磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的制備及其對蘋果汁有機酸的吸附

姜飛虹，雷歡慶，任婷婷，孟掉琴，岳田利,*

（1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100;2.農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室（楊凌），陜西 楊凌 712100;3.國家楊凌農業綜合試驗工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100）

中國是蘋果生產大國，2017年我國蘋果種植面積250.96萬 hm2，產量4 548.40萬 t，均居世界首位[1]。蘋果汁是有機酸的天然來源之一，有機酸含量豐富[2-4]，特別是L-蘋果酸含量最高[5]，有機酸具有改善記憶[6]、抗氧化、抗疲勞、促進藥物吸收[7]等眾多功能。因此可以利用豐富的蘋果資源來提取天然有機酸。傳統的有機酸提取方法一般為鈣鹽沉淀法[8]與有機溶劑萃取法[9-10]，這兩種方法均引入外加試劑，后續處理復雜，有機酸回收成本高。近年來有學者利用離子交換樹脂[11-13]、殼聚糖[14-16]等材料來吸附分離溶液中的有機酸，取得一定的進展。目前關于蘋果汁有機酸吸附分離的報道較少，僅有學者利用樹脂型吸附劑來吸附分離蘋果汁中的有機酸[11-12]。但樹脂型吸附劑對有機酸的吸附量以及吸附選擇性不高、吸附劑回收以及重生困難、操作繁瑣。殼聚糖是一種天然可降解的堿性多糖，價廉易得、無毒無害、生物相容性好，在水處理[17-18]、固定化酶[19]、多酚吸附[20]、重金屬吸附[21]、藥物載體[22-23]等方面都有廣泛的應用。殼聚糖富含氨基，可以用來吸附有機酸[14]。但是殼聚糖在酸性溶液中易流失，且與溶液分離困難，難以直接利用。因此考慮將殼聚糖與磁性材料相結合，通過反相懸浮交聯法制成磁性殼聚糖復合微球，使之既可以利用殼聚糖層的氨基基團發揮吸附作用，又能兼具良好的磁響應性能，磁性殼聚糖復合微球具有操作簡便、分離快速、分離效率高等眾多優點，可以彌補一般傳統分離方法的不足。本實驗旨在制備一種磁響應強的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球，用于吸附分離蘋果汁中的有機酸，并且微球洗脫之后可以反復使用，為建立一種新型環保的有機酸吸附分離方法提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

70 °Brix濃縮蘋果汁購自陜西省海升果業有限公司。殼聚糖（脫乙酰度90%以上）購自西安沃爾森生物技術有限公司。

六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O）、四水合硫酸亞鐵（FeSO4·4H2O）、冰乙酸（體積分數99.7%）、質量分數5%～28%的氨水、體積分數25%的戊二醛溶液、體積分數33%的濃鹽酸、氫氧化鈉、六偏磷酸鈉等均為國產分析純;液體石蠟、失水山梨醇脂肪酸酯（Span80）、石油醚（沸程60～90 ℃）、丙酮等均為國產化學純。

1.2 儀器與設備

GS2B-B電子恒溫攪拌器 上海安亭電子儀器廠;HH-6恒溫水浴器 上海福瑪實驗設備有限公司;KO-600DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司;JEM1230透射電子顯微鏡 日本JEOL公司;JSM-6360LV掃描電子顯微鏡 日本電子公司;D8 ADVANCE X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀 德國Bruker公司;TA-60WS+DTG-60A差熱熱重同步分析儀 日本島津公司;MPMS-XL-7超導量子干涉磁測量系統 美國Quantum Design公司;iMark Microplate Reader 美國Bio-Rad公司。

1.3 方法

1.3.1 Fe3O4納米顆粒的制備

利用化學共沉淀法[24-25]制備Fe3O4納米顆粒，其反應方程式如式（1）所示。

將0.05 mol/L FeSO4與0.1 mol/L FeCl3的混合溶液，在氮氣保護下攪拌，用氨水調節pH值至10[26]。80 ℃水浴熟化30 min，冷卻至室溫后，用磁鐵收集，并用蒸餾水洗滌至中性備用。

