降低崇仁麻雞湯嘌呤用樹脂的篩選及工藝研究

趙少添,陳樹泓,吳凌偉,王水興*

(1.南昌大學 化學化工學院,南昌 330031;2.南昌大學中德聯合研究院,南昌 330047)

雞肉美味營養,富含人體所需的各種氨基酸,是優質的動物蛋白質來源[1-2]。雞湯在熬制過程中,雞肉中的部分水溶性成分會溶解于雞湯中,隨著燉煮時間的增加,雞湯中的營養含量也隨之增加[3]。雞湯的營養含量雖不如雞肉高,但經過長時間燉煮的湯中營養物質經過初步水解,更容易被人體消化吸收。

痛風是人體內嘌呤代謝障礙引發的疾病[4]。在痛風患者中,因遺傳因素而痛風的患者僅占總患者的10%～20%,多數患者是不正確飲食或其他疾病而引發痛風,其中攝入嘌呤含量過多是重要原因之一。由于雞湯中嘌呤含量較高,痛風患者在痛風急性階段應避免食用雞湯[5-6]。研究表明,低嘌呤飲食對高尿酸血癥及痛風患者的癥狀有明顯的改善作用[7-8]。因此,飲食治療是痛風患者的重要治療方式之一。

當前對低嘌呤食品的研究較少,目前方法有吸附法[9-10]、鹽析吸附法[11-12]、酶法[13-14]、超聲波法[15]、微生物法[16-17]。樹脂吸附分離由于吸附量大、操作簡便、選擇性好、可反復使用和成本低等特點[18-19],被廣泛應用于多數天然產物的分離提取中[20-21],且目前鮮有應用樹脂脫除食品中嘌呤物質的研究。為此,本研究以崇仁麻雞湯為原料篩選合適型號的樹脂并探究吸附工藝參數。降低雞湯嘌呤含量既符合消費者的保健要求,又提高了產品的附加值,同時為后期工業化生產提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

崇仁麻雞:江西崇仁縣麻雞發展有限公司;樹脂:江蘇蘇青水處理工程集團有限公司;10%四丁基氫氧化銨溶液(色譜純):上海麥克林生化科技股份有限公司;腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤、甲酸、三氟乙酸(均為分析純):上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

1260高效液相色譜儀 安捷倫科技(中國)有限公司;RV05旋轉蒸發儀 上海萬捷科技有限公司;JSM-6701F冷場發射掃描電鏡能譜儀 日本JEOL公司;Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;HWY-200全溫搖床 常州諾基儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 雞湯樣品制備

將新鮮崇仁麻雞宰殺,除去血、毛、內臟后,用自來水沖洗干凈置于砂鍋中燉煮(肉和水的質量比為 1∶3),先用大火煮沸,待煮開后用小火燉煮120 min, 冷卻后去除上層黏稠雞油,用濾網過濾大部分雜質后將雞湯分批保存使用。

1.3.2 樣品嘌呤測定前處理

取 5 mL雞湯,置于 50 mL 離心管中,加入 10 mL 甲酸和三氟乙酸(體積比為1∶1),立即置于沸水浴中,100 ℃下水解45 min,水解結束后迅速冰浴冷卻;用 10 mol/L KOH溶液調至中性,以5 000 r/min離心10 min,取上清液用稀磷酸將濾液的 pH 調至 3.8以下,以5 000 r/min離心15 min,取上清液定容,經過 0.22 μm 微膜過濾后,在 256 nm 波長處根據標準曲線求出雞湯中嘌呤水解后的嘌呤含量[22]。

