殼聚糖對天冬酰胺的吸附性能研究

鄧起東，唐婷范，田玉紅，周友全

（廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西柳州545006）

在制糖過程中，各種含氮物的成分及含量可作為判斷原料及糖品質量的一項重要指標。一般說來，氨基酸是生物體的必需成分和人體的重要營養素?？稍诂F用的制糖方法中，蔗汁中的氨基酸卻是多種不良影響的“有害氮”的主要成分。據克拉克[1]分析，甘蔗汁主要的氨基酸成分中天冬酰胺約占0.7%，含量最高。劉慧霞等[2]對廣西的兩種主要甘蔗品種中的氨基酸成分進行分析，發現天冬氨酸等11種主要氨基酸的含量在10 mg/L～100 mg/L。蔗汁中的蛋白質、氨基酸、酰胺及其它含氮物質在制糖過程中可產生美拉德反應，與還原糖或羥基作用生成擬黑色素，尤其是氨基酸存在時會大大加速還原糖分解產生大量此類色素，是制糖過程中物料色澤變深和pH值下降的主要原因，可使糖汁脫色困難最終產品色值增加，并會使糖膏體積膨脹和廢蜜升溫甚至焦化，對蔗糖的品質影響極大。如果能減少蔗汁中氨基酸的含量，可降低美拉德反應的機率，從而可以降低糖品色值[3]。目前，殼聚糖作為吸附劑在制糖行業方面得到很好的應用[4-5]，但關于殼聚糖對氨基酸的吸附性能的研究較少[6-7]。本文采用殼聚糖對天冬酰胺的吸附性能進行試驗研究，填補蔗汁澄清工藝基礎研究的空白，對蔗汁澄清工藝的新技術開發具有理論指導意義和實際應用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖（脫乙酰度86.6%）：上海市卡博工貿有限公司；L-天冬酰胺（純度不低于99.0%，USP Grade）：生工生物工程（上海）股份有限公司；茚三酮（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純）：廣東臺山粵僑試劑塑料有限公司；磷酸二氫鉀（分析純）：西隴化工股份有限公司；無水乙醇（分析純）：成都市科龍化工試劑廠。

722S型可見分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器、SHZ-D（Ⅲ）型循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；SHZ-82A型數顯恒溫振蕩器：常州國華電器有限公司；TDL-80-2B型低速離心機：上海安亭科學儀器廠；FA2004N型電子分析天平：上海菁海儀器有限公司；JJ500型電子天平：常熟市雙杰測試儀器廠；101-1A型數顯電熱鼓風干燥箱：上海精宏設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 天冬酰胺的分析檢測方法

準確配制0.5 mg/mL天冬酰胺標準溶液，分別吸取 0、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL 于 6 個 10 mL 的容量瓶中，加入蒸餾水稀釋至刻度。再分別精確量取1.0 mL于6只棕色試管中，加磷酸鹽緩沖液1.0 mL，顯色劑2.0 mL，加入蒸餾水定容至刻度，搖勻，置于沸水浴中顯色25 min，冷卻5 min。以相應溶劑作空白，用可見分光光度計在λ=580 nm處測定其吸光度。根據朗伯-比爾定律，分別以測定的吸光度為Y坐標，天冬酰胺的濃度為X坐標，繪制出天冬酰胺溶液標準曲線。試驗數據經線性回歸方程得：Y=34.9X-0.171 6（R2=0.998 5）[8]。

1.2.2 殼聚糖的處理制備

用電子天平稱取（10.00±0.05）g殼聚糖于500 mL燒杯中，加入200 mL蒸餾水使其混合均勻后，讓其在室溫下浸泡24 h，然后將其進行抽濾，即得到試驗所用殼聚糖[9]。

1.2.3 殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學研究

準確稱取 （0.050 0±0.000 5）、（0.100 0±0.000 5）、（0.150 0±0.000 5）g的天冬酰胺固體，分別用蒸餾水溶解并定容至1000mL的容量瓶中得到50、100、150mg/L的天冬酰胺溶液。然后，各量取100 mL天冬酰胺溶液置于一系列250 mL的具塞錐形瓶中。在加入0.15 g殼聚糖后開始計時，于30℃、振蕩頻率為120 r/min下分別 振 蕩 10、20、30、50、70、90、100、120、150、180、200、250 min。振蕩結束，取出15 mL溶液離心10 min，取上清液稀釋至適當濃度。按1.2.1項下方法測定天冬酰胺被吸附后溶液的吸光度值，并計算其吸附量[10-11]。

計算吸附量的公式為[12]：

式（1）中：qe為天冬酰胺的飽和吸附量，mg/g；C0為天冬酰胺溶液吸附前的質量濃度，mg/L；C為天冬酰胺溶液吸附后的質量濃度，mg/L；V為天冬酰胺溶液的體積，L；m 為殼聚糖的質量，g。