1.3.2 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的制備

取質量分數4%的殼聚糖醋酸溶液置于燒杯中，將制備好的Fe3O4納米顆粒與殼聚糖按質量比3∶4混合均勻后，緩緩加入到均勻的油相（40 mL Span 80、300 mL液體石蠟、300 mL石油醚）中。于室溫下1 200 r/min攪拌30 min，加入10 mL體積分數6.25%戊二醛，反應1 h，再次加入10 mL 體積分數6.25%戊二醛繼續反應2 h。產物依次用石油醚、丙酮、0.1 mol/L NaOH溶液、去離子水洗滌至中性，真空冷凍干燥備用[27]。

1.3.3 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的表征

將制備好的Fe3O4磁流體稀釋后，滴加到銅網上，室溫自然晾干，然后用透射電子顯微鏡觀察顆粒的形態與粒徑。將干燥后的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球用導電膠固定后濺金，噴金條件為：40 mA、80 s，利用掃描電子顯微鏡對微球的形貌進行表征;將干燥后的微球用蒸餾水溶解，加入數滴質量分數0.3%的六偏磷酸鈉助分散劑，在350 W條件下超聲10 min，利用激光粒度儀在淀粉模式下對磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的粒徑與分布進行測定;利用具有Cu Kα放射源（λ=0.154 nm）的XRD測定Fe3O4納米顆粒、磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的晶體結構;在室溫環境下，采用KBr壓片處理，對Fe3O4納米顆粒、殼聚糖、磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球進行FTIR測定，分辨率4 cm-1、掃描次數32 次、掃描范圍400～4 000 cm-1;利用熱重分析儀對磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球中Fe3O4的含量進行測定，分別取Fe3O4納米顆粒、殼聚糖、磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球3 種樣品，在氣流流速50 mL/min的氮氣環境下，將樣品從25 ℃以10 ℃/min的升溫速率加熱至800 ℃;利用超導量子干涉磁測量系統對殼聚糖包埋前后的Fe3O4納米顆粒進行磁滯回線的測定分析，測量環境條件為室溫，磁場強度的變化范圍為±20 000 Oe。

1.3.4 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的可回收性評價

磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的可回收程度決定了所制備的微球今后的應用領域及應用前景。在室溫條件下，將Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球置于1 T磁場下，對其在不同時間及不同pH值條件下的可回收程度進行評價。用去離子水（pH 7）配制不同質量濃度的Fe3O4納米顆粒及磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球，研究在同一磁場不同作用時間下兩種顆粒的回收率，其中磁場作用時間范圍為10 s～5 min。同時，為了更好地了解不同pH值環境對Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球可回收程度的影響，將兩種顆粒加入到不同pH值的溶液中，磁場作用10 s分別測定其回收率。回收率計算公式見式（2）。

式中：ρ0為磁性材料的初始質量濃度/（mg/mL）;ρt為t時刻磁性材料質量濃度/（mg/mL）。

Fe3O4質量濃度的測定采用分光光度法[28-29]，取樣100 mL于96 孔板中，加入30 mL濃鹽酸溶液，60 ℃保溫箱中充分消化2 h至顏色澄清透亮。再加入10 mL 1.5 mg/mL的過硫酸鉀溶液使溶液中的Fe2+被氧化為Fe3+。最后加入60 mL 0.1 mol/L的硫氰酸鉀溶液至上述溶液中，與Fe3+生成血紅色的硫氰酸鐵離子[Fe(SCN)n]3-n（n＝1～6）絡合物，靜置反應10 min。利用iMark Microplate Reader在490 nm波長處檢測吸光度。通過已知濃度的FeCl3·6H2O溶液建立鐵離子在相同條件下的標準曲線。

