中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇靜態吸附性能的研究

任娜,孫慧,王聰慧,趙卓,魏微

(北京聯合大學 生物化學工程學院 食品科學與工程系,北京 100023)

白藜蘆醇(又名芪三酚),是一種含有芪類結構的非黃酮類多酚化合物[1],主要存在于葡萄、虎杖[2]、花生、朝鮮槐[3]等植物中,具有抗癌、抗菌、抗氧化、降血脂和抗誘變等作用[4]。

白藜蘆醇的純化方法有柱層析法[5]、分子印跡法[6]、高速逆流色譜分離[7]、膜分離法[8]、吸附法[9]、高效液相色譜法[10]、有機溶劑萃取法[11]等。其中吸附法主要采用大孔樹脂作為吸附劑,而炭材料具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積和孔容。本研究選用中孔炭對葡萄葉中的白藜蘆醇進行吸附,通過靜態吸附實驗研究其吸附機理,以期為吸附法純化白藜蘆醇提供新的吸附劑。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

葡萄葉(河北懷來葡萄園)；大孔樹脂X-5、大孔樹脂AB-8均為凈品級；白藜蘆醇標品,色譜純。

3K15高速冷凍離心機；JM6102電子天平；LGJ-10C冷凍干燥機；UV-1600紫外可見分光光度計；HJ-6A多頭磁力加熱攪拌器；FW-100高速萬能粉碎機。

1.2 葡萄葉中白藜蘆醇的提取

1.2.1 葡萄葉的預處理 選取鮮亮、無表面損傷的葡萄葉,用自來水清洗干凈,自然晾干。用FW-100高速萬能粉碎機粉碎后,過50目篩網,得到葡萄葉粉末,-22 ℃條件下真空密封保存。

1.2.2 白藜蘆醇的提取 取一定質量的葡萄葉,按不同的料液比(g/mL),以不同配比的溶劑與水的混合液作為提取溶劑,在一定提取溫度下提取一定的時間,利用旋轉蒸發儀去除提取液中的提取溶劑,得到含有白藜蘆醇的粗提物。

1.2.3 白藜蘆醇的分析測試 反式白藜蘆醇在306 nm處有最大吸收波長,使用紫外分光光度法測定白藜蘆醇具有選擇性好,靈敏度高,操作方便等特點。檢測波長306 nm處的吸光度,并結合白藜蘆醇的標準曲線確定白藜蘆醇含量。

1.3 實驗方法

1.3.1 吸附等溫線的測定 準確量取一定體積、一定濃度的白藜蘆醇粗提液,置于250 mL帶塞錐形瓶中。加入一定量的中孔炭,在不同溫度(25,35,45 ℃)吸附,吸附達到平衡后,取上清液,過膜,用紫外分光光度計在306 nm測定其吸光度。

根據以下公式計算吸附量。

qe=(C0-Ce)V/m

(1)

式中qe——吸附量,mg/g；

V——溶液的體積,mL；

C0——溶液的初始濃度,mg/mL；

Ce——溶液的平衡濃度,mg/mL；

m——吸附劑的質量,g。

根據實驗數據判斷滿足的吸附模型,最常用的模型是Langmuir和Freundlich吸附模型。

①Langmuir等溫吸附模型[12]：

Ce/qe=1/KLqm+Ce/qm

(2)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡濃度,mg/L；

qm——最大吸附量,mg/g；

KL——吸附常數,L/mg。

②Freundlich等溫吸附模型[13]：

lgqe=1/nlgCe+lgKF

(3)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡濃度,mg/L；

KF——Freundlich吸附常數,L/g；

1/n——Freundlich指數。

1.3.2 吸附動力學特性的測定 吸附動力學研究整個吸附過程中吸附量與時間的關系,常用的模型有一級動力學模型和二級動力學模型[14]。配制一定濃度的白藜蘆醇溶液,加入一定量的中孔炭。在不同的時間點取樣,測定其白藜蘆醇濃度。利用的動力學模型公式如下：