1.2.4 殼聚糖對天冬酰胺的吸附等溫線研究

分別配制 100、150、200、250、300、400、500、600、800、1 000、1 200、1 500 mg/L 濃度的天冬酰胺溶液，然后各量取100 mL天冬酰胺溶液置于一系列250 mL的具塞錐形瓶中。在加入0.15 g殼聚糖后開始計時，于30℃、振蕩頻率為120 r/min下分別振蕩120 min。振蕩結束，取出15 mL溶液離心10 min，取上清液稀釋至適當濃度。按1.2.1項下方法測定天冬酰胺被吸附后溶液的吸光度值，并計算其吸附量[10-11]。

1.2.5 吸附模型

1.2.5.1 動力學吸附模型

分別采用粒內擴散模型、準一級動力學模型和準二級動力學模型對殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學曲線數據進行擬合。

粒內擴散方程為[13-15]：

式（2）中：qt為t時刻殼聚糖對天冬酰胺的吸附量，mg/g；kp為粒內擴散速率常數，mg/（g·min0.5）；t為吸附時間，min。

準一級動力學方程為[14-16]：

準二級動力學方程為[15-17]：

式（3）和式（4）中：qe為平衡時刻殼聚糖對天冬酰胺的吸附量，mg/g；qt為t時刻殼聚糖對天冬酰胺的吸附量，mg/g；k1為準一級動力學的吸附速率常數，min-1；k2為準二級動力學的吸附速率常數，g/（mg·min）。

1.2.5.2 等溫吸附模型

為了研究天冬酰胺溶液的平衡質量濃度與吸附量之間的關系以及殼聚糖對天冬酰胺的最大吸附量，采用Langmuir等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程來擬合吸附過程。

Langmuir模型也稱之為單分子層吸附模型，只能適用于描述單分子層、均勻表面的吸附情況。Langmuir等溫方程式為[18-19]：

式（5）中：Ce為平衡時刻溶液中天冬酰胺的濃度，mg/L；qe為平衡時刻殼聚糖對天冬酰胺的吸附量，mg/g；b 為飽和吸附量，mg/g；kL為 Langmuir常數，L/mg。

Freundlich模型是用于描述吸附質在能量分布不均一的吸附劑表面的吸附現象，不但能描述單分子層吸附，還能描述多分子層吸附。Freundlich等溫方程式為[20-21]：

式（6）中：Ce為平衡時刻溶液中天冬酰胺的濃度，mg/L；qe為平衡時刻殼聚糖對天冬酰胺的吸附量，mg/g；kF，n 為 Freundlich 常數。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學研究

為了探討吸附時間對殼聚糖吸附天冬酰胺的影響。按照試驗方法1.2.3，在溫度30℃，天冬酰胺的濃度分別為50、100、150 mg/L的條件下，對水溶液中殼聚糖對天冬酰胺吸附作用進行動力學研究。根據試驗數據作圖，得到其動力學曲線見圖1。

由圖1可知，在吸附初始階段，殼聚糖在水溶液中對天冬酰胺的吸附量隨時間的增加而增加，吸附速度較快；當時間達到120 min時，吸附達到平衡狀態，吸附速度趨漸平緩，此后隨著時間的增加，殼聚糖對天冬酰胺的吸附量基本不再變化。由此可知，殼聚糖在水溶液中對天冬酰胺的吸附平衡時間為120 min。

按照試驗方法1.2.5.1，采用粒內擴散模型、準一級動力學模型和準二級動力學模型分別對水溶液中殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學曲線數據進行擬合，擬合結果見圖2～圖4和表1。

圖1 殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學曲線Fig.1 Adsorption kinetic curves of asparagine by chitosan

圖2 殼聚糖對天冬酰胺吸附動力學的粒內擴散方程擬合結果Fig.2 Intraparticle diffusion equation of asparagine by chitosan

圖3 殼聚糖吸附天冬酰胺的準一級動力學方程擬合結果Fig.3 Pseudo-first-order reaction equation of asparagine by chitosan

圖4 殼聚糖吸附天冬酰胺的準二級動力學方程擬合結果Fig.4 Pseudo-second-order reaction equation of asparagine by chitosan

表1 殼聚糖吸附天冬酰胺的動力學模型擬合參數Table 1 Adsorption kinetics constant of asparagine by chitosan

由圖2～圖4和表1中的擬合參數可知，在50、100、150 mg/L 3個試驗濃度條件下，通過試驗吸附數據進行粒內擴散模型（R2值在 0.815 0～0.854 0）、準一級動力學模型（R2值在0.870 7～0.877 4）的擬合結果，發現其線性相關性一般；采用準二級動力學模型擬合結果的R2值在0.985 7～0.993 2，線性相關性較好，由此可以說明采用準二級動力學模型能更好地描述殼聚糖對天冬酰胺的吸附過程。