1.3.5 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁有機酸的重復利用評價

精確稱取0.500 0 g磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球，加入30 mL一定濃度（有機酸質量濃度為2.32 mg/mL）的蘋果汁，25 ℃、150 r/min條件下振蕩吸附不同時間，磁分離后，對不同吸附時間樣品的質量濃度進行測定，并計算吸附量。吸附后的微球用蒸餾水洗滌4 次后，置于質量分數4%的氨水中振蕩不同時間，磁分離，對洗脫液進行真空旋蒸，計算不同解吸時間下的解吸量。此過程重復3 次，考察磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁有機酸的重復利用情況。吸附量、解吸量以及有機酸回收率分別按公式（3）～（5）計算。

式中：V為樣品體積/mL;ρ0為蘋果汁的初始有機酸質量濃度/（mg/mL）;ρt為t時刻蘋果汁中的有機酸質量濃度/（mg/mL）;m為磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的加入質量/g。

式中：V為解吸液體積/mL;ρt為t時刻解吸液中有機酸質量濃度/（mg/mL）;m為磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的加入質量/g。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS Statistics 21統計分析軟件進行方差分析（analysis of variance，ANOVA），鄧肯氏多重域檢驗確定數據間的差異，顯著水平設為P＜0.05，每個樣品重復測定3 次，取其平均值。采用Origin 9.0軟件進行相關圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 形貌與粒徑分布

圖 1 磁性Fe3O4的透射電子顯微鏡照片（a）及粒徑統計分布（b）Fig. 1 Transmission electron micrograph (a) and particle size distribution (b) of pure Fe3O4 nanoparticles

圖 2 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的掃描電子顯微鏡照片（a）和激光粒度儀粒徑分布（b）Fig. 2 Scanning electron microscopic image (a) and malvern size distribution diagram (b) of magnetic Fe3O4/chitosan microspheres

殼聚糖分子鏈上含有大量的自由氨基，這些氨基可以通過戊二醛交聯劑的兩個醛基互相交聯，最終包裹Fe3O4納米顆粒形成磁性殼聚糖微球。在殼聚糖層交聯和硬化的過程中，自由水被擠壓出微球，同時殼聚糖層的交聯度也隨之增加。圖1是磁性Fe3O4納米顆粒的透射電子顯微鏡照片和粒徑頻率統計分布圖。從圖1b中可以看出，磁性Fe3O4納米顆粒的粒徑分布范圍為8～19 nm，小于室溫條件下磁性Fe3O4納米粒子具有超順磁性的臨界尺寸;同時由圖1a的透射電子顯微鏡照片可以看出磁性Fe3O4納米顆粒的分散性較差，存在明顯的物理聚集現象。產生這種現象的原因，一方面與磁性Fe3O4納米顆粒之間磁力的相互作用有關;另一方面，顆粒本身非常小的納米粒徑以及較高的比表面能也會引起Fe3O4納米顆粒產生非常明顯的物理聚集[30]。由圖2a掃描電子顯微鏡照片可以看出，制備的復合微球為微米級，呈現規則球形，分散性較好，表面光滑或有核桃狀褶皺。因為磁性Fe3O4/殼聚糖微球采用真空冷凍干燥，大部分顆粒在干燥后能保持較完整的原始表面形態，但仍有小部分微球因為冷凍不到位，導致在干燥過程中迅速失水而皺縮，產生核桃狀褶皺。由圖2b可知，復合微球激光粒度儀粒徑主要分布在22～158 μm，d（0.1）為36.765 μm，即有10%的微球粒徑小于36.765 μm;d（0.5）為72.987 μm，為微球的中值粒徑，即50%的微球粒徑小于或者大于72.987 μm;d（0.9）為124.786 μm，即90%的微球粒徑小于124.786 μm。結果表明實驗制備的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球為微米級，分散狀態良好，基本服從正態分布，且分布帶較窄，可以最大程度保證不同批次反應的同質性。