1.3.3 嘌呤含量測定

采用高效液相色譜法測定樣品中嘌呤含量。色譜柱規格為Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18(4.6 mm×250 mm,5.0 μm)。結合李婷婷等[23]、曲欣等[24]的方法,將高效液相色譜條件設定為柱溫32 ℃、檢測波長254 nm;流速1.0 mL/min;進樣體積10 μL;流動相水∶甲醇∶冰乙酸∶10% 四丁基氫氧化銨970∶20∶5∶5。取等體積的4種嘌呤標準儲備液,配制混合標準儲備液。以超純水稀釋成質量濃度分別為5,10,20,30,40,50 mg/L,用 0.22 μm 濾膜過濾至進樣瓶中,在上述液相條件下上機檢測,以峰面積(Y)及樣品質量濃度(X)作線性回歸,制作標準曲線。得到標準曲線方程:腺嘌呤y=50.76x+33.728(R2=0.998 2);鳥嘌呤y=36.109x+0.783 3(R2=0.999 9);次黃嘌呤y=39.657x+6.569 6(R2=0.999 7);黃嘌呤y=26.323x+20.926(R2=0.998 0)。計算4種嘌呤含量之和得到總嘌呤含量。

1.3.4 樹脂型號篩選

將10種樹脂按照所處類型分別進行預處理,用濾紙吸干預處理后的樹脂表面的水分,分別稱取3.0 g,置于200 mL的錐形瓶中,各加入50 mL雞湯,置于全溫搖床中,在30 ℃的恒溫條件下振蕩6 h,每組重復3次,測定不同樹脂嘌呤吸附率。

1.3.5 樹脂形態結構的表征

1.3.5.1 SEM

取吸附前后001×8樹脂置于附有碳導電膠的載物臺上,在真空噴鍍儀上鍍一層金屬薄膜以便導電,在掃描電鏡上進行觀察,條件為電壓5 kV、工作距離 12.3～12.7 mm[25]。

1.3.5.2 FT-IR

將吸附前后001×8樹脂研磨粉碎后與KBr混合,壓制成薄片,掃描范圍為4 000～400 cm-1,儀器分辨率為4 cm-1,掃描次數為64次。

1.3.6 單因素實驗

1.3.6.1 樹脂用量

在錐形瓶中分別投加0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 g的001×8離子交換樹脂,移取50 mL雞湯于錐形瓶中,在30 ℃、160 r/min條件下振蕩吸附6 h,取吸附后的溶液測定樹脂嘌呤吸附量與吸附率。

1.3.6.2 吸附溫度

在樹脂最優用量條件下,保持其他條件與前面一致,將其分別置于15,20,25,30,35,40 ℃全溫搖床上,測定嘌呤吸附率。

1.3.6.3 吸附時間

在樹脂最優用量及吸附溫度條件下,保持其他條件與前面一致,分別振蕩0.5,1,2,3,4,5,6 h后測定嘌呤吸附率。

1.3.6.4 振蕩速度

在前面探究的基礎上,分別調節搖床振蕩速度為80,100,120,140,160,180 r/min,測定嘌呤吸附率。

1.3.7 響應面優化實驗設計

在單因素實驗的基礎上,設計四因素三水平響應面實驗,對雞湯總嘌呤的去除率進行響應面實驗,響應面實驗因素及水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment design

1.3.8 樹脂的再生及循環實驗

探討樹脂的再生效果和循環利用效果。在響應面探究的最優條件下進行吸附實驗,將吸附后的樹脂用50 mL 2% HCl 溶液脫附5 h,將脫附后的樹脂再進行嘌呤吸附實驗,重復 10次,測定每次實驗樹脂對雞湯嘌呤的去除率。

2 結果與分析

2.1 不同樹脂的吸附效果分析

分別采用10種樹脂靜態吸附雞湯,探究不同樹脂對雞湯嘌呤物質的吸附率,結果見圖1。

圖1 不同型號樹脂對嘌呤的吸附率Fig.1 The adsorption rates of different types of resins on purines

實驗測試了目前應用較廣泛的10種型號樹脂,其中包括5種陽離子交換樹脂、3種陰離子交換樹脂以及2種大孔吸附樹脂。由圖1可知,001×7樹脂和001×8樹脂是吸附效果最好的兩種樹脂,吸附率均超過55%,型號上均屬于凝膠型陽離子交換樹脂,在多項樹脂理化性質上二者具有高度的相似性。001×8樹脂相比001×7樹脂在嘌呤物質的吸附率上更勝一籌,推測是由于其交聯度更高,相比前者有著更高的體積交換容量和更低的含水率,使其對嘌呤物質的吸附效果更佳。因此,選擇001×8樹脂作為雞湯中嘌呤物質的吸附劑進行后續研究。

