改性柑橘皮吸附劑的制備及其對(duì)嘌呤脫除效果的研究

劉婷婷,趙紫悅,尚永彪,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400715)

嘌呤(Purine)分子式為C5H4N4,屬于含氮芳香族雜環(huán)化合物[1],分為游離態(tài)的嘌呤堿基和其他嘌呤大分子。人體幾乎不能利用從食物中獲得的嘌呤類物質(zhì),當(dāng)短時(shí)間內(nèi)攝入較多外源性嘌呤類物質(zhì),會(huì)引起機(jī)體內(nèi)尿酸濃度升高,發(fā)生高尿酸血癥[2-3],導(dǎo)致痛風(fēng)病。尿酸以尿酸鈉晶體的形式在腎臟和關(guān)節(jié)處沉積,導(dǎo)致痛風(fēng)腎和痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎[4],引發(fā)疼痛和一系列代謝性疾病甚至危及生命。

調(diào)查表明,柑橘在中國(guó)的種植面積及加工規(guī)模在不斷擴(kuò)大,其中加工副產(chǎn)品皮渣(占果重的20%～50%)年產(chǎn)量達(dá)1 200多萬t以上。柑橘皮(orange peel,OP)資源因低利用率造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題已引起行業(yè)的高度重視[5]。OP渣中含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等物質(zhì),其主要由大量的氨基、羧基、羥基等官能團(tuán)組成[6];且橘皮疏松多孔,使橘皮具備了潛在的吸附作用,可用于食品中有害物質(zhì)或者異味雜質(zhì)的脫除。但由于角質(zhì)和蠟質(zhì)附著,吸附性能較差,直接將OP作為吸附劑應(yīng)用到食品工業(yè)中時(shí),吸附能力不理想[7]。有研究表明通過酸化處理、堿化處理、氧化處理等化學(xué)改性手段可以去除其表面部分角質(zhì)層,豐富官能團(tuán)的種類和數(shù)量,增加內(nèi)部孔隙率和表面積[8-9];同時(shí)增加反應(yīng)位點(diǎn),極大提升了表面黏結(jié)性能和力學(xué)性能[10]。此外,酸堿改性也可以增加果膠分子羧基官能團(tuán)數(shù)量[11],官能團(tuán)氧含量越高,氧原子的高電負(fù)性越有利于極性分子的吸附,因此可提高其吸附性能[12]。但目前改性柑橘皮(modified orange peel, MOP)吸附劑的研究大都集中于吸附水中的As(III)[13]、Cu2+[14]以及菜籽油中的游離脂肪酸[15]等,對(duì)食品中嘌呤的吸附脫除還缺乏針對(duì)性研究。

本研究以O(shè)P為材料,通過不同改性方法的對(duì)比及改性工藝參數(shù)的優(yōu)化探討吸附劑的制備方法,并通過吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析,結(jié)合掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)和紅外光譜技術(shù)(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)對(duì)其改性前后進(jìn)行表征,探究OP改性吸附劑對(duì)嘌呤的吸附機(jī)理,以期為新型高效綠色嘌呤吸附劑的制備和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

OP,回收于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑橘研究所;腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤純度>99%,上海麥克林生化科技有限公司;KH2PO4、磷酸、甲醇為色譜醇,成都科隆化學(xué)品有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

LC-20A型高效液相色譜儀,日本島津公司;HH-8型電熱恒溫水浴鍋,上海力辰邦西儀器科技有限公司;PHS-4C+型酸度計(jì),成都世紀(jì)方舟科技有限公司;FA2004A型電子分析天平,上海精天電子儀器有限公司;YLD-6000型烘箱,天津市通利信達(dá)儀器廠;Phenom Pro型掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司;Spectrum100型紅外光譜,美國(guó)珀金埃爾默公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 吸附劑樣品的制備

去OP表面雜質(zhì)及橘絡(luò),晾干后用超純水清洗3次于105 ℃恒溫干燥箱烘干至恒重。粉碎后過篩40～100目,得OP粉末,裝入聚乙烯袋,密封保存在干燥器中,備用。