2.2 XRD衍射分析結果

為了確認所制備的Fe3O4納米顆粒以及磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球中包含的Fe3O4納米顆粒是否為純Fe3O4，對兩種樣品分別進行了XRD分析。由圖3可知，Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的XRD圖譜在衍射角30.373°、35.742°、43.325°、53.983°、57.338°、62.911°等處分別出現衍射峰，分別對應Fe3O4220、311、400、422、511、440等晶面方向的衍射，與國際衍射數據中心提供的Fe3O4標準卡（PDF No. 65-3107）中的XRD圖譜的特征峰吻合，由此可確認磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球中包埋的Fe3O4納米顆粒是具有反相尖晶石型結構的純Fe3O4

[31]。而Fe3O4納米顆粒與磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的XRD圖譜分析結果具有一致性，表明在磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的制備過程中，殼聚糖對Fe3O4納米顆粒的包埋過程不會造成Fe3O4晶體結構的改變。

圖 3 Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球XRD圖譜Fig. 3 XRD patterns of naked Fe3O4 nanoparticles and magnetic Fe3O4/chitosan composite microspheres

根據Fe3O4納米顆粒的XRD圖譜，利用Debye-Scherrer公式[31]（式（6）），可推算Fe3O4納米顆粒的粒徑。

式中：D為Fe3O4納米顆粒垂直于各晶面方向上晶粒的厚度/nm;K為Debye-Scherrer常數;λ為入射波長/nm;β為半峰寬/rad;θ為布拉格角/（°）。

根據公式可以計算出各個晶面衍射方向對應的厚度分別為9.1 nm（220）、8.1 nm（311）、8.8 nm（400）、8.3 nm（422）、11.6 nm（511）、9.1 nm（440），求得Fe3O4納米顆粒的平均粒徑為9.1 nm，其粒徑小于室溫條件下超順磁的臨界粒徑，因此可以證明Fe3O4納米顆粒具有超順磁性。

2.3 FTIR分析結果

圖 4 Fe3O4納米顆粒、殼聚糖和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的FTIR分析圖譜Fig. 4 FTIR spectra of Fe3O4, chitosan and magnetic Fe3O4/chitosan composite microspheres

為了確認殼聚糖已經包埋在Fe3O4納米顆粒的表面，形成了磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球，對Fe3O4納米顆粒、殼聚糖和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球進行了FTIR分析，結果如圖4所示。Fe3O4納米顆粒FTIR圖譜顯示586 cm-1處存在一個強烈的伸展吸收峰，這個特征吸收峰是Fe3O4納米顆粒所特有的Fe-O-Fe基團。殼聚糖FTIR圖譜顯示在1 651 cm-1和1 599 cm-1處出現特征吸收峰，分別對應酰胺I帶峰C=O的伸縮振動和酰胺II帶峰N—H面內彎曲振動[32];此外，1 381 cm-1附近是CH3的C—H的變形振動吸收峰，這是殼聚糖沒有完全脫乙酰所致。1 076 cm-1處對應的是殼聚糖主鏈仲羥基C—O的伸縮振動吸收峰[33]。由磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的FTIR光譜結果可知，Fe-O-Fe基團的特征吸收峰偏移到了582 cm-1處，在1 638 cm-1處對應的是戊二醛與殼聚糖發生反應形成Schiff堿的特征吸收峰[32,34]，結果表明Fe3O4納米顆粒成功地被交聯殼聚糖層包埋形成了磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球。

2.4 熱重分析結果

為了能夠確定Fe3O4/殼聚糖復合微球中Fe3O4、殼聚糖的質量，利用熱重分析儀對Fe3O4納米顆粒、殼聚糖、磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球進行熱重分析，結果如圖5所示。整個升溫過程中Fe3O4納米顆粒質量損失不明顯，由物理水分蒸發造成的損失率僅為2.12%[35]。由圖5曲線b、c可以看出，在溫度升高至100 ℃時，殼聚糖粉末和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球分別有5.34%和4.03%的質量損失，這些損失是樣品中物理水分的移除所造成的。磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球比殼聚糖裂解時間早，分別在200 ℃和260 ℃進入快速裂解過程，這可能是因為微球殼聚糖層經過戊二醛交聯形成的Schiff堿比殼聚糖粉末的主鏈更容易發生斷裂，使得復合微球熱穩定性下降，這種現象與張海真[36]的研究結果一致。