在試驗條件下，當天冬酰胺的初始濃度分別為50、100、150 mg/L時，其動力學方程分別為：t/qt=0.133 4t+5.541 9、t/qt=0.043 5t+1.550 9、t/qt=0.029 6t+0.856 6。由準二級動力學方程計算出殼聚糖對天冬酰胺的吸附速率常數分別為0.003 211、0.001 220、0.001 023 g/（mg·min），理論吸附量分別為 7.496 3、22.988 5、33.783 8 mg/g，與試驗值 6.108 9、19.235 9、28.825 2 mg/g相近。

2.2 殼聚糖對天冬酰胺的吸附等溫線研究

為了探討不同天冬酰胺濃度對殼聚糖吸附天冬酰胺的影響。按照試驗方法1.2.4，在溫度30℃，吸附時間120 min，天冬酰胺初始濃度為100 mg/L～1 500 mg/L的條件下，對水溶液中殼聚糖對天冬酰胺吸附作用進行等溫線研究。根據實驗數據，得到其吸附等溫線見圖5。

圖5 殼聚糖對天冬酰胺的吸附等溫線Fig.5 Adsorption isotherm of asparagine by chitosan

由圖5可知，當天冬酰胺濃度較低時，殼聚糖對天冬酰胺的吸附量隨著平衡濃度的升高而迅速增大，呈現一定的線性關系，吸附量增加較大較明顯；當天冬酰胺的平衡濃度大于300 mg/L時，吸附量的增加量逐漸變小；當天冬酰胺的平衡濃度達到600 mg/L時，殼聚糖對天冬酰胺的吸附量達到飽和，基本維持在76.179 6 mg/g左右。此后，繼續增加天冬酰胺溶液的濃度，吸附量基本不再變化。

按照試驗方法1.2.5.2，分別用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程對水溶液中殼聚糖對天冬酰胺的吸附等溫線數據進行擬合，擬合結果見圖6～圖7和表2。

圖6 殼聚糖吸附天冬酰胺的Langmuir等溫方程線性擬合結果Fig.6 Linear fit of Langmuir isotherm equation of asparagine by chitosan

圖7 殼聚糖吸附天冬酰胺的Freundlich等溫方程線性擬合Fig.7 Linear fit of Freundlich isotherm equation of asparagine by chitosan

由表2可知，采用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程進行結果擬合的R2值分別為0.978 8和0.7980，吸附方程分別為Ce/qe=0.011 4 Ce+1.768 4、lnqe=1.454 5+0.435 0 lnCe。通過比較，Langmuir等溫吸附方程的相關系數比Freundlich等溫吸附方程更接近于1。由此說明，殼聚糖對天冬酰胺的吸附更符合Langmuir等溫吸附模型。根據Langmuir等溫吸附模型的假定，認為在水溶液中殼聚糖對天冬酰胺的吸附呈單分子層吸附，飽和吸附量為87.72 mg/g。

表2 殼聚糖吸附天冬酰胺的等溫線擬合結果Table 2 Isothermal parameters for adsorption of asparagine by chitosan

3 結論

在水溶液中殼聚糖對天冬酰胺的吸附動力學符合準二級動力學方程，采用準二級動力學模型擬合得到的相關系數R2的范圍為0.985 7～0.993 2。在天冬酰胺的初始質量濃度分別為50、100、150 mg/L時，殼聚糖對天冬酰胺的吸附平衡時間為120 min，吸附速率常數k值分別為0.003 211、0.001 220、0.001 023 g/（mg·min），其動力學方程分別為：t/qt=0.133 4t+5.541 9、t/qt=0.043 5t+1.550 9、t/qt=0.029 6t+0.856 6。其理論吸附量分別為 7.496 3、22.988 5、33.783 8 mg/g，與試驗值6.108 9、19.235 9、28.825 2 mg/g較為接近。在水溶液中殼聚糖對天冬酰胺的吸附呈單分子層吸附，符合Langmuir等溫吸附模型。其線性相關系數R2值為0.978 8，吸附方程和最大飽和吸附量分別為：Ce/qe=0.011 4 Ce+1.768 4和 87.72 mg/g。

蔗汁中的氨基酸及其它含氮物質，在制糖過程中可產生各種化學反應生成高分子的深色物質，對糖品質影響極大。本試驗采用殼聚糖對小分子氨基酸類物質天冬酰胺的吸附能力進行了初步研究，結果表明殼聚糖對天冬酰胺具有一定的吸附能力，對蔗汁澄清工藝的新技術開發具有理論指導意義和實際應用價值。