L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732樹脂上的吸附行為研究

鄭紅，王中來(lái)

（福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州350002）

L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732樹脂上的吸附行為研究

鄭紅，王中來(lái)*

（福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州350002）

研究L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732樹脂上的吸附平衡。探討NaCl濃度對(duì)L-色氨酸和L-苯丙氨酸單組分平衡吸附量的影響，同時(shí)測(cè)定L-色氨酸和L-苯丙氨酸雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)曲線。分別采用擴(kuò)展Freundlich模型和LCA模型擬合了雙組分吸附平衡數(shù)據(jù)，其中單組分吸附平衡數(shù)據(jù)采用Freundlich和Langmuir模型擬合。結(jié)果表明，擴(kuò)展Freundlich模型擬合L-色氨酸和L-苯丙氨酸的平均誤差分別為3.74%和3.85%，優(yōu)于LCA模型。雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)表明，L-色氨酸為強(qiáng)吸附組分。

L-色氨酸；L-苯丙氨酸；吸附平衡；雙組分

Abstract：The adsorption equilibrium was investigated for L-tryptophan,L-phenylalanine,and their binary amino acid mixtures on 732 cation-exchange resins in a constant-temperature bath.The effects of NaCl concentration on the amount of adsorption of L-tryptophan or L-phenylalanine was studied.The competitive adsorption kinetic curves of the binary amino acid mixtures were determined.The single component adsorption equilibrium was represented with the Freundlich and the Langmuir isotherms,respectively.The extension of the Freundlich isotherm and the Langmuir Competitive Adsorption（LCA）model were used to represent the adsorption equilibrium of binary amino acid mixtures.The results shows that the extension of the Freundlich isotherm was more suitable to represent the adsorption equilibrium for the binary amino acid mixtures than the LCA model.The L-tryptophan dominated the competitive binding,during the competitive adsorption process of binary amino acid mixtures.

Key words:L-tryptophan；L-phenylalanine；adsorption equilibrium；two-component

L-色氨酸（L-Trp）是人和動(dòng)物生命活動(dòng)中8種必需氨基酸之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和飼料添加領(lǐng)域。色氨酸發(fā)酵液中含有多種氨基酸，包括L-苯丙氨酸（L-Phe）和 L-酪氨酸（L-Tyr）。馬正飛等[1]和 Maria等[2]分別研究了L-Phe和L-Tyr在活性炭上的單組分與雙組分吸附平衡并對(duì)吸附平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。吳艷等[3]研究了堿性氨基酸離子交換平衡特性。Annesini等[4]研究了含血清白蛋白的溶液中L-Trp在活性炭上的吸附平衡。項(xiàng)靈芝等[5]研究了不同的溫度、葡萄糖濃度和氯化鈉濃度下，L-Trp在732樹脂上的吸附特性，但未對(duì)其吸附平衡過(guò)程展開具體研究。劉靜霞等[6-7]研究了酸性條件下L-Phe和L-Tyr在732型陽(yáng)離子交換樹脂上的單組分與雙組分吸附平衡并對(duì)吸附平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，但未對(duì)其所研究的平衡濃度范圍內(nèi)的所有平衡吸附量進(jìn)行預(yù)測(cè)，只應(yīng)用擬合公式計(jì)算了試驗(yàn)過(guò)程對(duì)應(yīng)的幾個(gè)的平衡吸附量，此外，其通過(guò)雙組分吸附平衡的研究，得出L-Phe為強(qiáng)吸附質(zhì)是不正確的。武彩蓮[8]和梅叢笑[9]分別對(duì)L-Trp發(fā)酵液中L-Trp的吸附、洗脫、脫色及結(jié)晶條件的優(yōu)化進(jìn)行了研究。有關(guān)L-Trp和L-Phe在732型陽(yáng)離子交換樹脂（簡(jiǎn)稱732樹脂）上的雙組分吸附平衡及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，迄今鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文研究了L-Trp和L-Phe在732樹脂上吸附行為,探討了NaCl濃度對(duì)L-Trp和L-Phe單組分平衡吸附量的影響,同時(shí)測(cè)定了L-Trp和L-Phe雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)曲線。分別應(yīng)用Langmuir競(jìng)爭(zhēng)吸附（簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CA）和擴(kuò)展的Freundlich模型擬合雙組分吸附平衡數(shù)據(jù)（其中單組分吸附平衡數(shù)據(jù)采用Freundlich和Langmuir模型擬合）,并用擬合得到的方程預(yù)測(cè)試驗(yàn)研究的平衡濃度范圍內(nèi)的所有平衡吸附量。為雙組分吸附動(dòng)力學(xué)模型的建立與求解、為提取發(fā)酵液或發(fā)酵廢液中的L-Trp及其他中性氨基酸的工業(yè)吸附器的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器設(shè)備

