D201大孔吸附樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附平衡及熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究

馬鵬程，郭 明，2，李博斌，姚燁岑

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)理學(xué)院，浙江杭州 311300；3.紹興市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江紹興 312000；4.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州 311300)

料酒是一種重要的調(diào)味食品，在人們的日常菜品與飲食中被廣泛使用。然而，發(fā)酵型料酒在貯存及貨架期內(nèi)易產(chǎn)生沉淀，嚴(yán)重影響料酒的感官品質(zhì)。已有的研究發(fā)現(xiàn)[1-4]，料酒沉淀中主要含有蛋白質(zhì)、多酚、多糖和鐵，其中蛋白質(zhì)是最主要的成分，所占比例一般為30 %～40 %。因此，目前解決料酒沉淀難題大都集中在研究適當(dāng)去除蛋白質(zhì)的新技術(shù)上。

針對(duì)料酒酒體不穩(wěn)定產(chǎn)生沉淀的因素，目前各料酒生產(chǎn)廠家普遍采用添加澄清劑去除料酒沉淀的方法，然而使用澄清劑存在一定的缺陷[5-7]，例如澄清劑的使用量很難把握，容易造成下膠過(guò)量，易導(dǎo)致料酒在陳釀和貯存過(guò)程中發(fā)生蛋白質(zhì)凝聚反應(yīng)，出現(xiàn)返渾和絮狀沉淀等問題。離子交換法因具有操作方便、成本低、交換容量大、吸附選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，從而受到普遍研究，在水處理、食品工業(yè)、制藥工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、氣體工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。國(guó)內(nèi)外對(duì)離子交換樹脂的研究表明，可以用來(lái)吸附蛋白質(zhì)的樹脂種類有很多[8-11]，但從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，目前將離子交換樹脂用于去除料酒中易引起沉淀的蛋白質(zhì)的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。

因此，本研究對(duì)料酒蛋白質(zhì)在D201 大孔吸附樹脂的吸附平衡、吸附熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了初步研究，旨在為D201 大孔吸附樹脂澄清料酒工業(yè)化提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

料酒：由湖州老恒和釀造有限公司提供；732強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂；724弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂；D001 大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂；D113 大孔弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂；D201 大孔強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂；D311 大孔弱堿性陰離子交換樹脂，以上樹脂均購(gòu)自天津波鴻樹脂科技有限公司；考馬斯亮藍(lán)G250：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇：天津市永大化學(xué)試劑有限公司，以上試劑均為AR級(jí)。

儀器設(shè)備：HH-6系列恒溫水浴鍋，上?？瞥綄?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；ZD-2 自動(dòng)電位滴定儀，上海雷磁儀器廠；磁力攪拌器，上海凌科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；BS-IEA 恒溫水浴搖床，常州國(guó)華電器有限公司；Sartorius 電子分析天平，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；UV-2550紫外可見分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理（中國(guó)）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樹脂的篩選

分別稱取6 種不同類型的樹脂2.5 g 于250 mL錐形瓶中，分別加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉(zhuǎn)速設(shè)定為150 r/min，時(shí)間為10 h，溫度為30 ℃。吸附平衡后，根據(jù)式（1）計(jì)算不同類型樹脂對(duì)蛋白質(zhì)的平衡吸附量。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

C0——料酒中蛋白質(zhì)的初始質(zhì)量濃度（mg/mL）；

Ce——蛋白質(zhì)吸附平衡質(zhì)量濃度（mg/mL）；

m——樹脂質(zhì)量（g）；

v——料酒溶液的體積（mL）。

1.2.2 料酒中蛋白質(zhì)吸附平衡試驗(yàn)

蛋白質(zhì)吸附等溫線分別在20 ℃、30 ℃、40 ℃下測(cè)定[12]，準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理的樹脂2.5 g于250 mL錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉(zhuǎn)速為150 r/min恒溫振蕩。通過(guò)測(cè)定料酒中蛋白質(zhì)的濃度考察樹脂平衡吸附量。

1.2.3 料酒中蛋白質(zhì)吸附熱力學(xué)試驗(yàn)

熱力學(xué)靜態(tài)吸附試驗(yàn)同樣在20 ℃、30 ℃、40 ℃下測(cè)定，準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理的樹脂2.5 g 于250 mL 錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，轉(zhuǎn)速為150 r/min，時(shí)間為10 h。測(cè)定吸附后料酒中蛋白質(zhì)的濃度，根據(jù)式（1）計(jì)算出平衡吸附量。

1.2.4 料酒中蛋白質(zhì)吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理的樹脂2.5 g于250 mL錐形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒溫水浴搖床中，進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。每隔一定時(shí)間取出一定量的樣品，計(jì)算樹脂吸附量。以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，不同時(shí)間的吸附量為縱坐標(biāo)，繪制動(dòng)力學(xué)曲線。本文研究不同溫度（20 ℃、30 ℃、40 ℃）對(duì)料酒中蛋白質(zhì)吸附動(dòng)力學(xué)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂篩選結(jié)果

