D201大孔吸附樹脂對料酒中蛋白質的吸附平衡及熱力學與動力學研究

馬鵬程，郭 明，2，李博斌，姚燁岑

(1.浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江杭州 311300；2.浙江農林大學理學院，浙江杭州 311300；3.紹興市質量技術監督檢測院，浙江紹興 312000；4.浙江農林大學工程學院，浙江杭州 311300)

料酒是一種重要的調味食品，在人們的日常菜品與飲食中被廣泛使用。然而，發酵型料酒在貯存及貨架期內易產生沉淀，嚴重影響料酒的感官品質。已有的研究發現[1-4]，料酒沉淀中主要含有蛋白質、多酚、多糖和鐵，其中蛋白質是最主要的成分，所占比例一般為30 %～40 %。因此，目前解決料酒沉淀難題大都集中在研究適當去除蛋白質的新技術上。

針對料酒酒體不穩定產生沉淀的因素，目前各料酒生產廠家普遍采用添加澄清劑去除料酒沉淀的方法，然而使用澄清劑存在一定的缺陷[5-7]，例如澄清劑的使用量很難把握，容易造成下膠過量，易導致料酒在陳釀和貯存過程中發生蛋白質凝聚反應，出現返渾和絮狀沉淀等問題。離子交換法因具有操作方便、成本低、交換容量大、吸附選擇性好等優點，從而受到普遍研究，在水處理、食品工業、制藥工業、生物醫學、氣體工業等領域應用十分廣泛。國內外對離子交換樹脂的研究表明，可以用來吸附蛋白質的樹脂種類有很多[8-11]，但從現有的文獻報道來看，目前將離子交換樹脂用于去除料酒中易引起沉淀的蛋白質的相關研究尚未見報道。

因此，本研究對料酒蛋白質在D201 大孔吸附樹脂的吸附平衡、吸附熱力學及動力學特性進行了初步研究，旨在為D201 大孔吸附樹脂澄清料酒工業化提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

料酒：由湖州老恒和釀造有限公司提供；732強酸性陽離子交換樹脂；724弱酸性陽離子交換樹脂；D001 大孔強酸性陽離子交換樹脂；D113 大孔弱酸性陽離子交換樹脂；D201 大孔強堿性陰離子交換樹脂；D311 大孔弱堿性陰離子交換樹脂，以上樹脂均購自天津波鴻樹脂科技有限公司；考馬斯亮藍G250：國藥集團化學試劑有限公司；磷酸：國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇：天津市永大化學試劑有限公司，以上試劑均為AR級。

儀器設備：HH-6系列恒溫水浴鍋，上海科辰實驗設備有限公司；ZD-2 自動電位滴定儀，上海雷磁儀器廠；磁力攪拌器，上海凌科實業發展有限公司；BS-IEA 恒溫水浴搖床，常州國華電器有限公司；Sartorius 電子分析天平，德國賽多利斯集團；UV-2550紫外可見分光光度計，島津企業管理（中國）有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樹脂的篩選

分別稱取6 種不同類型的樹脂2.5 g 于250 mL錐形瓶中，分別加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉速設定為150 r/min，時間為10 h，溫度為30 ℃。吸附平衡后，根據式（1）計算不同類型樹脂對蛋白質的平衡吸附量。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

C0——料酒中蛋白質的初始質量濃度（mg/mL）；

Ce——蛋白質吸附平衡質量濃度（mg/mL）；

m——樹脂質量（g）；

v——料酒溶液的體積（mL）。

1.2.2 料酒中蛋白質吸附平衡試驗

蛋白質吸附等溫線分別在20 ℃、30 ℃、40 ℃下測定[12]，準確稱取經預處理的樹脂2.5 g于250 mL錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉速為150 r/min恒溫振蕩。通過測定料酒中蛋白質的濃度考察樹脂平衡吸附量。

1.2.3 料酒中蛋白質吸附熱力學試驗

熱力學靜態吸附試驗同樣在20 ℃、30 ℃、40 ℃下測定，準確稱取經預處理的樹脂2.5 g 于250 mL 錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉速為150 r/min，時間為10 h。測定吸附后料酒中蛋白質的濃度，根據式（1）計算出平衡吸附量。

1.2.4 料酒中蛋白質吸附動力學試驗

準確稱取經預處理的樹脂2.5 g于250 mL錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，進行吸附動力學試驗。每隔一定時間取出一定量的樣品，計算樹脂吸附量。以時間t為橫坐標，不同時間的吸附量為縱坐標，繪制動力學曲線。本文研究不同溫度（20 ℃、30 ℃、40 ℃）對料酒中蛋白質吸附動力學的影響。

