離子交換樹脂對山楂汁總酸與總黃酮的靜態吸附動力學和熱力學的影響

井麗麗,吳志蓮,董艷琳,孫苗苗,田家浩,趙玉平,*

(1.煙臺大學生命科學學院,山東煙臺 264005;2.煙臺綠杰股份有限公司,山東龍口 265718)

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離子交換樹脂對山楂汁總酸與總黃酮的靜態吸附動力學和熱力學的影響

井麗麗1,吳志蓮2,董艷琳2,孫苗苗2,田家浩1,趙玉平1,*

(1.煙臺大學生命科學學院,山東煙臺 264005;2.煙臺綠杰股份有限公司,山東龍口 265718)

采用靜態吸附法研究D315弱堿性陰離子交換樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的吸附動力學與吸附等溫線,并進行模型擬合分析。結果表明,25 ℃下,D315離子交換樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態吸附數據通過擬二階動力學模型(R2均大于0.99)擬合分析最佳,表明了此靜態吸附過程主要是化學吸附,Elovich模型對數據的擬合度(R2均大于0.95)也進一步證明了該結果;另外,通過W-M模型對數據擬合,表明整個靜態吸附過程受多元擴散的共同作用,即粒擴散和膜擴散。綜合分析靜態吸附等溫線結果顯示:Langmuir等溫模型更有利于擬合D315離子交換樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態吸附數據。

D315離子交換樹脂,山楂汁,吸附動力學,吸附等溫線

山楂(CrataegusPinnatifidaBge)是薔薇科(Rosaceae)山楂屬(Crataegus.L)植物,資源豐富,多分布在北溫帶地區,是我國特有的藥食兩用水果[1]。山楂果實含有豐富的營養物質,具有良好的保健功能[2]。現已市售的山楂制品有山楂糕、山楂片、山楂醬等[3],但由于山楂過高的酸含量,這些制品均是通過加糖勾兌、混合等手段緩解山楂固有的酸性,因此制成的產品含糖量較高,不利于老年人與糖尿病人的食用[4]。

果汁飲料最佳口感的總酸含量通常在5～10 g/L,為將高酸水果過高的酸度降至所期望的范圍,已有很多學者致力于降酸方面的研究。現代飲料降酸方法有生物降酸法、物理降酸法、化學降酸法等,如文連奎等人采用碳酸鈣或酒石酸鉀沉淀法降低葡萄酒中酒石酸[5];Amer等人采用蘋果酸-乳酸發酵法降解葡萄酒中蘋果酸[6];趙玉平等人采用酵母菌降低山楂汁中檸檬酸,但氧參與使其生物活性成分損失,風味變劣[7];電滲析膜法降低西番蓮等總酸[8],但極膜易中毒;離子交換樹脂降低沙棘[9]、西番蓮[10]的總酸含量。其中,離子交換樹脂的效果最佳,為此早在2000年我國趙玉平等人[11-12]就開始致力于離子交換樹脂對山楂汁降酸方面的研究。

山楂生物活性成分主要為黃酮類化合物(下文統稱“總黃酮”),離子交換樹脂降酸過程中,會造成總黃酮含量的損失。降酸過程中,減少山楂總黃酮含量的損失,并將山楂含有的總酸含量降低至人們可接受水平,可使得到的產品既具有山楂原有的保健功效,又不會限制食用人群,從而使山楂制品及其衍生物具有較大的發展空間。為達到降酸而保留總黃酮的目的,研究樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的共同吸附機理是非常必要的。

文中采用D315弱堿性陰離子交換樹脂為材料,以高酸果汁中山楂汁為研究對象,旨在研究D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態共同吸附過程,并對吸附數據進行模型擬合分析,包括吸附動力學與吸附等溫線。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山里紅(Crataeguspinnatifida) 煙臺市農貿市場;果膠酶 諾維信(中國)生物技術有限公司,食品級;蘆丁標準品(純度95%) 中國藥品生物制品檢定所;D315離子交換樹脂 天津南開合成科技有限公司;亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、乙醇、鹽酸 國藥集團化學試劑有限公司 均為分析純。