732型陽(yáng)離子交換樹脂：上?；瘜W(xué)試劑有限公司；L-色氨酸：日本進(jìn)口分裝；L-苯丙氨酸、氫氧化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；鹽酸：分析純，上海聯(lián)試化工試劑有限公司；UV-1900型分光光度計(jì)：HITACHI；CHA-S恒溫振蕩器：常州國(guó)華電器有限公司；離子交換柱（Φ14×180）：福州化?？平虄x器有限公司；pH 計(jì)：ORIN，Orion Research,Inc。

1.2 方法

1.2.1 樹脂預(yù)處理

先用蒸餾水沖洗732樹脂以除去雜質(zhì)，用2 mol/L的HCl和NaOH溶液反復(fù)浸泡3次，再用2 mol/L的HCl轉(zhuǎn)成H+型，用去離子水洗至中性，在60℃烘箱內(nèi)烘6 h后置磨口瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 分析方法

單組分吸附時(shí),分別在278 nm和257 nm下測(cè)LTrp和L-Phe的吸光度值，然后標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算L-Trp和L-Phe的濃度。雙組分吸附系統(tǒng)中，分別在250、257、260、265、270、275、280 nm 下測(cè)定混合組分的吸光度值，然后進(jìn)行多元線性回歸求解，即可得到各組分的含量[10]。

1.2.3 NaCl濃度對(duì)L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影響

用相應(yīng)濃度的 NaCl溶液（pH=6.5）分別配置10 mmol/L的L-Trp和L-Phe溶液，取50 mL已配置的溶液，加入0.5 g預(yù)處理過(guò)的樹脂于30℃的恒溫振蕩器上振蕩，5 h以后取出。分別在278 nm和257 nm下測(cè)定L-Trp和L-Phe的吸光度，用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出平衡濃度，進(jìn)而算出平衡吸附量。

1.2.4 單組分吸附試驗(yàn)

分別量取50 mL濃度為10 mmol/L的L-Trp和L-Phe單組分水溶液（料液初始pH為6.5）于250 mL錐形瓶中，加入已稱取的 0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.15 和0.1 g經(jīng)預(yù)處理的732樹脂于30℃恒溫振蕩器中振蕩，5 h以后取出。然后分別在278 nm和257 nm下測(cè)吸光值,求得溶質(zhì)的平衡濃度Ce(mmol/L)。平衡吸附量以qe（mmol/g）表示，并由下式計(jì)算：qe=（C0-Ce）V/M （1）

式中：C0為溶質(zhì)的初始濃度，（mmol/L）；V 為溶液體積，L；M 為樹脂重量，g。

1.2.5 雙組分吸附平衡試驗(yàn)

配置雙組分溶液：①L-Trp濃度恒定為10 mmol/L，L-Phe濃度分別為 0、1、2和 5 mmol/L；②L-Phe濃度恒定為10 mmol/L，而 L-Trp濃度分別為 0、1、2和5 mmol/L。然后稱取樹脂 0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.15 和0.1 g于250 mL錐形瓶中，加入50 mL精確配制的雙組分水溶液（料液初始pH為6.5）于30℃恒溫振蕩器中振蕩，5 h以后取出。按1.2.2節(jié)介紹的雙組分分析方法，測(cè)定OD值并計(jì)算濃度。

1.2.6 雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

分別配置10 mmol/L和20 mmol/L，pH=6.5的LTrp和L-Phe雙組分溶液，將預(yù)處理完并充分溶脹的732樹脂按設(shè)定量拌水倒入離子交換柱（床層高度為6 cm）,用pH=6.5的蒸餾水溶液平衡柱子后，換上已配置的雙組分溶液，流速控制在1.08×10-2cm/s,設(shè)定好分部收集器收集流出液，按1.2.2節(jié)介紹的雙組分分析方法，測(cè)定OD值并計(jì)算濃度，制作穿透曲線。

2 吸附平衡模型

2.1 單組分吸附平衡模型

液相單組分吸附平衡等溫線，采用Freundlich和Langmuir方程表示。

式中：K為單組分吸附的Freundlich吸附常數(shù)；qm和kc為單組分吸附的Langmuir吸附常數(shù)；C和q分別為平衡濃度（mmol/L）和平衡吸附量（mmol/g）。

2.2 雙組分吸附平衡模型

液相雙組分吸附平衡等溫線，采用LCA和擴(kuò)展的Freundlich等溫方程[11]表示。

式中：qm1,Kc1,qm2,和Kc2為單組分吸附的Langmuir吸附常數(shù)；Cp1和Cp2為L(zhǎng)CA模型預(yù)測(cè)的平衡濃度（mmol/L）；qp1和 qp2為相應(yīng)的平衡吸附量，（mmol/g）。