2 結果與分析

2.1 樹脂篩選結果

考察6 種不同類型的樹脂對料酒中蛋白質的吸附情況，結果如圖1所示。

圖1 不同類型樹脂對料酒中蛋白質的吸附量

由圖1 可以看出，陰離子交換樹脂對料酒中蛋白質的吸附量要高于陽離子交換樹脂，原因可能是料酒中大部分蛋白質的等電點高于料酒和pH 值，高等電點蛋白質在陰離子交換樹脂的吸附量大于陽離子交換樹脂，因此吸附的作用可能是蛋白質表面電荷的性質和樹脂的離子交換性質共同作用的結果。因此，料酒中蛋白質的吸附平衡和吸附動力學試驗用D201樹脂進行。

2.2 料酒中蛋白質吸附等溫線

D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附等溫線如圖2 所示。由圖2 可知，樹脂的吸附量隨著料酒中蛋白質含量的增加而增加，且隨著溫度的升高，樹脂的吸附量也有所增加，這表明D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附是吸熱過程，溫度的升高有利于吸附的進行。

圖2 D201樹脂對料酒中蛋白質的吸附等溫線

為考察蛋白質含量與樹脂吸附量之間的定量關系[13-14]，采用常用于描述溶液中溶質的Langmuir和Freundlich模型對吸附等溫線進行擬合。

Langmuir吸附等溫線模型如式（2）所示。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

Qm——飽和吸附量（mg/g）；

KL——Langmuir方程參數（L/g），與吸附自由能相關；

Ce——吸附平衡時蛋白質的質量濃度（g/L）。

Freundlich吸附等溫線模型如式（3）所示。

式中：KF——Freundlich 常數（（mg/g）（L/g）1/n），表明吸附質的吸附能力；

n——Freundlich 指數，表明吸附質與吸附劑之間的親和力，當n＞1（1/n＜1）表明該吸附過程是優惠型吸附過程。

采用Langmuir和Freundlich模型對料酒中蛋白質的吸附等溫線實驗數據進行擬合，通過非線性回歸方程求出各模型的參數，并對結果進行分析，結果如表1所示。

省人醫周邊配套交通設施較為完善，門診門口就有公交站臺和出租車上下客點。但是這些交通配套設施的位置布局和管理還有待改善。由于醫院周圍有派出所、學校、公園等公共場所，導致在醫院門口公交站上下車的人流更加頻繁。另外，醫院周邊的出租車服務尚不完善，缺少內外銜接的出租車候客泊位和機動車臨時上下客點，車輛只能在醫院門診門口沿街上下客，高峰期出租車違章占道停車現象嚴重，對醫院及周邊道路交通干擾很大，整體交通秩序還有待改善。

其中，Langmuir模型的回歸方程依次為：

Freundlich模型的回歸方程依次為：

由表1 擬合結果可以看出，Langmuir 模型能夠更好地擬合不同溫度下蛋白質在D201 樹脂上的吸附等溫線。料酒中蛋白質在D201 樹脂上的吸附量隨溫度的升高而提高，表明蛋白質在樹脂上的吸附是吸熱過程[15-16]。由表1 Langmuir 模型可知，D201樹脂對料酒中蛋白質最大吸附量為112.26 mg/g，Freundlich 模型的常數KF值隨著溫度的升高而增大，也表明樹脂對蛋白質的吸附能力隨著溫度的升高而提高。此外，在不同溫度下，Freundlich 模型指數1/n 值均小于1，表明蛋白質在D201 樹脂上的吸附是優惠型吸附過程[17]。

表1 料酒中蛋白質的吸附平衡參數

2.3 樹脂靜態吸附熱力學參數

從吸附熱力學參數中可以反映溫度對于吸附過程的影響，其中主要包含吸附焓變ΔH、吸附自由能變ΔG、吸附熵變ΔS[18-19]。對應熱力學參數值的計算及相互間的計算方程如公式（4）—（6）所示。

式中，R——理想氣體常數，8.314 J/mol·K；

T——絕對溫度，K；

C——常數；

KL——Langmuir模型的平衡常數。

各熱力學參數結果如表2所示。

表2 料酒中蛋白質在不同吸附量下的熱力學參數

由表2 可知，焓變ΔH＞0，表明D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附過程為吸熱過程，溫度升高有利于吸附的進行，這與吸附等溫線擬合的結果相同，同時，焓變ΔH 的絕對值均＜40 kJ/mol，表明該吸附過程為物理吸附過程[20-21]，吸附自由能變ΔG均為負值，表明該吸附過程可自發進行，吸附熵變ΔS＞0，表明料酒中蛋白質在D201 樹脂上的吸附是熵增加的過程，這是由于在溶液中，溶質的吸附往往伴隨著溶劑的脫附，同時由于吸附質的摩爾體積大于水的摩爾體積，大量的水分子會回到溶液中作自由運動，從而導致吸附質分子在樹脂表面上的運動相較于在溶液中更加自由，所以吸附后熵增加，也加劇了整個體系的混亂程度[22]。

