氧化鋁對(duì)鴨蛋中磷脂酰乙醇胺的吸附過程研究

楊紅，朱建航，張帆

（南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌 330031）

氧化鋁對(duì)鴨蛋中磷脂酰乙醇胺的吸附過程研究

楊紅，朱建航*，張帆

（南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌 330031）

磷脂在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用廣泛。在磷脂的分離純化方法的研究中，吸附法是一種應(yīng)用較普遍的方法。為了更好的分離和純化磷脂單體，作者利用高效液相色譜法考察了吸附法中吸附劑氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和熱力學(xué)規(guī)律。結(jié)果表明：氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中吸附磷脂酰乙醇胺的行為符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附速率主要由分子內(nèi)部擴(kuò)散控制，但它并不是唯一的控制因素。等溫吸附過程更符合Langmuir方程，吸附過程為熵驅(qū)動(dòng)的放熱、熵增的自發(fā)過程。

磷脂酰乙醇胺；氧化鋁；動(dòng)力學(xué)；吸附熱力學(xué)

磷脂在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用廣泛，人們對(duì)它的研究主要集中在生理功能和分離純化方面［1-4］。鴨蛋黃磷脂主要含有磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺［5-7］。目前，高純度磷脂單體的制備受到了高度重視［8］，其精制的方法主要有溶劑萃取法、超臨界萃取法、吸附法等［9，10］。吸附法中主要使用的吸附劑是氧化鋁，因其在甲醇溶液中對(duì)磷脂酰乙醇胺的吸附性較強(qiáng)，能夠很好的分離和純化磷脂單體。作者研究了吸附法中氧化鋁在常溫條件下靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，以及在不同的溫度下的吸附熱力學(xué)規(guī)律，為氧化鋁吸附法制備高純度磷脂單體的工業(yè)化提供相關(guān)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

磷脂酰乙醇胺（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%）標(biāo)準(zhǔn)品：Sigma公司產(chǎn)品；鴨蛋黃磷脂：實(shí)驗(yàn)室自制；氧化鋁：層析用（100～200目），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；甲醇：色譜純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；高效液相色譜儀：Agilent1100，美國Agilent公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 磷脂酰乙醇胺標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制精密稱取5.4 mg磷脂酰乙醇胺標(biāo)準(zhǔn)品置于10 mL容量瓶中，加入色譜純甲醇溶解定容，搖勻，配成磷脂酰乙醇胺標(biāo)準(zhǔn)品溶液。用高效液相色譜法（HPLC）測(cè)定磷脂酰乙醇胺的峰面積，磷脂酰乙醇胺的進(jìn)樣量分別為20、15、10、5、1 μL，以峰面積對(duì)標(biāo)品含量繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)定稱量100 mg自制鴨蛋黃磷脂置于150 mL的具塞磨口三角瓶中，投入50 mL的甲醇溶液，再于超聲中分散5 min。后稱量1 g氧化鋁與其混合置于恒溫振蕩器中，25℃振蕩，在0～300 min的范圍內(nèi)間隔時(shí)間取樣，測(cè)定氧化鋁對(duì)磷脂酰乙醇胺的吸附量。

氧化鋁單位吸附量

式中：Qt：每克氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的質(zhì)量（mg/g）；M：吸附前溶液中磷脂酰乙醇胺的質(zhì)量（mg）；Me：吸附后溶液中磷脂酰乙醇胺的質(zhì)量（mg）；W：吸附時(shí)使用的氧化鋁的質(zhì)量（g）。

1.2.3 靜態(tài)吸附等溫線的測(cè)定配制100～240 mg不同質(zhì)量的自制鴨蛋黃磷脂置于150 mL的具塞磨口三角瓶中，分別投入50 mL的甲醇溶液，再于超聲中分散5 min。后稱量1 g氧化鋁與其混合置于恒溫振蕩器中，分別在15、25、35、45℃條件下振蕩，達(dá)到平衡后，離心取上清液，測(cè)定達(dá)到平衡時(shí)磷脂酰乙醇胺的質(zhì)量濃度（Ce），計(jì)算出平衡吸附量（Qe）［11］，以平衡吸附量（Qe）對(duì)平衡質(zhì)量濃度（Ce）作圖即為靜態(tài)吸附等溫線。