擴(kuò)展的Freundlich吸附等溫式的表達(dá)式為：

式中：a1,b1,a2和b2為單組分吸附的Freundlich方程常數(shù)，其它參數(shù)要用雙組分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到;C1和C2分別為L(zhǎng)-Trp和L-Phe的平衡濃度，（mmol/L）；q1和q2分別為L(zhǎng)-Trp和L-Phe的平衡吸附量，（mmol/L）。

3 結(jié)果與討論

3.1 NaCl濃度對(duì)L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影響

由于L-Trp發(fā)酵液中含有少量的無(wú)機(jī)鹽（如NaCl），鈉離子的存在會(huì)對(duì)L-Trp在732樹脂上的吸附量產(chǎn)生影響。圖1給出了NaCl濃度對(duì)L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影響。

由圖1可知，L-Trp和L-Phe的平衡吸附量隨著NaCl濃度的增加而減小，其原因是隨著鈉離子濃度的增加，鈉離子與L-Trp和L-Phe產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附加劇，另外，NaCl對(duì)水分子有很強(qiáng)的吸引力，使L-Trp和L-Phe不易轉(zhuǎn)動(dòng)，造成介電常數(shù)降低、離子遷移速度減慢[12]。此外，L-Phe的吸附量下降的更多（當(dāng)NaCl濃度為1 mmol/L時(shí)，L-Trp和L-Phe的吸附量分別下降35.2%和57.2%），這是由于732樹脂對(duì)L-Phe的吸附能力較L-Trp的低，所以鈉離子對(duì)其影響才會(huì)更明顯。因此，為了提高樹脂的利用率，應(yīng)采用一定的措施盡量減少發(fā)酵液中鈉離子的含量。

3.2 單組分吸附平衡模型

表1給出了在pH=6.5，T=30℃和初始濃度C0=10 mmol/L時(shí)，F(xiàn)reundlich和Langmuir方程的擬合參數(shù)以及相關(guān)系數(shù)r。顯著性水平取α=0.001和N=7時(shí)，臨界相關(guān)系數(shù)rc=0.951。

表1中數(shù)據(jù)表明：相關(guān)系數(shù)r均大于rc，故擬合結(jié)果在0.001水平上高度顯著。

表1 Freundlich和Langmuir方程的擬合參數(shù)Table 1 Parameters of Freundlich and Langmuir equation for every single component

3.3 雙組分溶液吸附平衡

圖2和圖3給出了L-Trp和L-Phe雙組分溶液在732樹脂上的吸附等溫線。

由圖2和圖3可見(jiàn)，雙組分中各氨基酸的平衡吸附量均低于其相應(yīng)平衡濃度下各自單組分的平衡吸附量，表明了該二組分系統(tǒng)中的吸附屬于競(jìng)爭(zhēng)吸附。但二者相互競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì)各自的影響程度不同。L-Phe初始濃度對(duì)L-Trp平衡吸附量的影響較大（見(jiàn)圖2），而LTrp對(duì)L-Phe平衡吸附量的影響較?。ㄒ?jiàn)圖3）。這可能是因?yàn)長(zhǎng)-Phe的分子較L-Trp小[13]，吸附空間位阻較小，故能較順利與樹脂結(jié)合；也可能是由于樹脂顆粒有許多空隙存在，一些空隙直徑較小，不利于大體積的有機(jī)物進(jìn)入，但可以容納小的有機(jī)物分子[14]；還可能是因?yàn)長(zhǎng)-Phe為強(qiáng)吸附組分的緣故。但從3.6節(jié)雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)表明，此處L-Phe為強(qiáng)吸附質(zhì)的可能不存在。劉靜霞[7]從L-Tyr和L-Phe雙組分吸附平衡試驗(yàn)中得出L-Phe為強(qiáng)吸附質(zhì)，經(jīng)過(guò)L-Tyr和L-Phe雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果：L-Phe為弱吸附質(zhì)，表明其結(jié)論是不正確的。

3.4 擴(kuò)展Freundlich模型的求解

根據(jù)擴(kuò)展Freundlich模型，采用matlab軟件分別擬合不同初始濃度下L-Trp/L-Phe雙組分吸附平衡數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2和圖3），解出了L-Trp和L-Phe雙組分溶液在732樹脂上的吸附等溫線方程。

式中：a1,b1,a2和b2為單組分吸附的Freundlich方程常數(shù)，其它參數(shù)要用雙組分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到；C1和C2分別為L(zhǎng)-Trp和L-Phe的平衡濃度，（mmol/L）；q1和q2分別為L(zhǎng)-Trp和L-Phe的平衡吸附量，（mmol/L）。