此外，殼聚糖粉末在溫度從260 ℃升高至400 ℃的過程中，熱分解持續快速進行，質量損失45.52%。400 ℃以后，降解速率逐漸放緩，此時樣品的質量損失可能是殘留殼聚糖或殼聚糖降解中間化合物的緩慢降解引起的。而磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的降解過程從200 ℃一直持續到700 ℃，此過程質量損失率達到51.45%。通過計算樣品800 ℃時的質量損失率，可以得知Fe3O4約占磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球總質量的38.66%，這與化學計算方法[36]得出的結果基本一致。

圖 5 Fe3O4納米顆粒、殼聚糖和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的熱重分析曲線Fig. 5 Thermogravimetric curves of naked Fe3O4, chitosan and Fe3O4/chitosan composite microspheres

2.5 磁滯回線分析結果

圖 6 Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的磁滯回線Fig. 6 Hysteresis loops of naked Fe3O4 and magnetic Fe3O4/chitosan composite microspheres

圖6為Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的磁滯回線，Fe3O4納米顆粒與磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的磁滯回線基本通過原點，沒有磁滯現象，沒有發現剩余磁化強度和矯頑力，表明制備的Fe3O4納米顆粒在室溫下是超順磁的，被殼聚糖包埋后也沒有改變其超順磁性質[19,32,37]。Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的飽和磁化強度分別為78.16 emu/g和35.98 emu/g。復合微球較Fe3O4納米顆粒的飽和磁化強度有所下降，這是兩種樣品相同質量下Fe3O4磁性物質的含量不同[32]造成的。根據熱重分析的結果，Fe3O4約占磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球總質量的38.66%，換算成相同質量的Fe3O4時，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的飽和磁化強度約為93.07 emu/g，反而高于相同質量的Fe3O4納米顆粒。這是因為Fe3O4納米顆粒在空氣中會部分氧化成Fe2O3，導致磁性下降;而經過殼聚糖的包埋后，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球中的Fe3O4納米顆粒不容易被氧化，反而會具有比較高的飽和磁化強度。

2.6 回收率分析結果

磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的磁分離在實際應用中是非常重要的環節，直接決定了所制備材料的可回收性能。實驗中對Fe3O4納米顆粒以及磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球在實際外加磁場（1 T）下不同回收時間和不同pH值的回收率進行了測定。圖7是中性條件（pH 7.0）下，回收時間對Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球回收率的影響。可以看到相同質量濃度、相同時間下，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球比Fe3O4納米顆粒更容易回收，這是因為如果換算成相同質量的Fe3O4，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的飽和磁化強度要高于Fe3O4納米顆粒;同時微球中包埋的磁性納米顆粒很多，表現出的磁響應特性是所有Fe3O4納米顆粒的總和，所以磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球表現出的磁響應性更強，回收率更高。質量濃度為5 mg/mL的Fe3O4納米顆粒在5 min時可以達到99.99%的回收率，而3 mg/mL與1 mg/mL的Fe3O4納米顆粒在5 min時分別可以達到99.98%和99.96%的回收率。磁性Fe3O4納米顆粒高質量濃度比低質量濃度回收率高，是因為磁性Fe3O4納米顆粒在溶液中極易團聚，質量濃度越高，團聚越明顯，經過團聚的磁性Fe3O4顆粒，其磁化強度要高于單一的Fe3O4納米顆粒;因此在磁場作用下，回收速率更快，回收率更高。不同質量濃度的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球磁場作用10 s的回收率均可達到99.9%以上，隨著回收時間的延長，其回收率也隨之增加，2 min以后回收率基本可達到100%（比色法無法檢測到殘留），且隨著回收時間的延長，回收率不再發生明顯變化。

圖 7 回收時間對Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球回收率的影響Fig. 7 Effect of recovery time on recovery rate of naked Fe3O4 and magnetic Fe3O4/chitosan microspheres