1.3.2 改性吸附劑樣品的處理

稱取5 g OP粉末于潔凈燒杯中,分別采用堿法、酸堿法、堿-醇法、堿-醇-氯化鈣法制備MOP。堿法加入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液,浸泡處理2 h;酸堿法以料液比為1∶1先添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%硫酸溶液浸泡1 h,后水洗至中性,再用10%NaOH溶液浸泡處理1 h;堿醇法以料液比1∶1添加無水乙醇、1.0 mol/L NaOH溶液浸泡處理2 h;堿-醇-氯化鈣法以質(zhì)量化2∶2∶1比例添加無水乙醇、1.0 mol/L NaOH溶液和CaCl2溶液浸泡處理2 h。4份樣品分別處理后反復(fù)水洗直至濾出液為中性,抽濾后將樣品置于105 ℃烘箱干燥,依次編號(hào)為MOP1、MOP2、MOP3、MOP4。

1.3.3 嘌呤的吸附效果對(duì)比試驗(yàn)

參考吳凡[16]的方法,將不同處理的MOP吸附劑分別加入到10 mL 50 mg/mL的嘌呤混標(biāo)溶液(腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤質(zhì)量比為1∶1∶1∶1)中,40 ℃ 100 r/min攪拌60 min,取1 mL溶液透過0.45 μm針頭式過濾器于1.5 mL進(jìn)樣瓶,經(jīng)HPLC檢測(cè)計(jì)算處理前后嘌呤總濃度。HPLC條件:以KH2PO4-H3PO4(0.02 mol/L,pH 4.0)為流動(dòng)相,流速1.0 mL/min,柱溫30 ℃,紫外檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm,進(jìn)樣量10 μL。吸附實(shí)驗(yàn)中,吸附效果的好壞通常用吸附率和吸附量來反映。吸附率是利用改性吸附劑吸附前后嘌呤濃度的比值,用于評(píng)估溶液中吸附質(zhì)的去除程度[17]。計(jì)算如公式(1)所示:

X/%=(C1-C2)/C1×100

(1)

式中:X,嘌呤吸附率,%;C1,未經(jīng)處理溶液中嘌呤質(zhì)量濃度,mg/L;C2,MOP吸附劑吸附后溶液嘌呤質(zhì)量濃度,mg/L。

吸附量是單位質(zhì)量吸附劑所能吸附的量,用于表征吸附劑的吸附性能[18]。計(jì)算如公式(2)所示:

q=(C1-C2)×v/m

(2)

式中:q,平衡吸附量,mg/g;C1,吸附前嘌呤的初始質(zhì)量濃度,mg/L;C2,吸附后嘌呤的平衡質(zhì)量濃度,mg/L;v,吸附溶液體積,L;m,吸附劑的質(zhì)量,g。

1.3.4 OP改性制備吸附劑的工藝優(yōu)化

1.3.4.1 單因素試驗(yàn)

分別以O(shè)P粒度40、60、80、100、120、140目,改性溫度30、40、50、60、70、80 ℃,改性時(shí)間20、40、60、80、120 min,攪拌轉(zhuǎn)速50、100、150、200、250、300 r/min為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。分別稱取5 g OP粉末于潔凈燒杯中,加入到10 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的嘌呤混合溶液(腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤質(zhì)量比為1∶1∶1∶1)中,按單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成吸附操作。吸附過程結(jié)束后,取1 mL溶液,透過0.45 μm針頭式過濾器,存入1.5 mL進(jìn)樣瓶中,而后經(jīng)HPLC檢測(cè)計(jì)算處理前后嘌呤總濃度,對(duì)比其脫除嘌呤的效果。以吸附率及吸附量為指標(biāo)考察堿改性處理?xiàng)l件對(duì)MOP吸附效果的影響。

1.3.4.2 正交試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn),以O(shè)P粒度、改性處理溫度、改性處理時(shí)間、轉(zhuǎn)速為影響因子,以嘌呤吸附率和吸附量為試驗(yàn)指標(biāo)。正交試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 L9(34)Orthogonal test factors and levels

本研究采用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,探究MOP對(duì)嘌呤混標(biāo)溶液的吸附速率以及吸附類型。其計(jì)算如公式(3)～公式(5)所示:

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程:

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(3)

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程:

(4)

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程如公式(5)所示:

qt=k3t1/2+C

(5)