3.5 LCA模型與擴(kuò)展Freundlich等溫方程擬合雙組分吸附平衡的比較

圖4和圖5給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)及由兩種模型擬合的LTrp和L-Phe雙組分溶液在732樹脂上的吸附等溫線。由圖可知，擴(kuò)展Freundlich模型擬合L-Trp和LPhe平衡吸附量的平均相對(duì)誤差分別是3.46%和3.38%，最大誤差分別為6.45%和6.09%，而LCA模型擬合L-Trp和L-Phe平衡吸附量的平均相對(duì)誤差分別是15.17%和10.77%，最大誤差分別為20.72%和15.16%，說(shuō)明擴(kuò)展的Freundlich模型的擬合精度明顯優(yōu)于LCA模型。這是由于L-Trp和L-Phe之間存在競(jìng)爭(zhēng)作用，競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果表現(xiàn)為吸附量的下降，說(shuō)明有一部分被吸附的分子在競(jìng)爭(zhēng)溶質(zhì)的作用下而被解吸出來(lái)，所以簡(jiǎn)單地用單溶質(zhì)的吸附參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)多溶質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)吸附行為會(huì)引起誤差結(jié)果[14]。而擴(kuò)展的Freundlich模型是建立在試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，能廣泛表征試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是目前最能準(zhǔn)確描述多組分液相吸附平衡的等溫式。

本研究用擴(kuò)展的Freundlich模型擬合所有的雙組分吸附平衡數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2和圖3），L-Trp和L-Phe的平均相對(duì)誤差分別是3.74%和3.85%。

3.6 L-Trp與L-Phe雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程

圖6和給出了不同初始濃度對(duì)L-Trp和L-Phe雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附穿透曲線的影響。

由圖6可見(jiàn)，L-Phe為弱吸附質(zhì)，出現(xiàn)明顯的替換峰，這是由于交換樹脂對(duì)吸附質(zhì)吸附強(qiáng)弱的差別造成的；其次，L-Phe替換峰寬度的大小受入口濃度的影響，隨著入口濃度的增加，L-Trp和L-Phe的流出曲線都變陡且L-Phe的替換峰變窄，這是因?yàn)闈舛鹊脑黾?，L-Trp和L-Phe的擴(kuò)散速度加快，一方面導(dǎo)致了流出曲線變陡，穿透時(shí)間提前；另一方面使得L-Trp和L-Phe的擴(kuò)散系數(shù)差別減小，競(jìng)爭(zhēng)吸附變強(qiáng)而替換作用變?nèi)酰瑑烧叻蛛x變差，故L-Phe的替換峰變窄[15]。

4 結(jié)論

1）研究了L-Trp和L-Phe單組分與雙組分的吸附平衡，考察了NaCl濃度對(duì)L-Trp與L-Phe單組分平衡吸附量的影響及L-Trp和L-Phe雙組分吸附平衡行為。L-Trp和L-Phe的平衡吸附量隨著NaCl濃度的增加而減小，且L-Phe的下降的較多。雙組分平衡吸附過(guò)程中，L-Phe初始濃度對(duì)L-Trp平衡吸附量的影響較大，而L-Trp對(duì)L-Phe平衡吸附量的影響較小。

2）L-Phe在732樹脂上的吸附符合Freundlich和Langmuir方程，平均擬合誤差分別為4.93%和2.76%；L-Trp在732樹脂上的吸附符合Freundlich方程,平均擬合誤差為3.68%，而Langmuir方程對(duì)L-Trp吸附平衡的擬合存在較大誤差，平均擬合誤差為9.99%。

3）732樹脂吸附L-Trp和L-Phe混合溶液符合擴(kuò)展的Freundlich等溫線方程（模型擬合L-Trp和LPhe平衡吸附量的平均相對(duì)誤差分別是3.74%和3.85%），而LCA模型擬合該雙組分吸附平衡不理想（模型預(yù)測(cè)L-Trp和L-Phe平衡吸附量的平均相對(duì)誤差分別是17.24%和12.72%）。雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，L-色氨酸為強(qiáng)吸附組分。

今后的研究方向主要是測(cè)定不同初始條件下LTrp和L-Phe雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)曲線；建立相應(yīng)的雙組分競(jìng)爭(zhēng)吸附動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行求解。本研究所得到的雙組分平衡方程，為雙組分動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)建模與數(shù)值模擬研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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A Study of Adsorption Behavior for the Binary Mixtures of L-tryptophan and L-phenylalanine on 732 Cationexchange Resins

ZHENG Hong,WANG Zhong-lai*
（College of Biological Science and Technology，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian,China）

2009-08-11

鄭紅（1984—）,女（漢），碩士研究生，研究方向：生物分離與產(chǎn)品工程。

*通訊作者：王中來(lái)，教授。