圖8是不同pH值對Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球回收率的影響（質量濃度均為5 mg/mL，回收時間10 s），可以看到，在不同pH值下，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的回收率均高于Fe3O4納米顆粒，且受pH值影響不明顯。當pH值低于8時，Fe3O4納米顆粒的回收率隨著pH值的增加而顯著增大（P＜0.05）;pH值高于8時，隨著pH值的增加，回收率又顯著減小（P＜0.05）。產生這種結果的原因可能與Fe3O4納米顆粒在不同pH值下攜帶的表面電荷量不同有關[38]。在中性條件下，Fe3O4納米顆粒的表面電位接近于零，而在酸性或者堿性環境下會分別帶正電荷與負電荷，這些電荷間的相互作用可能會抵消一部分磁場作用，使得酸性或者堿性環境下Fe3O4納米顆粒的回收率相較中性環境低。磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球在pH 3～11范圍內回收率沒有顯著性差異（P＞0.05），10 s時的回收率均達到99.9%以上;pH值為2時顯著低于其他pH值下的回收率（P＜0.05）。這可能是由于極端pH值下，殼聚糖上的氨基基團在酸性溶液中易于陽離子化而存在Fe3O4納米顆粒的增溶現象[37]。可回收程度評價結果表明，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的回收率因回收時間不同而存在差異，同時由于表面殼聚糖層的存在，大幅減小了pH值對微球回收率的影響，擴大了磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的應用范圍。良好的磁響應特性和足夠高的可回收程度保證了實驗中制備的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球在水環境（或蘋果汁）分離系統中具有切實可行的應用前景。

圖 8 pH值對Fe3O4納米顆粒和磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球回收率的影響Fig. 8 Effect of pH on recovery rate of naked Fe3O4 and Fe3O4/chitosancomposite microspheres

2.7 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁中有機酸的可重復性評價結果

圖 9 磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球對蘋果汁有機酸的吸附與解吸評價Fig. 9 Adsorption and desorption of organic acids from apple juice using magnetic Fe3O4/chitosan microspheres

圖9為磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁中有機酸的可重復性評價結果。蘋果汁初始有機酸質量濃度為2.32 mg/mL，微球加入量0.5 g，吸附與解吸溫度均在25 ℃下進行。有機酸的解吸過程是在4%氨水溶液中完成的。

磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁有機酸的具體反應原理為微球表面殼聚糖層所攜帶的氨基與有機酸電離出的氫離子形成質子化胺，質子化胺帶正電，有機酸電離的羧酸根帶負電，由于正負電的互相吸引而產生吸附作用[14]。加入堿性溶液后，微球表面的氨基基團將產生去質子化，引起微球表面殼聚糖層與有機酸分子之間的靜電作用變弱，從而使有機酸分子從微球上解吸下來[39]，這樣達到飽和吸附的磁性殼聚糖復合微球就可以再生而反復利用。基于此反應原理，使得磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球具有一定的吸附選擇性，在復雜的蘋果汁基質中，只會選擇吸附能夠解離出氫離子與羧酸根離子的有機酸，而對蘋果汁中存在的葡萄糖、果糖等其他物質很難產生吸附作用。式（7）、（8）為磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球表面殼聚糖層吸附與解吸蘋果汁中有機酸的原理方程式。