2.4 樹脂靜態吸附動力學曲線

在30 ℃下，D201 樹脂對料酒中蛋白質的靜態吸附曲線如圖3 所示。由圖3 可知，隨著時間的延長，樹脂對蛋白質的吸附量逐漸增加，當吸附時間在0～180 min 內，樹脂對蛋白質的吸附量增加迅速，在180～300 min 內增加速度減慢，300 min 后樹脂的吸附量趨于平衡。

圖3 D201樹脂對料酒中蛋白質的靜態吸附曲線

為了考察料酒中蛋白質在D201 樹脂上的吸附動力學特征及其吸附機理，將靜態吸附數據進行動力學模型擬合分析，從而進一步描述靜態吸附過程。擬一階和擬二階動力學模型基本上包含了吸附所有的過程，采用這兩種動力學模型擬合實驗數據可以真實揭露樹脂對蛋白質的吸附機理[23-24]。為進一步了解吸附動力學過程，同時采用Weber-Morris 顆粒內擴散方程來描述和分析靜態吸附過程。具體方程如公式（7）—（9）所示。

準一階動力學模型如式（7）所示。

式中：k1——準一階速率常數（min-1）；

Qe——吸附平衡時的蛋白質吸附量（mg/g）；

Qt——t時刻蛋白質的吸附量（mg/g）；

t——吸附所用時間（min）。

準二階動力學模型如式（8）所示。

式中：k2為準二階速率常數（g/mg·min）。

Weber-Morris顆粒內擴散方程如式（9）所示。

式中：ki為顆粒內擴散速率常數（mg·min1/2·g）；I為常數。

分別采用上述3 種動力學方程對靜態吸附的實驗結果進行擬合，得出各個模型的參數和相關系數，結果見表3。

表3 動力學模型擬合方程及參數

由表3 可知，3 個動力學模型的相關系數R2均大于0.95，可以較好的描述D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附過程。其中，擬二階動力學模型的相關系數最大，且其擬合的平衡吸附量49.45 mg/g 與實測值49.7 mg/g 最為接近，說明擬二階動力學模型方程能夠更好的描述D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附行為，這說明此吸附過程中吸附質的吸附速率與其含量的二次方成正比，吸附過程可能涉及到吸附劑與吸附質之間的電子共用或轉移，表明此吸附過程也受到化學吸附機理的控制[25]。采用Weber-Morris 顆粒內擴散方程來進一步分析不同階段的吸附機理，結果表明，D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附行為分為薄膜擴散和顆粒內擴散兩個階段，表明整個吸附過程受到薄膜擴散和顆粒擴散作用的共同作用。

3 結論

通過靜態吸附試驗，本研究從6 種不同類型的樹脂中篩選出了最合適的D201 大孔樹脂用于料酒中蛋白質的吸附。等溫吸附試驗結果表明，D201樹脂在20～40 ℃范圍內對料酒中蛋白質的吸附隨溫度的升高而增加，此外，料酒中蛋白質的質量濃度在0.5～2.5 mg/mL 范圍內。吸附平衡試驗表明，Langmuir 模型可以更好地擬合蛋白質吸附等溫線，料酒中蛋白質在樹脂上的吸附量與溫度成正比，即溫度升高有利于蛋白質在樹脂上的吸附。吸附熱力學試驗結果表明，D201 大孔吸附樹脂對料酒中蛋白質的吸附是自發的吸熱的物理吸附過程，這與等溫吸附試驗結果相一致。吸附動力學試驗結果表明，蛋白質吸附動力學曲線符合擬二階動力學模型，說明在此吸附過程中還包含化學吸附。

Weber-Morris 顆粒內擴散方程進一步表明，D201 樹脂對料酒中蛋白質的吸附行為分為薄膜擴散和顆粒內擴散兩個階段，表明整個吸附過程受到薄膜擴散和顆粒擴散作用的共同作用。目前，離子交換樹脂在酒類產品的生產中已被廣泛的應用，尤其是在保證和提高酒類產品的質量方面起到了極其重要的作用，同時還具有操作簡便、效率高等優點。本研究表明，D201 大孔吸附樹脂對料酒中蛋白質的吸附量較大，可適用于發酵酒類中蛋白質類沉淀的去除。此外，本研究僅通過靜態吸附試驗篩選了適宜樹脂以及測定其飽和吸附量，在實際應用中，由于動態平衡等原因，動態吸附量往往比靜態吸附量小，因此需通過動態吸附試驗測定樹脂的實際飽和吸附量，以此作為樹脂使用量的判斷標準。