2.2 樹脂表征分析

2.2.1 SEM

SEM是一種較常用的觀測吸附劑表面形貌表征的手段。001×8樹脂在不同放大倍數下的掃描電鏡圖見圖2,其中a、c放大倍數為200倍,b、d放大倍數為2 000倍。

圖2 001×8樹脂的SEM圖Fig.2 SEM images of 001×8 resin注:a、b為吸附前;c、d為吸附后。

由圖2可知,在嘌呤雞湯體系中樹脂吸附前后的表面形態發生顯著變化,樹脂表面由光滑變得粗糙,出現不規則帶狀物,說明雞湯中部分物質被吸附而附著于樹脂表面,001×8離子交換樹脂對雞湯體系具有較好的吸附作用。

2.2.2 FT-IR

001×8樹脂對雞湯中嘌呤物質吸附前后的FT-IR圖見圖3。

圖3 001×8樹脂吸附前后的FT-IR 圖Fig.3 FT-IR spectra of 001×8 resin before and after adsorption

2.3 單因素實驗結果分析

2.3.1 樹脂用量對雞湯嘌呤的影響

由圖4可知,001×8樹脂用量增加過程中,前期隨著樹脂用量的增加吸附率呈現快速增加的趨勢;當樹脂用量增加到3 g后,繼續增加樹脂用量對嘌呤吸附率的提升有限。從吸附量Qe 的變化可以看出,樹脂用量的增大固然會提供更多的活性吸附位點從而提升吸附率,但吸附容量的利用程度也隨樹脂用量的增加而降低。確定一個合適的樹脂用量在考慮嘌呤吸附率的同時也應顧及到經濟適用性,故采用3 g的樹脂用量進行后續優化。

圖4 樹脂用量對嘌呤吸附率及吸附容量的影響Fig.4 Effect of resin dosage on the adsorption rate and adsorption capacity of purine

2.3.2 吸附時間對雞湯嘌呤的影響

由圖5可知,嘌呤吸附率隨反應時間的延長而提升。反應前期吸附快速進行,這一階段的推動力主要源于固-液兩相較大的嘌呤濃度差以及離子交換樹脂001×8前期存在的大量空白吸附位點[29]。反應時間在4 h后樹脂表面的活性吸附位點減少,固-液兩相嘌呤濃度差趨近動態平衡,樹脂的嘌呤吸附率增加趨近于零,此時繼續增加反應時間對嘌呤吸附率已經難以提升,故吸附時間定為4 h。

圖5 樹脂處理時間對嘌呤吸附率的影響Fig.5 Effect of resin treatment time on the adsorption rate of purine

2.3.3 吸附溫度對雞湯嘌呤的影響

由圖6可知,整體上溫度的升高對嘌呤物質的吸附過程有所阻礙。推測樹脂對嘌呤的吸附是放熱反應,但溫度過低也會增加吸附劑與吸附質之間的傳質阻力[28],影響吸附反應的發生。因此,一味地提升或降低溫度都無法達到樹脂吸附條件的最優值,故采用20 ℃進行后續優化。

圖6 吸附溫度對嘌呤吸附率的影響Fig.6 Effect of adsorption temperature on the adsorption rate of purine

2.3.4 振蕩速度對雞湯嘌呤的影響

由圖7可知,一定范圍內振蕩速度的提高能有效地提前吸附平衡的時間。在轉速較低時,溶液中部分樹脂沉淀在瓶底,與雞湯中的嘌呤物質得不到充分接觸,導致吸附速率較慢。隨著轉速的提高,樹脂與嘌呤物質的接觸頻率得到明顯提升,吸附平衡的時間也隨之提前;之后繼續增加振蕩速度對吸附促進無明顯效果;同時過高的振蕩速度可能會導致樹脂的空間結構破裂,阻礙嘌呤的吸附。振蕩速度的提升也會提升工業化的成本,故振蕩速度采用120 r/min。

圖7 振蕩速度對嘌呤吸附率的影響Fig.7 Effect of oscillation velocity on the adsorption rate of purine

