不斷增加，其中總酸質(zhì)量濃度變化率最大，可能是凹凸棒土在吸附過程中陽離子與溶液陰離子結(jié)合所致。還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和總酚質(zhì)量濃度減少是因為凹凸棒土對這兩種物質(zhì)也起了脫除效果。透光率和色值均變化較小。在吸附過程中各品質(zhì)指標(biāo)水平最大變化率分別為：還原糖33.78%、總酸46.96%、總酚34.97%、可溶性固形物21.95%、黏度44.73%、透光率2.64%、色值14.46%。當(dāng)棒曲霉素初始質(zhì)量濃度為3 μg/mL時，凹凸棒土吸附24 h后，棒曲霉素的吸附率高達(dá)70.57%（圖2）。綜合比較，凹凸棒土在有效去除棒曲霉素的同時一定程度地保留了營養(yǎng)物質(zhì)。

2.4.2 感官評價

圖4 梨汁經(jīng)凹凸棒土吸附后的感官評分Fig. 4 Sensory scores of pear juice after adsorption

從圖4中可以看出，在所有實驗吸附時間范圍內(nèi)（6～27 h），30 ℃和40 ℃組的梨汁感官評分都在7.5 分以上，梨汁溶液均勻，香味在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)溫度上升到50 ℃時，隨著吸附時間的延長，梨汁的香氣逐漸消失且產(chǎn)生異味，變得不可接受，這可能是因為溫度的升高加速了非酶褐變，產(chǎn)生了令人不愉快的氣味。綜合比較下，溫度低于50 ℃時，梨汁的感官評價結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

熱力學(xué)分析結(jié)果表明，凹凸棒土對梨汁中棒曲霉素有較好的吸附效果，且該吸附是自發(fā)吸熱的過程，F(xiàn)reundlich等溫線可以更好地反映不同溫度下凹凸棒土對棒曲霉素的平衡吸附。動力學(xué)研究結(jié)果表明，相比于準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，準(zhǔn)一級動力學(xué)模型更能反映本實驗結(jié)果，并在吸附過程中伴隨有離子交換、螯合和物理吸附等作用機制；且當(dāng)梨汁中棒曲霉素初始質(zhì)量濃度為3 μg/mL時，4.15 g/L凹凸棒土在40 ℃條件下吸附24 h時，對棒曲霉素的吸附量和吸附率最大，分別為510.07 μg/g和70.57%。

梨汁在經(jīng)吸附過程中，總酸、還原糖、黏度、可溶性固形物、總酚水平顯著下降，透光率、色值下降速率較慢。對梨汁進行感官評價，綜合比較得到吸附溫度在30～40 ℃時梨汁感官特性總體在可接受范圍內(nèi)。本研究發(fā)現(xiàn)，相比較其他吸附條件，棒曲霉素初始質(zhì)量濃度為3 μg/mL、溫度40 ℃、凹凸棒土吸附24 h能很大程度地減少棒曲霉素含量。