黃酒中氨基甲酸乙酯吸附去除的動力學和熱力學研究

王翼瑋,王 棟,徐 巖,趙光鰲

(江南大學工業生物技術教育部重點實驗室,食品安全與營養協同創新中心,江南大學生物工程學院釀造微生物及應用酶學研究室,江蘇無錫 214122)

黃酒中氨基甲酸乙酯吸附去除的動力學和熱力學研究

王翼瑋,王 棟*,徐 巖*,趙光鰲

(江南大學工業生物技術教育部重點實驗室,食品安全與營養協同創新中心,江南大學生物工程學院釀造微生物及應用酶學研究室,江蘇無錫 214122)

有效控制黃酒中氨基甲酸乙酯含量(EC)對于黃酒食品安全和行業發展具有重要意義。本研究通過篩選得到能夠有效吸附黃酒中EC的吸附樹脂,對EC吸附去除率在70%以上,該樹脂具有良好的吸附性能和再生能力。對其吸附動力學和熱力學特性進行考察,結果表明該樹脂吸附黃酒中EC的過程符合準二級動力學模型,樹脂的表觀吸附活化能Ea為8.89×103kJ/mol。熱力學研究表明,該樹脂吸附EC符合Freundlich方程,該吸附過程是自發地、熵增加的吸熱過程。研究結果為高效、簡便去除黃酒中EC的工業化應用提供了依據。

黃酒,氨基甲酸乙酯(EC),吸附樹脂,動力學,熱力學

氨基甲酸乙酯(Ethyl Carbamate,簡稱EC)存在于許多發酵食品和酒飲料中[1-2],研究表明EC具有一定的致癌作用[3]。黃酒釀造過程中,也會生成一定量的氨基甲酸乙酯[4],降低或去除黃酒中的氨基甲酸乙酯成為黃酒行業發展的必然要求。如何控制EC含量已成為目前黃酒行業研究的熱點之一。

目前,國內外對發酵食品及酒精飲料中氨基甲酸乙酯的研究主要集中在EC產生機理與檢測方法等方面,關于控制或降低氨基甲酸乙酯含量也提出了一些策略和方法[5]。這些方法多以控制EC形成的前體物質為主,直接降低產品中氨基甲酸乙酯含量的報道并不多見,而關于直接控制黃酒中氨基甲酸乙酯含量的報道相對更少。Park等人采用炭吸附方法可降低飲料酒中的氨基甲酸乙酯含量[6],但對酒的風味品質有一定的影響。本課題組前期使用特異性功能樹脂靜態處理黃酒可有效降低黃酒中的EC含量,并基本保持黃酒的品質[7];林文浩等人采用助劑產品對黃酒中的氨基甲酸乙酯進行處理也得到了較好的結果[5]。但是,上述方法對EC的處理效果仍須提高,仍存在著吸附材料的吸附機制尚不清楚,難以指導工業化放大等問題。

本研究通過進一步篩選,獲得對黃酒中EC吸附效率更高的樹脂吸附材料,并對其EC吸附的動力學與熱力學進行研究,探討吸附機理,為工業化應用提供理論依據,對盡快實現黃酒中氨基甲酸乙酯的控制和減除具有重要意義。

表1 樹脂篩選結果Table 1 Adsorption result with different resin

注:*數據來源于相關產品使用說明。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃酒樣品 為得到不同EC含量的黃酒樣品,將市售浙江地區黃酒(酒精度范圍12.0%～15.0%(v/v),半干型,pH4.1～4.3)經高溫(70℃)加熱處理,得到EC含量范圍約為250.00～650.00μg/L的不同樣品。

氨基甲酸乙酯標準品、氨基甲酸丙酯標準品 Sigma-Aldrich公司;NaOH、鹽酸、乙醇、甲醛溶液等 中國醫藥集團化學試劑有限公司;所用吸附樹脂為市售大孔結構吸附樹脂,包括:D202、D750、D890 杭州爭光實業股份有限公司;201X7,DA-201 鄭州勤實科技有限公司;D751 匯珠科技(上海)有限公司;XAD761、XAD7、XAD4 羅門哈斯公司。