2.4 響應面優化實驗

2.4.1 響應面實驗結果與方差分析

以崇仁麻雞湯的嘌呤去除率為評價指標,在單因素實驗的基礎上,采用 Box-Behnken實驗設計,對樹脂用量(A)、吸附時間(B)、吸附溫度(C)、振蕩速度(D)進行響應面優化實驗,實驗設計及結果見表2。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Response surface experiment design and results

通過 Design-Expert對表2中的數據進行處理分析,得到回歸方程:Y=64.98+3.25A+0.37B-0.43C+0.34D-0.093AB+0.15AC+0.065AD-0.44BC-0.033CD-1.63A2-0.14B2-0.93C2-0.15D2。

對該響應面回歸模型進行方差分析,結果見表3。

表3 響應面回歸模型及方差分析Table 3 Response surface regression model and variance analysis

由表3可知,模型的P值< 0.000 1,表明模型高度顯著。失擬項的P值=0.200 6>0.05(不顯著),說明該響應面模型誤差小。R2=0.988 5,RAdj2=0.977 1,說明模型的擬合度較高,只有2.29%的情況該模型無法解釋。通過比較響應面中F值與P值大小可知,4個因素對雞湯中嘌呤物質去除率的影響大小為A>C>B>D。

2.4.2 響應面分析與最佳優化條件的確定

在3D圖中,單因素所對應的曲線的陡峭程度反映了其對響應值的影響程度。由圖8可知,雞湯嘌呤物質去除率的優化工藝中樹脂用量的影響>吸附溫度的影響>吸附時間的影響>振蕩速度的影響,與前面方差分析結果一致。

圖8 各因素交互作用的響應面圖Fig.8 Response surface diagrams of interaction of various factors

通過 Design-Expert 8.0分析處理得到雞湯嘌呤物質去除率的最佳反應條件為樹脂用量4 g、吸附時間4.4 h、吸附溫度15.4 ℃、振蕩速度120 r/min,在此條件下測得樹脂對雞湯嘌呤的去除率為66.7%,與預測結果相接近,表明建立的回歸模型對001×8樹脂用于雞湯嘌呤物質去除效果影響的分析是準確可靠的。

2.5 樹脂再生和重復利用分析

由圖9可知,對001×8樹脂進行10次吸附-洗脫重復實驗后,樹脂對雞湯嘌呤的去除率由最初的66.7%下降至62.3%,樹脂在吸附-洗脫過程中對數值小幅降低,可能是由于每次再生過程都有微量的嘌呤物質未被解吸,導致可用的活性位點略有降低。總體來說,經過10次吸附-洗脫實驗,樹脂對雞湯嘌呤的去除率仍在60%以上,表明001×8樹脂具有很好的再生和重復利用效果,適合多次使用,具有較高的應用價值。

圖9 樹脂的再生循環次數Fig.9 Regeneration cycle times of resin

3 結論

實驗先以嘌呤去除率為指標篩選適合降低崇仁麻雞湯嘌呤的樹脂,經SEM掃描電鏡及FT-IR紅外光譜探測,相比吸附前的樹脂,吸附后的樹脂紅外光譜圖新增嘌呤的特征吸收峰,樹脂表面由光滑變得粗糙且出現較多不規則帶狀物,驗證了001×8樹脂對嘌呤物質具有特異性吸附作用,確定001×8離子交換樹脂作為后續研究樹脂。然后應用單因素實驗確定了各個因素的最佳條件,通過響應面實驗確定了4個因素對崇仁麻雞湯嘌呤去除率的影響大小為樹脂用量>吸附溫度>吸附時間>振蕩速度。得到嘌呤吸附工藝條件為樹脂用量4 g、吸附時間4.4 h、吸附溫度15.4 ℃、振蕩速度120 r/min,此時樹脂對雞湯中嘌呤的吸附率可達65%以上。在此條件下考察樹脂的再生和重復利用性,經過10 次吸附-脫附實驗,吸附率與脫附率依然保持在較高水平,表明 001×8樹脂具有很好的再生和重復利用效果,在嘌呤的去除應用中具有很好的工業使用性能及使用壽命。