HZY-200-A電子天平 福州華志科學儀器有限公司;DD-5M離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司;THZ-82A恒溫水浴搖床 常州澳華儀器有限公司;TDL-60B臺式低速離心機 上海圣科儀器設備有限公司;721分光光度計 上海鼎科科技儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 山楂汁制備 將山楂果清洗,去梗,軟化(以山楂果∶水=1∶1的質量比煮制),搗醬,冷卻至50 ℃,按果膠酶∶山楂果(w/v)=1∶1000的比例,加入果膠酶酶解(50 ℃下酶解5 h),冷卻至室溫,使用DD-5M離心機4000 r/min下離心20 min,即可得到山楂汁原汁。

1.2.2 樹脂預處理 取適量樹脂先用無水乙醇浸泡12 h,用去離子水將浸泡后的樹脂清洗干凈,以除去乙醇;用1 mol/L的NaOH溶液與1 mol/L的HCl溶液交替浸泡4 h,且交替更換溶液前均將樹脂用去離子水洗至中性;最后用1 mol/L NaOH溶液處理樹脂,將樹脂轉型為OH型;將樹脂用去離子水洗至中性,即得到活化樹脂;用去離子水浸泡保存樹脂,備用。

1.2.3 靜態吸附實驗 按一下步驟進行靜態吸附實驗。

1.2.3.1 靜態吸附動力學研究 在9個250 mL錐形瓶中,分別加入10 mL D315活化樹脂與100 mL山楂原汁,將錐形瓶密封放置于25 ℃恒溫水浴搖床,以150 r/min轉速振搖。分別在振搖5、15、30、60、90、120、180、240、720 min后將錐形瓶依次取出,過濾,分離樣液與樹脂,收集樣液,對樣液中總酸、總黃酮含量變化進行分析,并對總酸和總黃酮吸附數據進行模型擬合。

1.2.3.2 靜態吸附等溫線研究 取10 mL活化樹脂分別于6個250 mL錐形瓶,分別加入100 mL濃度不同的山楂汁溶液(將山楂汁原汁進行不同程度的稀釋得到),將錐形瓶密封分別放置于25、30、35 ℃恒溫水浴搖床中,以150 r/min轉速振搖12 h,過濾得到山楂汁溶液,收集樣液,分析其總酸、總黃酮含量變化,并對總酸和總黃酮吸附平衡數據進行模型擬合。

1.2.4 數學模型 將靜態吸附實驗中,動力學實驗過程,得到的樣液的總酸與總黃酮的吸附數據進行動力學模型擬合分析;吸附等溫線實驗過程,得到的樣液的總酸與總黃酮的吸附數據進行吸附等溫線模型擬合分析。

1.2.4.1 吸附動力學模型 吸附劑的吸附過程受到很多因素的影響,比如:吸附劑特性、吸附質特性以及吸附質與吸附劑比例等。研究吸附動力學可以為吸附質在樹脂上的吸附機理提供關鍵信息[13]。為了更好的研究山楂汁在D315樹脂上的吸附機理,實驗中采用四種動力學模型對實驗數據進行擬合,包括擬一階動力學模型、擬二階動力學模型、W-M動力學模型(Web與Morris粒內擴散模型)以及Elovich模型[14];其中W-M動力學模型是理論動力學模型之一,其他三種模型均是經驗動力學模型。擬一階、擬二階、W-M、Elovich動力學模型的線性形式分別如下:

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

式(1)

式(2)

Qt=kit1/2+I

式(3)

Qt=b+alnt

式(4)

式(1)～式(4)中,Qe與Qt分別是吸附平衡與吸附t分鐘時吸附質(總酸或總黃酮)含量,(g/L);k1、k2、ki、I、a以及b均是動力學吸附模型相應的相關常數。

1.2.4.2 吸附等溫線模型 吸附等溫線對吸附過程的理解也是非常重要的,通常用于體現吸平衡狀態下,吸附質在液相與固相(吸附劑)之間的分布關系。為了擬合平衡吸附數據,實驗中使用兩種目前最廣泛的吸附等溫線:Langmuir等溫線與Freundlich等溫線,同樣通過其線性相關系數選擇最佳吸附等溫線。