固相微萃取PA萃取頭、固相微萃取DVB/CAR/PDMS三相萃取頭 美國Sigma-Aldrich公司;多功能進樣系統(MPS2) 德國Gerstel公司;Agilent 6890N GC-5973 MS氣相色譜質譜聯用儀 美國Agilent公司;超聲波清洗儀E60H 德國Elma公司;PB2002-N稱量天平、AB204-E分析天平 瑞士Mettler-Toledo公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樹脂的預處理及再生 樹脂預處理:100mL濕體積樹脂,用含3%NaOH和7%NaCl的水溶液200mL浸泡12h,去離子水洗至pH呈中性;再用4%的鹽酸溶液200mL浸泡12h,去離子水洗至pH呈中性;用95%乙醇溶液200mL浸泡12h,去離子水洗至無醇味。備用。

樹脂再生:將吸附處理過的100mL濕體積樹脂用含3%NaOH和7%NaCl的水溶液200mL浸泡12h,去離子水洗至pH呈中性;再用4%的鹽酸溶液200mL浸泡12h,去離子水洗至pH呈中性,備用。

1.2.2 吸附材料的靜態篩選 稱取2.5～5mL預處理后的濕體積樹脂置于150mL具塞磨口三角瓶中,加入黃酒50mL。在一定溫度下、轉速為150r/min的恒溫震蕩培養箱中震蕩吸附24h。取黃酒上清液檢測EC含量,根據物料衡算計算一定量樹脂所吸附的EC的量[7]。

1.2.3 EC的檢測 使用頂空-固相微萃取-氣質聯用技術測定黃酒中氨基甲酸乙酯含量[8]。

1.2.4 常規指標測定 酒精度、總酸、總糖、氨基酸態氮的測定參照GB/T 13662-2008 黃酒[9]。

1.2.5 靜態吸附動力學特性的測定 取樣點分為:20、40min,1、2、6、12、24、48、72、96h。檢測黃酒中的EC含量直到達到吸附平衡[10]為止。動力學曲線中樹脂在某一取樣點的吸附去除率按式(1)計算:

式(1)

式中:X為吸附去除率;C0為黃酒中EC濃度(μg/L),Ce為吸附平衡后溶液中EC濃度(μg/L)[10]。

1.2.6 靜態吸附等溫線的測定 稱取10mL預處理后的濕體積樹脂于150mL具塞三角瓶中,加入50mL不同EC濃度(200、300、400、600、800、1200μg/L)的樣品,分別在恒溫283、293、303K下,150r/min的條件下吸附。達到平衡后,取液體檢測EC濃度(Ce),計算出平衡吸附量(Qe),以平衡吸附量(Qe)對平衡濃度(Ce)作圖即為靜態吸附等溫線[11]。

式(2)

式中:Qe為樹脂的平衡吸附量(μg/mL),按濕樹脂的重量計算;C0為黃酒的起始EC濃度(μg/L);Ce為溶液的平衡濃度(μg/L);V為溶液的體積(mL);w為樹脂的濕體積(mL)。

2 結果與討論

2.1 樹脂的吸附及使用效果

2.1.1 樹脂的吸附效果 本課題組前期研究表明,采用特定吸附樹脂吸附去除黃酒中的EC可達到較好的效果,而且對黃酒品質也沒有顯著影響[7],但是對EC含量相對較高的黃酒樣品處理效果不夠理想。在此基礎上,本研究針對EC含量相對較高(320μg/L)的黃酒樣品,從相似類型的多種樹脂中,進一步進行篩選,以期獲得EC吸附效果更好的樹脂。以5%樹脂用量進行吸附處理,篩選結果如表1所示。

在30℃下,經比較,5號樹脂的EC吸附效果優于其他吸附材料。使用10%該樹脂進一步進行處理,吸附前后黃酒的主要理化指標結果如表2所示。

表3 不同EC初始濃度吸附結果Table 3 The adsorption rate of different initial concentration of EC

從表2看出,該樹脂對于黃酒中EC的吸附去除率達到了74.01%,經過EC吸附的黃酒樣品,各主要指標變化均不大。其中,變化較大的氨基酸態氮和總酸度,分別下降10%左右,但仍然符合黃酒的產品標準[12]。可以認為采用該樹脂可以有效吸附黃酒中的EC,而對黃酒其他指標影響不大。綜上所述,選擇該吸附樹脂進行進一步吸附去除與吸附機理研究。

2.1.2 樹脂再生使用效果 樹脂的再生使用可顯著降低樹脂使用成本。為此,對使用過的樹脂進行多次再生處理,重復使用,考察其吸附效果的變化情況,在30℃下結果如圖1所示。