①一級動力學模型公式：

ln(qe-qt)=lnqe-tk1

(4)

式中qt——某時刻的吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k1——準一級動力學模型速率常數,min-1。

②二級動力學模型公式：

(5)

式中qt——某時刻吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k2——二級動力學模型速率常數,g/(mg·min)。

1.3.3 吸附過程控制步驟的探討 為了考察吸附過程中所涉及的控制機制,我們用Weber Morris模型對吸附過程進行了分析。模型公式如下所示[15]。

qt=kdt1/2+C

(6)

式中qt——某時刻吸附量,mg/g；

kd——擴散速率常數；

C——反映邊界層厚度的常數。

1.3.4 中孔炭吸附白藜蘆醇的熱力學探討 通過吸附熱力學參數,進一步討論中孔炭對白藜蘆醇的吸附機理。

焓變(ΔH)根據下列等式計算：

logCe=-logK0+ΔH/2.303RT

(7)

式中Ce——平衡時的白藜蘆醇濃度,g/L；

K0——常數；

T——絕對溫度,K；

R——理想氣體常數(8.314 J/mol·K)。

通過logCe對1/T作圖得到ΔH(結果見圖6)。

吸附自由能(ΔG)使用以下等式計算：

ΔG=-nRT

(8)

其中,n代表Freundlich指數,因為吸附數據符合Freundlich模型。

吸附熵變(ΔS)可通過以下公式得到:

ΔG=ΔH-TΔS

(9)

其中,ΔH是焓變,ΔS是熵變,ΔG是吉布斯自由能變化,T是溫度(K)。

2 結果與討論

2.1 中孔炭的靜態吸附等溫線

以平衡吸附量對白藜蘆醇平衡濃度作吸附等溫線,結果見圖1。

由圖1可知,在25,35,45 ℃下,中孔炭對白藜蘆醇的吸附量隨著濃度的增加而增加,且溫度25～45 ℃范圍內,中孔炭對白藜蘆醇的平衡吸附量隨著溫度的升高而逐漸升高,說明升高溫度更有利于中孔炭對白藜蘆醇的吸附。

圖1 不同溫度下中孔炭對葡萄葉中 白藜蘆醇的吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves at different temperatures

之后我們分別對不同溫度下的靜態吸附實驗數據進行Freundlich、Langmuir方程的擬合,結果分別見圖2和圖3,相應的參數見表1。

圖2 25,35,45 ℃時的Langmuir吸附等溫線圖Fig.2 Adsorption isotherm of Langmuir at 25,35,45 ℃

圖3 25,35,45 ℃時的Freundlich吸附等溫線圖Fig.3 Adsorption isotherm of Freundlich at 25,35,45 ℃

T/℃LangmuirFreundlichqmaxKLR2KFnR225126.4221.028×10-20.97512.9502.9270.99335144.9281.057×10-20.97614.0232.8350.98945153.8461.477×10-20.98722.7593.4250.987

由圖2、圖3和表1可知,在3種溫度條件下,以Ce/qe對Ce作圖,lnqe對lnCe作圖,得到的圖形具有良好的線性相關性(R2>0.9),說明中孔炭的吸附等溫線與Langmuir和Freundlich方程的吻合性均較好,因此Langmuir和Freundlich方程均可以較好地表述中孔炭對白藜蘆醇的吸附。

通過考察表1吸附模型的參數,可以得出,在25～45 ℃范圍內,對于Langmuir模型,最大吸附量隨著溫度的升高而升高；當溫度為45 ℃時,最大吸附量為153.846 mg/g,說明較高的溫度有利于中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程；對于Freundlich模型,溫度為45 ℃時,n值最大,為3.425,說明較高的溫度有利于吸附過程。

李燕等[16]采用4種大孔樹脂對虎杖中白藜蘆醇進行靜態吸附,在25 ℃下繪制了吸附等溫線,其中吸附效果最好的HPD722樹脂的最大平衡吸附量為30 mg/g；黃衛文等[17]選用DA-201樹脂對花生根中白藜蘆醇進行靜態吸附,在308 K(K=273.15 k+℃)下達到最大平衡吸附量12.658 mg/g。將本研究的平衡吸附量和以上文獻進行對比,結果表明,本研究選用的中孔炭平衡吸附量明顯高于文獻中選用的吸附劑。