Langmuir等溫線描述單分子層吸附,該模型假設每個活性中心只能吸附一個吸附質分子,即形成單分子吸附層[15]。Freundlich等溫線模型假設吸附質在吸附劑表面發生不均勻吸附[16]。Langmuir和Freundlich等溫線模型的公式如下所示:

式(5)

式(6)

式(5),式(6)中,Qe、Qm分別為吸附平衡狀態下樹脂吸附量以及樹脂最大吸附量,(g/L);Ce為吸附平衡狀態下溶液中吸附質含量,(g/L);KL為Langmuir常數,反應吸附質吸附力;KF為Freundlich等溫線模型中樹脂的吸附量,(g/L);n為衡量吸附能力的常數。Langmuir與Freundlich等溫線模型的線性表達形式分別如式(7)、式(8):

式(7)

式(8)

Qm與KL的值可以通過Langmuir等溫線線性直線的斜率1/Qm與截距1/(Qm*KL)計算得出。KF與n的值分別通過Freundlich等溫線線性直線的截距lnKF與斜率1/n計算得出。

1.2.5 總酸含量測定 總酸以檸檬酸計,采用酸堿直接滴定法[17]。

1.2.6 總黃酮含量測定 總黃酮含量測定采用亞硝酸鈉-硝酸鋁-氫氧化鈉比色法[18]。

使用蘆丁作為標準品進行標準曲線的繪制:分別移取0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 mL的1 g/L蘆丁標準溶液于50 mL容量瓶,分別補水至容量瓶中溶液體積為5 mL,搖勻;加入5%亞硝酸鈉溶液2 mL,搖勻,靜置6 min;加入10%硝酸鋁溶液2 mL,搖勻,靜置6 min;加入1 mol/L氫氧化鈉溶液8 mL,定容,搖勻,靜置15 min后,利用紫外可見光分光光度計于510 nm波長處測定溶液吸光度。繪制吸光度與黃酮含量關系曲線得到標準曲線方程:C=0.1022A-0.00042,R2=0.9996

樣液中總黃酮含量的測定:準確移取2.00 mL樣液和8.00 mL無水乙醇于離心管中,以3000 r/min轉速離心5 min,得到上清液;取適量上清液與50 mL容量瓶,之后操作同上。實驗中根據實際情況調整了離心待測液體積以及移取上清液的體積,以盡可能保證所測得的吸光度值在0.2～0.7之間。根據黃酮標準曲線計算樣液中總黃酮含量。其計算公式如下:

式(9)

式(9)中,C為樣液中總黃酮含量,g/L;A為所測溶液吸光度值;V1、V2分別為離心移取的待測液體積與移取的上清液體積,mL。

1.2.7 樹脂吸附量的計算方法 樹脂吸附量(Qe,g/L)計算方法如下[19]:

式(10)

式(10)中,Qe為平衡狀態下樹脂對總酸的吸附量,g/L;C0、Ce分別是樣液中初始濃度、平衡狀態下溶液總酸濃度,g/L;Vl、Vr分別是吸附過程中樣液體積、樹脂體積,mL。

2 結果與分析

2.1 靜態吸附動力學曲線分析

在25 ℃下D315樹脂對山楂汁的吸附過程中,隨時間變化樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的吸附曲線如圖1所示。在最初90 min,D315樹脂能夠吸附山楂汁中64%總酸和33%總黃酮,這說明該樹脂對總酸的吸附率大于樹脂對總黃酮的吸附率。時間由90 min到720 min的過程中,樹脂對總酸和總黃酮的吸附能力均出現不同程度的下降。總酸和總黃酮在吸附時間為240 min時均能夠達到吸附平衡,且平衡時樹脂對總酸和總黃酮的吸附率分別為69%、38%。主要是由于樹脂在吸附初期,吸附質(總酸與總黃酮)在固液相之間的濃度梯度較大,樹脂上有較多可利用的吸附位點,樹脂吸附能力較大;而隨著吸附質在樹脂上不斷積累,樹脂上可利用的吸附位點減少,樹脂吸附能力下降。