圖1 樹脂再生對吸附效果的影響Fig.1 The influence of resin regenerations注:黃酒初始EC濃度為320.25μg/L。

結果表明,經過7次再生的樹脂,吸附黃酒中EC的性能沒有明顯變化。經過吸附處理后,黃酒中EC濃度下降情況相似,EC吸附去除率均在75%左右,表明樹脂的再生處理效果是穩定的。樹脂的反復再生使用,提高了樹脂的利用效率,降低了黃酒企業的生產成本,提高了工業化的可行性。

2.1.3 不同EC濃度黃酒的吸附去除效果 使用該樹脂進一步對不同初始EC濃度的黃酒樣品進行吸附去除,對該樹脂的吸附特性進行考察,比較吸附效果,在30℃下的結果如表3。

通過對不同EC初始濃度黃酒的吸附實驗,該樹脂吸附黃酒中EC的吸附去除率為59.71%～75.00%。從吸附結果看,采用此吸附樹脂可以有效降低黃酒中的EC濃度,對于初始EC濃度在400μg/L以下的黃酒,樹脂吸附去除率可達到70%以上。對于初始EC濃度600μg/L的黃酒,樹脂吸附去除率也可維持在60%左右。所以,該吸附樹脂對于黃酒中氨基甲酸乙酯有較好的吸附去除作用,對于不同初始EC濃度的黃酒,都能有較好的去除效果。

2.2 樹脂材料吸附黃酒中EC的動力學研究

2.2.1 樹脂吸附EC的平衡吸附曲線 為了對樹脂吸附黃酒中EC的動力學進行研究,首先考察了不同溫度下樹脂吸附黃酒中EC的平衡吸附情況,繪制相應的平衡吸附曲線,283、293、303K三個溫度下的平衡吸附曲線如圖2所示。

圖2 樹脂吸附EC的平衡吸附曲線Fig.2 The equilibrium adsorption curve at different temperature注:黃酒初始EC濃度為399.25μg/L。

由圖2可知,該樹脂材料在三個溫度下對EC的吸附在50h左右均達到吸附平衡。其中在吸附進行的前12h吸附速度較快。經計算,各溫度下吸附作用的前2h,吸附量就達到了平衡吸附量的41.60%～64.94%;吸附進行12h,吸附量達到平衡吸附量的84.32%～85.12%。可以認為該樹脂能夠在較短的時間內對于黃酒中的EC進行吸附,可有效提高處理效率,對于實際工業應用具有處理速度較快,處理時間較短的優勢。

2.2.2 吸附動力學模型 對于吸附過程一般使用準一級或準二級動力學模型進行擬合[13]。采用準一級與準二級動力學方程對293K溫度下樹脂吸附黃酒中EC進行擬合,經計算,結果如表4所示:

表4 準一級與準二級動力學方程擬合結果Table 4 Fitting result of pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models

注:Qe為樹脂在達到吸附平衡時的吸附量(μg/mL),k為速率常數。

通過對比可以看出,準二級動力學模型很好地擬合了該樹脂吸附EC的靜態吸附過程,R2值達到了0.9995,此條件下Qe=1.41μg/mL,k=0.39。表明在此條件下的樹脂平衡吸附量為1.41μg/mL,速率常數為0.39。

在283、303K溫度下,樹脂同樣符合準二級動力學模型(數據略),相關模型參數的擬合結果如表4所示。與2.2.1中實測平衡吸附量1.39μg/mL接近,說明采用準二級動力學模型可以對該樹脂吸附EC的靜態吸附動力學進行準確的擬合。

表5 不同溫度下準二級動力學參數Table 5 Parameters of pseudo-second order kinetic at different temperature

從表5得知,溫度升高,平衡吸附量Qe升高。表明在一定溫度范圍內升溫有利于樹脂對黃酒中氨基甲酸乙酯的吸附。

由于吸附過程符合準二級反應動力學,根據Arrhenius方程,由反應常數k與T的關系[14],可計算得到該樹脂吸附EC的表觀活化能Ea約為8.89×103kJ/mol。活化能的大小代表反應阻力的大小,也反映出溫度對反應速度的影響程度。此反應活化能較高,說明該吸附過程對溫度的改變較為敏感,升高溫度有利于提高該樹脂對于黃酒中氨基甲酸乙酯的吸附去除率。

2.3 樹脂材料吸附EC的熱力學研究

2.3.1 樹脂吸附EC的吸附等溫曲線 在不同溫度下,考察了樹脂對不同EC濃度樣品的平衡吸附效果。在283、293、303K三個溫度下,樹脂對氨基甲酸乙酯的吸附等溫線如圖3所示。