2.2 中孔炭的吸附動力學特性

分別在溫度25,35,45 ℃條件下,用中孔炭對葡萄葉提取液中的白藜蘆醇進行吸附,得到各個時刻下的吸附量(mg/g)。由圖4可知,中孔炭對白藜蘆醇的吸附為快速平衡型,在60 min基本已經達到平衡。即起始階段吸附速率較快,40 min后吸附量增加變緩慢,而在60 min后吸附量隨時間變化不大。

圖4 中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇吸附動力學曲線Fig.4 Adsorption kinetics of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves

分別對25,35,45 ℃條件下的靜態吸附實驗的結果進行一級動力學方程和二級動力學方程的擬合,結果見圖5和圖6,相應的動力學模型的參數見表2。

圖5 25,35,45 ℃下的一級動力學擬合曲線Fig.5 First-order kinetic fit curves at 25,35,45 ℃

圖6 25,35,45 ℃下的二級動力學擬合曲線Fig.6 Second-order kinetics fitting curves at 25,35,45 ℃

溫度/℃一級動力學模型二級動力學模型k1/h-1qe/(mg·g-1)R2k2/(g·g-1·min-1)qe/(mg·g-1)R2250.042105.5770.9825.842×10-4129.8700.993350.03885.7990.9718.246×10-4129.8700.998450.03467.5600.8941.217×10-3136.9860.999 8

綜合圖5、圖6可看出,在3個溫度條件下,中孔炭對白藜蘆醇的吸附均符合二級動力學模型,且表2中3個溫度下二級動力學模型的R2均>0.99。因此可以得出,中孔炭對葡萄葉中的白藜蘆醇符合二級動力學模型。

2.3 吸附過程控制機理探討

采用Weber Morris模型考察25,35,45 ℃條件下靜態吸附的控制機理,結果見圖5。

圖7 25,35,45 ℃時中孔炭對白藜蘆醇 靜態吸附Weber Morris模型擬合Fig.7 Static adsorption of resveratrol by mesoporous carbon at 25,35,45 ℃ by Weber Morris model

根據Weber Morris模型,如果qt與t1/2的曲線是線性的,并且通過原點,粒子內擴散是影響吸附速率的控制步驟；如果qt與t1/2的曲線的直線部分不通過原點,那么外擴散和粒子內擴散共同控制整個吸附過程。由圖7可知,3個溫度下qt與t1/2的曲線均不成直線關系,說明在25,35,45 ℃時,均是外擴散和粒子內擴散共同控制整個吸附過程。

2.4 中孔炭吸附的熱力學探討

根據焓變的計算公式,通過logCe對1/T作圖得出ΔH,見圖8。3種熱力學參數ΔH、ΔG、ΔS的具體數據見表3。

圖8 log Ce對1/T的關系Fig.8 log Ce vs 1/T

ΔH/(kJ·mol-1)ΔG/(kJ·mol-1)298 K308 K318 KΔS/[(J·(mol·K)-1]30.497-13.718-15.223-16.685148.397

由表3可知,ΔH值<40 kJ/mol且為正值,表示中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程為吸熱和物理吸附過程；ΔG在298,308,318 K下均為負值,表明該吸附反應是自發過程；ΔS為正,表明固-液界面處混亂度的增加。

3 結論

通過研究中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇的靜態吸附實驗,發現Langmuir和Freundlich方程均可以較好地表述中孔炭對白藜蘆醇的吸附。吸附動力學研究表明,中孔炭對白藜蘆醇的吸附較符合二級動力學模型(R2>0.99)。結合Weber Morris模型,外擴散和粒子內擴散共同控制中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程。中孔炭對白藜蘆醇的熱力學研究表明,吸附過程是自發進行的吸熱反應。