圖1 25 ℃下D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態吸附動力學曲線Fig.1 Static adsorption kinetics curves of total acid and total flavonoids in hawthorn fruit juice on D315 resins at 25 ℃

2.2 靜態吸附動力學模型擬合分析

將D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態吸附數據進行動力學模型擬合分析,進一步描述靜態吸附過程。擬一階與擬二階動力學模型基本上包含了吸附的所有過程,采用這兩種動力學方程擬合實驗數據,真實揭露樹脂對山楂汁的吸附機理;為進一步了解吸附動力學過程,采用Elovich模型進行檢驗,采用W-M模型了解速度控制步驟。四種動力學曲線得出的動力學模型參數如下表1所示。

表1 25 ℃下D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮吸附動力學參數Table 1 Kinetic parameters for adsorption of total acid and total flavonoids in HFJ on D315 resin under 25 ℃

注:W-M動力學模型中,1與2分別是曲線被分成兩個階段中的第一階段與第二階段。

通過比較模型的相關系數,選擇吸附質符合的最佳吸附模型。比較動力學模型線性相關系數,可以看出:25 ℃下,D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的吸附數據與擬二階動力學模型(相關系數>0.999)的擬合度最佳,這說明吸附過程中吸附質的吸附速率與溶液中吸附質含量的二次方成正比,吸附過程涉及到吸附劑與吸附質之間的電子共用或電子轉移,可能受化學吸附機理的控制[20]。另外,Elovich模型對吸附數據的擬合,其線性相關系數R2>0.95,進一步說明吸附過程主要發生的是化學吸附[21]。

離子交換過程總速率受傳質阻力與質量作用定律的雙重影響,一般需要經歷以下4個步驟:吸附質離子在溶液中向樹脂方向擴散;吸附質離子由溶液經過液膜擴散到樹脂表面(膜擴散);吸附質離子由樹脂表面擴散到樹脂內部(粒內擴散);吸附質離子在樹脂活性位點上發生離子交換反應。其中速度最慢的一步是離子交換過程的速度控制步驟。采用W-M動力學模型可以確定吸附過程中的速度控制步驟,生產操作中,若能提高較慢步驟的速度,即可提高整個吸附過程的速率。對于W-M模型的擬合如圖2所示,山楂汁總酸和總黃酮的擬合曲線均不過原點,且被分成兩個階段,結果表明整個吸附過程受多元擴散的共同作用,即粒擴散和膜擴散作用。

圖2 25 ℃ 下D315樹脂靜態吸附山楂汁總酸和總黃酮的W-M動力學模型曲線Fig.2 W-M kinetics model curves of total acid and total flavonoids in hawthorn fruit juice on D315 resins at 25 ℃

2.3 靜態吸附等溫線分析

在特定溫度下,吸附等溫線能夠描述吸附平衡狀態時吸附質在固液相中的分布關系[22]。實驗中研究了25、30、35 ℃下,不同濃度山楂汁在D315樹脂上的吸附平衡。不同濃度山楂汁溶液中總酸和總黃酮在D315樹脂上的吸附平衡曲線如下圖3所示。

圖3 不同溫度下D315樹脂對山楂汁溶液中總酸(A)和總黃酮(B)的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherm curves of total acid(A) and total flavonoids(B)in hawthorn fruit juice on D315 resins at different temperatures

山楂汁濃度越低,D315樹脂對總酸和總黃酮的吸附越迅速,隨著山楂汁溶液濃度的不斷升高,樹脂的吸附速率上升程度減緩。主要是由于在樹脂量一定的情況下,樹脂可供利用的吸附位點是一定的,所以吸附質濃度越高,吸附質分子之間的競爭性越強。另外,隨著溫度升高到35 ℃,山楂汁濃度一定的情況下,樹脂對吸附質的吸附量增加,這表明D315樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的吸附是一個吸熱過程。

2.4 靜態吸附等溫線模型擬合分析

采用Langmuir和Fruendlich等溫線對吸附平衡數據進行擬合分析,進一步了解吸附平衡過程,更好的理解樹脂對山楂汁的吸附機理。

Langmuir等溫線模型的平衡特性可以通過無因次常數RL表示,RL的計算方法如下:

式(11)