圖3 不同溫度下的吸附等溫線Fig.3 The adsorption isotherms at different temperature

分別采用Langmuir與Freundlich方程描述吸附平衡關系[10]。擬合結果如表6所示。

由擬合結果可知,用Freundlich方程擬合樹脂吸附EC的結果更好[14],R2值都在0.99以上。所以,該樹脂吸附EC符合Freundlich方程。表明此樹脂吸附氨基甲酸乙酯是非定位多分子層吸附,吸附作用力以氫鍵、范德華力為主。

表6 Langmuir與Freundlich方程擬合結果Table 6 The fitting result of Langmuir and Freundlich Model

2.3.2 吸附過程熱力學相關參數 根據樹脂的吸附平衡濃度可計算出分配比D。根據van’t Hoff方程:

式(3)

式中R為氣體常數,8.314J/(mol·K),T為溫度(K),由不同溫度T與對應的分配比D,可作圖計算得到ΔH和ΔS[15]。再由吉布斯方程:

ΔG=ΔH-TΔS

式(4)

可計算出一定溫度下的ΔG。計算結果如表7所示。

表7 熱力學參數值Table 7 Thermodynamic parameters

結果表明,在樹脂吸附EC的過程中,ΔH>0,說明該吸附過程為吸熱反應,升溫有利于吸附進行;ΔS>0,說明吸附過程是一個熵增加的過程;ΔG<0,說明該吸附過程為自發過程。

由上述可知,該樹脂吸附黃酒中EC的過程較為復雜,且是一個升溫有利于吸附的自發進行的吸附過程。理論上可以在一定范圍內將吸附時的溫度提高來促進吸附過程的進行,而低溫不利于該樹脂對EC的吸附去除。

3 結論

通過篩選得到一種大孔結構樹脂能夠較好地吸附減除黃酒中的氨基甲酸乙酯(EC)。在靜態吸附條件下,對EC吸附去除率在70%以上,且對黃酒的主要理化指標沒有顯著影響。樹脂再生7次后,吸附性能基本沒有變化,表明該樹脂具有良好的吸附性能和再生能力。對于EC初始濃度較高(EC含量大于600μg/L)的黃酒樣品,EC吸附去除率也可達到60%左右。

該樹脂吸附EC的動力學研究表明,該樹脂對黃酒中EC的吸附過程符合準二級動力學模型,樹脂的表觀吸附活化能Ea為8.89×103kJ/mol。熱力學研究表明,該樹脂吸附EC符合Freundlich方程,293K時,該過程的焓變ΔH為414.44J/mol,熵變ΔS為94.13J/mol,吉布斯自由能變ΔG為-28.107kJ/mol,該吸附過程是自發地、熵增加的吸熱過程。結果表明,低溫不利于該樹脂對黃酒EC的吸附去除,適當提高溫度可促進吸附效果。

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Kinetics and thermodynamics for adsorption removal of ethyl carbamate in Chinese rice wine

WANG Yi-wei,WANG Dong*,XU Yan*,ZHAO Guang-ao

(The Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition,Lab of Brewing Microbiology and Applied Enzymology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The effective control of ethyl carbamate(EC)in Chinese rice wine was very important for the food safety and development of the rice wine industry. In this work,adsorption materials were screened for removing EC from Chinese rice wine,and an adsorption resin was obtained with a removal rate of more than 70% for EC. It was also showed good reusability. The adsorption process of the resin could be described by the pseudo-second order kinetic model. The activation energy of adsorption(Ea)was 8.89×103kJ/mol. The adsorption isotherm of EC on the resin could be described with the equation of Freundlich,and it was a spontaneous,entropy increasing and endothermic process. These results were helpful for efficiently and conveniently reducing EC content in Chinese rice wine in industrial scale.

Chinese rice wine;ethyl carbamate;adsorption resin;kinetics;thermodynamics

2014-04-08

王翼瑋(1988-),男,碩士,主要從事黃酒中氨基甲酸乙酯去除的研究。

*通訊作者:王棟(1971-),男,博士,副教授,主要從事釀酒科學與技術研究。 徐巖(1962-),男,博士,教授,主要從事釀酒科學與工程研究。

國家高技術研究發展計劃(863計劃,2013AA102108);國家十二五科技支撐計劃課題(2012BAK17B11);江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目。

TS264.2

A

1002-0306(2015)01-0130-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.019