考察6 種不同類型的樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同類型樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附量

由圖1 可以看出，陰離子交換樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附量要高于陽(yáng)離子交換樹脂，原因可能是料酒中大部分蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)高于料酒和pH 值，高等電點(diǎn)蛋白質(zhì)在陰離子交換樹脂的吸附量大于陽(yáng)離子交換樹脂，因此吸附的作用可能是蛋白質(zhì)表面電荷的性質(zhì)和樹脂的離子交換性質(zhì)共同作用的結(jié)果。因此，料酒中蛋白質(zhì)的吸附平衡和吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)用D201樹脂進(jìn)行。

2.2 料酒中蛋白質(zhì)吸附等溫線

D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附等溫線如圖2 所示。由圖2 可知，樹脂的吸附量隨著料酒中蛋白質(zhì)含量的增加而增加，且隨著溫度的升高，樹脂的吸附量也有所增加，這表明D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附是吸熱過(guò)程，溫度的升高有利于吸附的進(jìn)行。

圖2 D201樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附等溫線

為考察蛋白質(zhì)含量與樹脂吸附量之間的定量關(guān)系[13-14]，采用常用于描述溶液中溶質(zhì)的Langmuir和Freundlich模型對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合。

Langmuir吸附等溫線模型如式（2）所示。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

Qm——飽和吸附量（mg/g）；

KL——Langmuir方程參數(shù)（L/g），與吸附自由能相關(guān)；

Ce——吸附平衡時(shí)蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度（g/L）。

Freundlich吸附等溫線模型如式（3）所示。

式中：KF——Freundlich 常數(shù)（（mg/g）（L/g）1/n），表明吸附質(zhì)的吸附能力；

n——Freundlich 指數(shù)，表明吸附質(zhì)與吸附劑之間的親和力，當(dāng)n＞1（1/n＜1）表明該吸附過(guò)程是優(yōu)惠型吸附過(guò)程。

采用Langmuir和Freundlich模型對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附等溫線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)非線性回歸方程求出各模型的參數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

其中，Langmuir模型的回歸方程依次為：

由表1 擬合結(jié)果可以看出，Langmuir 模型能夠更好地?cái)M合不同溫度下蛋白質(zhì)在D201 樹脂上的吸附等溫線。料酒中蛋白質(zhì)在D201 樹脂上的吸附量隨溫度的升高而提高，表明蛋白質(zhì)在樹脂上的吸附是吸熱過(guò)程[15-16]。由表1 Langmuir 模型可知，D201樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)最大吸附量為112.26 mg/g，F(xiàn)reundlich 模型的常數(shù)KF值隨著溫度的升高而增大，也表明樹脂對(duì)蛋白質(zhì)的吸附能力隨著溫度的升高而提高。此外，在不同溫度下，F(xiàn)reundlich 模型指數(shù)1/n 值均小于1，表明蛋白質(zhì)在D201 樹脂上的吸附是優(yōu)惠型吸附過(guò)程[17]。

表1 料酒中蛋白質(zhì)的吸附平衡參數(shù)

2.3 樹脂靜態(tài)吸附熱力學(xué)參數(shù)

從吸附熱力學(xué)參數(shù)中可以反映溫度對(duì)于吸附過(guò)程的影響，其中主要包含吸附焓變?chǔ)、吸附自由能變?chǔ)、吸附熵變?chǔ)[18-19]。對(duì)應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)值的計(jì)算及相互間的計(jì)算方程如公式（4）—（6）所示。

式中，R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K；

T——絕對(duì)溫度，K；

C——常數(shù)；

KL——Langmuir模型的平衡常數(shù)。

各熱力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 料酒中蛋白質(zhì)在不同吸附量下的熱力學(xué)參數(shù)

由表2 可知，焓變?chǔ)＞0，表明D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附過(guò)程為吸熱過(guò)程，溫度升高有利于吸附的進(jìn)行，這與吸附等溫線擬合的結(jié)果相同，同時(shí)，焓變?chǔ) 的絕對(duì)值均＜40 kJ/mol，表明該吸附過(guò)程為物理吸附過(guò)程[20-21]，吸附自由能變?chǔ)均為負(fù)值，表明該吸附過(guò)程可自發(fā)進(jìn)行，吸附熵變?chǔ)＞0，表明料酒中蛋白質(zhì)在D201 樹脂上的吸附是熵增加的過(guò)程，這是由于在溶液中，溶質(zhì)的吸附往往伴隨著溶劑的脫附，同時(shí)由于吸附質(zhì)的摩爾體積大于水的摩爾體積，大量的水分子會(huì)回到溶液中作自由運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致吸附質(zhì)分子在樹脂表面上的運(yùn)動(dòng)相較于在溶液中更加自由，所以吸附后熵增加，也加劇了整個(gè)體系的混亂程度[22]。