式中：HA代表吸附質;MCMs-NH2代表吸附劑。

從圖9可以看出，整個過程包括3 個周期。每個周期分別包括一個90 min的吸附過程和一個20 min的解吸過程。對第一個周期，在吸附的初始階段，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球對蘋果汁中有機酸的吸附量隨著時間的延長而增大，在70 min時吸附基本達到平衡狀態，隨著時間的延長，吸附量不再發生顯著性變化（P＞0.05），最終平衡吸附量達到了111.54 mg/g;吸附結束后，進入解吸過程，用4%的氨水溶液對吸附完畢的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球進行解吸，測得解吸時間不同，有機酸回收量也不同。前15 min內，有機酸回收量隨著解吸時間的延長而顯著增大（P＜0.05），15～20 min有機酸回收量略有下降，但并沒有產生顯著性差異（P＞0.05）。由此可知解吸時間并不是越長越好，解吸15 min，回收得到的有機酸含量為97.00 mg/g，有機酸回收率為86.97%。解吸液中的有機酸并不能被完全回收，一方面是因為旋轉蒸發過程中會造成部分揮發性酸的損失;另一方面是實驗條件下氨氣并不能100%從解吸液中完全蒸出，會有微量殘留，中和一部分有機酸，使有機酸回收結果偏低。利用再生后的磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球對蘋果汁中有機酸進行第二次吸附與解吸過程，吸附量與回收率會有微弱下降，但并沒有產生顯著性差異（P＞0.05）。第3次吸附與解吸過程中有機酸吸附量與回收率分別為109.92 mg/g、86.86%，有機酸吸附量較第一次吸附顯著下降（P＜0.05），但回收率卻沒有產生顯著性變化（P＞0.05）。第3次吸附量明顯減少是因為每次解吸并不能做到100%釋放出所有的吸附位點，所有的吸附與解吸過程都存在動態平衡;解吸不徹底，導致仍有少量吸附位點被占用，重復利用次數越多，累積占用的位點就越多，會導致有機酸吸附量慢慢降低，但這種變化是緩慢的，第3次吸附過程也只是降低到首次吸附量的98.55%。因此對磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球吸附蘋果汁有機酸的可重復性評價結果可知，所制備的磁性微球可以完全滿足進一步的再生和重復利用要求。相較于傳統的有機酸提取分離方法，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球在吸附蘋果汁有機酸時，不必額外引入外加試劑，在磁場作用下可以快速實現固液分離，不會對被分離物造成破壞。并且解吸之后可以循環多次利用，最大程度地簡化操作工藝，節約生產成本。

3 討 論

蘋果汁中含有蘋果酸、草酸、檸檬酸、乳酸等多種有機酸[4]，每一種有機酸均可以電離生成H+，與磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球上的氨基結合形成質子化胺，質子化胺帶正電，羧酸根帶負電，由于正負電荷的互相吸引而產生吸附作用，因此磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球不能選擇性吸附某一種單一成分的有機酸，只能吸附總有機酸。解吸后得到的有機酸是所有組分的混合物，如果想要得到單一組分的有機酸還需要經過分離純化等后續處理，操作過程復雜繁瑣。因此后續研究可以考慮在磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球的基礎上，采用分子印跡技術直接對單一組分的有機酸進行吸附分離。有研究者合成了基于磁性殼聚糖微球的分子印跡聚合物，能夠選擇性識別與快速分離氯霉素靶分子[40]，杜春燕等[41]利用磁性分子印跡材料來分離富集水中的雙酚A。因此，可以將磁性殼聚糖微球作為支撐載體結合表面分子印跡技術來分離蘋果汁中的L-蘋果酸、檸檬酸等單一有機酸，同時也可以將其應用范圍進一步擴大到其他單一天然產物的分離提取中。

4 結 論

利用反相懸浮交聯法制備磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球，所得微球呈規則球形，粒徑為22～158 μm，飽和磁化強度35.98 emu/g，具有超順磁性，Fe3O4質量約占微球質量的38.66%，殼聚糖包埋過程并未改變其晶體結構。磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球在特定磁場下的回收率受pH值的影響較Fe3O4納米顆粒小，磁場作用10 s就可以達到99.90%以上的回收率，且隨著回收時間的延長，回收率會繼續增大，2 min后回收率基本趨向于100%。磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球對蘋果汁有機酸的吸附量隨著吸附時間的延長而增大，70 min達到吸附平衡，平衡吸附量為111.54 mg/g;15 min解吸完全，有機酸回收率86.97%。反復使用3 次后，磁性Fe3O4/殼聚糖復合微球對有機酸的回收率并未顯著下降。