式(11)中,C0是山楂汁溶液的最大初始濃度,g/L。RL值能夠表明得到的等溫線的類型是否是有利的(01),線性的(RL=1),不可逆的(RL=0)。

Fruendlich等溫線模型參數n可以測定吸附強度和吸附劑表面的不均勻性[23-24]。0<1/n<1表示山楂汁溶液在D315樹脂上的吸附是有利的;1/n>1表明山楂汁溶液在D315樹脂上的吸附是有利的,存在協同吸附[25]。

兩種等溫線模型對于吸附平衡數據的擬合參數如表2所示。Langmuir和Fruendlich等溫線模型擬合數據的R2均大于0.9800,表明D315樹脂對山楂汁溶液總酸和總黃酮的平衡吸附數據能夠用Langmuir和Fruendlich等溫線模型擬合,這與之前的一些研究是一致的[19,26]。Qm和KF是表示樹脂吸附能力的參數,根據其值可以看出D315樹脂對山楂汁溶液總酸的吸附能力更強。RL和1/n值均在0～1之間,表明Langmuir和Fruendlich等溫線描述吸附過程均是有利的。單從線性相關系數看,樹脂對山楂汁溶液總酸的吸附過程更加符合Langmuir等溫線模型,樹脂對山楂汁溶液總黃酮的吸附過程更加符合Fruendlich等溫線模型;然而,單從樹脂吸附量看,Langmuir模型參數Qm更接近于實驗獲得的樹脂平衡吸附量,因此該模型更加有利于擬合山楂汁總酸和總黃酮吸附過程。

表2 不同溫度下山楂汁總酸和總黃酮在D315樹脂上的吸附等溫線參數Table 2 Adsorption isotherm parameters of total acid and total flavonoids in hawthorn fruit juice onto D315 resin at different temperatures

3 結論

本研究主要對D315離子交換樹脂靜態吸附山楂汁總酸與總黃酮的動力學、等溫線進行擬合分析。靜態吸附動力學實驗結果顯示:25 ℃下,D315離子交換樹脂對山楂汁總酸和總黃酮的靜態吸附主要是化學吸附,且整個吸附過程受多元擴散的共同作用;另外,D315樹脂對山楂汁總酸與總黃酮的吸附量隨溫度增加而增加,說明吸附過程是吸熱的,且Langmuir等溫線對數據的擬合度更好。

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Effects of static adsorption kinetics and thermodynamics of total acid and flavonoids in hawthorn fruit juice on D315 ion-exchange resin

JING Li-li1,WU Zhi-lian2,DONG Yan-lin2,SUN Miao-miao2,TIAN Jia-hao1,ZHAO Yu-ping1,*

(1.College of Life Sciences,Yantai University,Yantai 264003,China; 2.Yantai Lv Jie Co.,Ltd,Longkou 265718,China)

In this paper,the adsorption kinetics and isotherms of total acid and flavonoids in hawthorn fruit juice on D315 weakly basic anion exchange resin were investigated through static adsorption method,and fitted by models. The results showed that the experiment data of total acid and flavonoids on D315 resin at 25 ℃ were best fitted by the Pseudo-second-order kinetics model(R2>0.99),indicating this static adsorption was mainly chemical adsorption,and a good regression level of Elovich equation(R2>0.95)further confirmed it. Thus,the fitting of W-M model showed that the whole adsorption process was dominated by multi-diffusion including film diffusion and intra-particle diffusion. The comprehensive analysis result of static adsorption isotherm showed the Langmuir isotherm model was more conducive to the fitting of static adsorption data of total acid and flavonoids in hawthorn fruit juice on D315 ion-exchange resin.

D315 ion-exchange resin;hawthorn fruit juice;adsorption kinetics;adsorption isotherm

2016-11-17

井麗麗(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：飲料加工，E-mail：jll03250827@163.com。

*通訊作者:趙玉平(1964-)，男，博士，教授，研究方向：發酵食品與飲料，E-mail：water15689@163.com。

山東省自然基金 (ZR2011CM026)；煙臺大學研究生科技創新基金 (YJSY201521)。

TS255.44

A

1002-0306(2017)11-0111-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.013