2.4 樹脂靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線

在30 ℃下，D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的靜態(tài)吸附曲線如圖3 所示。由圖3 可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樹脂對(duì)蛋白質(zhì)的吸附量逐漸增加，當(dāng)吸附時(shí)間在0～180 min 內(nèi)，樹脂對(duì)蛋白質(zhì)的吸附量增加迅速，在180～300 min 內(nèi)增加速度減慢，300 min 后樹脂的吸附量趨于平衡。

圖3 D201樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的靜態(tài)吸附曲線

為了考察料酒中蛋白質(zhì)在D201 樹脂上的吸附動(dòng)力學(xué)特征及其吸附機(jī)理，將靜態(tài)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型擬合分析，從而進(jìn)一步描述靜態(tài)吸附過(guò)程。擬一階和擬二階動(dòng)力學(xué)模型基本上包含了吸附所有的過(guò)程，采用這兩種動(dòng)力學(xué)模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以真實(shí)揭露樹脂對(duì)蛋白質(zhì)的吸附機(jī)理[23-24]。為進(jìn)一步了解吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，同時(shí)采用Weber-Morris 顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程來(lái)描述和分析靜態(tài)吸附過(guò)程。具體方程如公式（7）—（9）所示。

準(zhǔn)一階動(dòng)力學(xué)模型如式（7）所示。

式中：k1——準(zhǔn)一階速率常數(shù)（min-1）；

Qe——吸附平衡時(shí)的蛋白質(zhì)吸附量（mg/g）；

Qt——t時(shí)刻蛋白質(zhì)的吸附量（mg/g）；

t——吸附所用時(shí)間（min）。

準(zhǔn)二階動(dòng)力學(xué)模型如式（8）所示。

式中：k2為準(zhǔn)二階速率常數(shù)（g/mg·min）。

Weber-Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程如式（9）所示。

式中：ki為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)（mg·min1/2·g）；I為常數(shù)。

分別采用上述3 種動(dòng)力學(xué)方程對(duì)靜態(tài)吸附的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出各個(gè)模型的參數(shù)和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)力學(xué)模型擬合方程及參數(shù)

由表3 可知，3 個(gè)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95，可以較好的描述D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附過(guò)程。其中，擬二階動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)最大，且其擬合的平衡吸附量49.45 mg/g 與實(shí)測(cè)值49.7 mg/g 最為接近，說(shuō)明擬二階動(dòng)力學(xué)模型方程能夠更好的描述D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附行為，這說(shuō)明此吸附過(guò)程中吸附質(zhì)的吸附速率與其含量的二次方成正比，吸附過(guò)程可能涉及到吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子共用或轉(zhuǎn)移，表明此吸附過(guò)程也受到化學(xué)吸附機(jī)理的控制[25]。采用Weber-Morris 顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程來(lái)進(jìn)一步分析不同階段的吸附機(jī)理，結(jié)果表明，D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附行為分為薄膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散兩個(gè)階段，表明整個(gè)吸附過(guò)程受到薄膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散作用的共同作用。

3 結(jié)論

通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)，本研究從6 種不同類型的樹脂中篩選出了最合適的D201 大孔樹脂用于料酒中蛋白質(zhì)的吸附。等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果表明，D201樹脂在20～40 ℃范圍內(nèi)對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附隨溫度的升高而增加，此外，料酒中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度在0.5～2.5 mg/mL 范圍內(nèi)。吸附平衡試驗(yàn)表明，Langmuir 模型可以更好地?cái)M合蛋白質(zhì)吸附等溫線，料酒中蛋白質(zhì)在樹脂上的吸附量與溫度成正比，即溫度升高有利于蛋白質(zhì)在樹脂上的吸附。吸附熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，D201 大孔吸附樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附是自發(fā)的吸熱的物理吸附過(guò)程，這與等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果相一致。吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，蛋白質(zhì)吸附動(dòng)力學(xué)曲線符合擬二階動(dòng)力學(xué)模型，說(shuō)明在此吸附過(guò)程中還包含化學(xué)吸附。

Weber-Morris 顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程進(jìn)一步表明，D201 樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附行為分為薄膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散兩個(gè)階段，表明整個(gè)吸附過(guò)程受到薄膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散作用的共同作用。目前，離子交換樹脂在酒類產(chǎn)品的生產(chǎn)中已被廣泛的應(yīng)用，尤其是在保證和提高酒類產(chǎn)品的質(zhì)量方面起到了極其重要的作用，同時(shí)還具有操作簡(jiǎn)便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。本研究表明，D201 大孔吸附樹脂對(duì)料酒中蛋白質(zhì)的吸附量較大，可適用于發(fā)酵酒類中蛋白質(zhì)類沉淀的去除。此外，本研究?jī)H通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)篩選了適宜樹脂以及測(cè)定其飽和吸附量，在實(shí)際應(yīng)用中，由于動(dòng)態(tài)平衡等原因，動(dòng)態(tài)吸附量往往比靜態(tài)吸附量小，因此需通過(guò)動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)測(cè)定樹脂的實(shí)際飽和吸附量，以此作為樹脂使用量的判斷標(biāo)準(zhǔn)。