式中,qt,t時(shí)間時(shí)改性吸附劑對(duì)嘌呤的吸附量,mg/g;qe,吸附平衡時(shí)的吸附容量,mg/g;k1,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程吸附速率常數(shù),min-1;k2,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程速率常數(shù),g/(mg·min);k3,顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型速率常數(shù),mg/(g·min1/2);C,邊界層的厚度。

1.3.5 吸附熱力學(xué)分析

Langmuir模型主要假設(shè)吸附質(zhì)在吸附劑固體表面是單分子層吸附,表面上各個(gè)吸附位置分布均勻,每個(gè)分子之間不產(chǎn)生相互作用力[19]。這個(gè)模型已經(jīng)成功應(yīng)用于很多單分子層吸附,其表達(dá)如公式(6)所示:

定期配合上級(jí)部門做好水質(zhì)化驗(yàn)工作，將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制在規(guī)定要求范圍內(nèi)，減少各種沉淀物的產(chǎn)生。為了減少碎屑的產(chǎn)生以及降低碎屑在柱塞和盤根配合面上摩擦，可在銅壓套內(nèi)壁前端車削一個(gè)凹槽，這樣摩擦產(chǎn)生的碎屑在運(yùn)動(dòng)中可以儲(chǔ)存在凹槽中，不在柱塞和盤根工作面間隨柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來回搓動(dòng)，減輕柱塞和盤根的摩擦及磨損程度。

(6)

式中:ce,溶液中嘌呤的平衡質(zhì)量濃度,mg/L;qe,吸附平衡時(shí)的嘌呤吸附量,mg/g;qm,吸附劑吸附嘌呤達(dá)平衡時(shí)的最大吸附量;mg/g;b,Langmuir常數(shù),L/mg。

Freundlich模型是用來描述非均相吸附體系的經(jīng)驗(yàn)式模型,若固體表面是不均勻的,交換吸附平衡常數(shù)將與表面覆蓋度有關(guān)[20],其表達(dá)如公式(7)所示:

(7)

式中:qe,吸附平衡時(shí)的嘌呤吸附量,mg/g;ce,溶液中嘌呤的平衡質(zhì)量濃度,mg/L;KF,理論平衡吸附容量常數(shù),mg/g;n,Freundlich吸附常數(shù)。

1.3.6 SEM表征

將OP與MOP1樣品粉碎過100目篩,裝于SEM專用圓釘?shù)谋砻妗悠峰兘鸷笠?5.0 kV的加速電壓和1 000、3 000、5 000倍放大倍數(shù)轉(zhuǎn)移到掃描電子顯微鏡觀察。

1.3.7 FTIR光譜測(cè)定

取適量OP與MOP1粉末進(jìn)行紅外光譜測(cè)定,紅外光譜掃描范圍4 000～600 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)2次。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,每次3個(gè)平行,試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019以及Origin軟件進(jìn)行處理,用SPSS Statistics 21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改性方式制備OP吸附劑的嘌呤脫除效果對(duì)比

由表2可知,根據(jù)嘌呤吸附率和吸附量結(jié)果比較,4種不同處理處理得到的MOP對(duì)嘌呤的吸附效果均比OP好,MOP1又明顯優(yōu)于其他3種改性吸附劑(P<0.05)。因此選擇堿改性法進(jìn)行后續(xù)的單因素及正交優(yōu)化試驗(yàn),制備OP改性吸附劑。

表2 嘌呤脫除效果對(duì)比Table 2 Comparison of purine removal effects

2.2 OP改性吸附劑制備條件的優(yōu)化

對(duì)MOP1的改性條件進(jìn)行單因素試驗(yàn),由圖1-a可知,在柑橘皮粉末粒度從40目增加到100目的過程中,嘌呤吸附率和吸附量都呈顯著上升的趨勢(shì)(P<0.05),此后繼續(xù)增大目數(shù)至140目時(shí),吸附效果沒有明顯變化。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,制備MOP1吸附材料的OP粉末粒度定為100目。由圖1-b可知,改性吸附材料對(duì)嘌呤吸附效果隨著溫度升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),可能是隨著溫度升高,分子運(yùn)動(dòng)速度加快,發(fā)生有效碰撞的幾率增大,改性吸附劑的吸附效果顯著增強(qiáng)(P<0.05)。而溫度繼續(xù)升高時(shí),吸附率反而降低了,這可能是因?yàn)镸OP對(duì)嘌呤去除屬于物理吸附,因?yàn)槲揭话闶欠艧岬?因此只要達(dá)到了吸附平衡,升高溫度就會(huì)使吸附量下降[21]。另外也有可能是較高溫度的改性處理對(duì)改性吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)造成了破壞,不利于嘌呤脫除性能的提升。因此,改性處理溫度選擇40 ℃為宜。由圖1-c可知,改性時(shí)間由20 min延長(zhǎng)至60 min過程中,嘌呤吸附率和吸附量顯著增大(P<0.05),且在改性時(shí)間為60 min時(shí),達(dá)到最大值。因此,改性處理時(shí)間選擇60 min。由圖1-d可知,攪拌速度從50 r/min增加到250 r/min時(shí),嘌呤吸附性能顯著上升(P<0.05)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到250 r/min時(shí)吸附性能得到明顯提升,因此,處理過程中轉(zhuǎn)速定為250 r/min。

a-粒數(shù);b-溫度;c-時(shí)間;d-轉(zhuǎn)速

2.3 制備工藝正交優(yōu)化試驗(yàn)

由表3的試驗(yàn)結(jié)果可知,在不同處理?xiàng)l件下,所制得的MOP吸附材料對(duì)嘌呤的吸附率為25.88%～42.54%,嘌呤吸附量為29.50～48.49 mg/g。各因素對(duì)MOP1吸附嘌呤性能影響的主次關(guān)系為:C>B>A>D,即改性時(shí)間>改性溫度>OP粒度>攪拌速度。正交試驗(yàn)得出的最佳處理?xiàng)l件為A1B2C1D2,對(duì)應(yīng)為OP粒度80目、改性溫度40 ℃、改性時(shí)間40 min、轉(zhuǎn)速250 r/min。在此改性處理?xiàng)l件下,結(jié)合單因素試驗(yàn)所得最佳處理劑濃度及固液比,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),最終測(cè)得嘌呤吸附率為43.13%,吸附量為49.17 mg/g,表明該正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)改性條件穩(wěn)定可靠。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment design and results

2.4 MOP吸附動(dòng)力學(xué)性能研究

不同的吸附動(dòng)力學(xué)方程和參數(shù)可以揭示MOP對(duì)嘌呤的吸附機(jī)理。利用動(dòng)力學(xué)方程式對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,表4為吸附動(dòng)力學(xué)方程中的相關(guān)參數(shù)。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.815 6,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬的相關(guān)系數(shù)R2為0.992 7,后者比前者擬合效果更好;且根據(jù)得出的方程計(jì)算得到的平衡吸附量qe分別為30.40 mg/g和53.19 mg/g,后者更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。顆粒內(nèi)擴(kuò)散擬合的相關(guān)系數(shù)為0.848 7,線性結(jié)果較差。表明MOP1對(duì)嘌呤的吸附過程更適用于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,其吸附機(jī)理與嘌呤溶液的初始濃度和吸附劑的活性位點(diǎn)數(shù)有一定關(guān)系,吸附速率由化學(xué)吸附控制[22]。

表4 堿MOP吸附嘌呤的動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)Table 4 Kinetic-related parameters of MOP1 adsorption of purines

2.5 MOP等溫吸附性能分析

由圖2可知,不同的溫度設(shè)置下,平衡吸附量均隨著嘌呤溶液濃度的增大而增大,且溫度對(duì)MOP1吸附嘌呤有一定的影響。在初始濃度較低時(shí),吸附劑表面活性位點(diǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài),所以吸附劑的吸附容量增加較快,嘌呤濃度持續(xù)增加,MOP1的吸附容量增加變緩直至不再變化。表5是不同溫度下,MOP1對(duì)嘌呤吸附作用的Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線模型擬合結(jié)果,可以看出,3個(gè)不同溫度下采用Langmuir吸附模型擬合得到的方程效果均優(yōu)于Freundlich吸附等溫方程,其中40 ℃下的相關(guān)系數(shù)R2(0.997 2)高于Freundlich吸附模型所得結(jié)果。說明Langmuir模型更符合MOP吸附的真實(shí)情況,吸附過程屬于單分子層吸附,MOP1對(duì)嘌呤的吸附以化學(xué)吸附起主要作用。根據(jù)所得等溫方程計(jì)算出40 ℃下的吸附容量qm為61.35 mg/g,與試驗(yàn)所得結(jié)果比較接近。

圖2 不同溫度下MOP1對(duì)嘌呤的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of MOP1 to purines at different temperatures

表5 等溫吸附方程及其參數(shù)Table 5 Isothermal adsorption equation and its parameters

2.6 掃描電鏡分析

對(duì)堿性改性前后的OP吸附劑分別進(jìn)行1 000、3 000、5 000倍的電鏡掃描,由圖3可知,利用NaOH對(duì)OP改性處理之后,其形態(tài)特征發(fā)生了明顯的變化,進(jìn)而影響OP微觀結(jié)構(gòu)。從圖3-a～圖3-c中可以看出,未經(jīng)處理的OP顆粒因含有大量的纖維素,表面相對(duì)較為光滑平整,纖維結(jié)構(gòu)排列致密,孔隙較少且不明顯。圖3-d～圖3-f中顯示,改性處理之后,OP表面變得更加粗糙和疏松,孔隙增多,孔徑變大。經(jīng)堿液改性處理的MOP1脫嘌呤性能得到改善的原因可能是因?yàn)镺P的有序結(jié)構(gòu)在一定程度受到破壞,且NaOH使其所含的果膠分子上甲酯化的羧基皂化以提高羧基官能團(tuán)的數(shù)目[23],形成的活性位點(diǎn)與嘌呤接觸更加容易,所以更快發(fā)生物理或(和)化學(xué)吸附;也可能是MOP1作為典型的多孔隙物質(zhì),其多孔多褶皺的結(jié)構(gòu),提供的表面積更大。與此同時(shí),提供的吸附位點(diǎn)和吸附空間也較多。另外,MOP1內(nèi)部存在部分大孔和大量的微孔,介孔有助于減小傳質(zhì)阻力,促進(jìn)傳質(zhì)過程,微孔有利于將嘌呤吸附進(jìn)MOP內(nèi)部從而提高其吸附性能。

a-改性前OP 1 000倍;b-改性前OP 3 000倍;c-改性前OP 5 000倍;d-改性后OP 1 000倍;e-改性后OP 3 000倍;f-改性后OP 5 000倍

2.7 紅外光譜分析

圖4 OP改性前后的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of orange peel before and after modification

3 討論

比較了不同改性方法處理OP,4種改性方法制備的OP吸附材料對(duì)嘌呤的吸附效果差異顯著(P<0.05),其中堿法改性的吸附性能最好。堿性改性的最佳條件為OP粒度80目、改性溫度40 ℃、改性時(shí)間40 min、轉(zhuǎn)速250 r/min。在此改性條件下,最終測(cè)得嘌呤吸附率為43.13%,吸附量為49.17 mg/g。通過擬合模型,結(jié)果顯示MOP1對(duì)嘌呤的吸附過程更適用于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。此外,MOP1對(duì)嘌呤吸附熱力學(xué)作用最符合Langmuir等溫吸附模型,表明MOP1吸附嘌呤的整個(gè)過程主要是單分子層的化學(xué)吸附過程。掃描電鏡結(jié)果直觀的顯示經(jīng)過NaOH改性處理后的OP表面更加粗糙和疏松,孔隙增多,孔徑變大,其表面的一些雜質(zhì)及不利于吸附作用的物質(zhì)被去除,比表面積增大,活性位點(diǎn)增加,利于吸附過程的進(jìn)行。紅外光譜結(jié)果表明,OP經(jīng)過改性處理后,其表面大部分的官能團(tuán)峰消失,同時(shí)也出現(xiàn)了新的吸收峰,MOP1的譜帶強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化。改性處理使得OP的羥基和游離羧基含量增多,使改性吸附材料MOP1對(duì)嘌呤出現(xiàn)了選擇性吸附。通過改性,OP渣對(duì)嘌呤類物質(zhì)的吸附性大幅度提高,這為OP渣的有效利用及低嘌呤食品的開發(fā)提供了參考思路。