式中：Qe為氧化鋁的平衡吸附量（mg/g）；Co為溶液的起始質(zhì)量濃度（mg/mL）；Ce為溶液的平衡質(zhì)量濃度（mg/mL）；V為溶液的體積（mL）；W為氧化鋁的質(zhì)量（g）。

1.2.4 磷脂酰乙醇胺定量檢測(cè)方法磷脂酰乙醇胺含量測(cè)定的高效液相色譜法（HPLC）色譜條件為：Sinochrom Si-60柱（D 4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動(dòng)相：V（乙腈）∶V（甲醇）∶V（體積分?jǐn)?shù)85%磷酸）=10∶1∶0.13；流量：1.0 mL/min；柱溫：30℃；紫外檢測(cè)波長：206nm；進(jìn)樣量：10μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷脂酰乙醇胺定量標(biāo)準(zhǔn)曲線

磷脂酰乙醇胺定量標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 磷脂酰乙醇胺定量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1the quantitative standard curve of phosphatidyl ethanolamine

2.2 氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的動(dòng)力學(xué)研究

2.2.1 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的吸附量隨時(shí)間的變化曲線見圖2。

圖2 吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2the curve of adsorption kinetics

從圖2中可以看出，增加吸附時(shí)間可以提高氧化鋁對(duì)磷脂酰乙醇胺的吸附量，前25 min吸附量增加的非?？?，25 min之后趨于平緩，氧化鋁對(duì)磷脂酰乙醇胺的吸附緩慢的趨于平衡。達(dá)到吸附平衡的時(shí)間較短（150 min），屬于快速吸附型樹脂。

為了研究氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中吸附磷脂酰乙醇胺的吸附機(jī)制，通過一、二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行曲線擬合。

一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程［12，13］：

式中：Qt、Qe分別是時(shí)間為t以及平衡時(shí)的吸附量；

K1是一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程吸附速率常數(shù)。

二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程［12-14］：

式中：Qt、Qe分別是時(shí)間為t以及平衡時(shí)的吸附量；

K2是二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程吸附速率常數(shù)。

其一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線擬合圖Fig.3first，second kinetic curve fitting chart

一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)的擬合結(jié)果參數(shù)值如表1所示。

表1 一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合表Table1first，second kinetic curve fitting table

由表1的擬合結(jié)果可知，一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.940 90，二級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)R2為0.987 59，說明氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中吸附磷脂酰乙醇胺的吸附動(dòng)力學(xué)模型更符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)，所以其吸附行為為二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附。

2.2.2 分子內(nèi)部擴(kuò)散模型擬合為了研究吸附動(dòng)力學(xué)內(nèi)部分子擴(kuò)散機(jī)制，采用分子傳質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。公式如下［15，16］：

式中：Qt為時(shí)間t時(shí)氧化鋁的吸附量；Kd為分子內(nèi)部擴(kuò)散速率常數(shù)。

當(dāng)分子擴(kuò)散的速率只有內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)，Qt對(duì)t0.5作的直線通過原點(diǎn)，當(dāng)液膜擴(kuò)散也能影響擴(kuò)散速率時(shí)，直線的截距為c，c可以理解為邊界層的厚度。

分子內(nèi)部擴(kuò)散模型擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的分子內(nèi)部擴(kuò)散模型Fig.4intra-molecular diffusion model that alumina adsorbed phosphatidyl ethanolamine

由圖4可知，第一部分的直線斜率很大，說明此階段吸附行為可能是磷脂酰乙醇胺由溶劑向氧化鋁的外表面擴(kuò)散或者是磷脂酰乙醇胺的邊界層擴(kuò)散。第二部分直線斜率稍小，為逐漸吸附過程，此階段主要屬于分子內(nèi)部擴(kuò)散控制吸附速率。第三部分的直線斜率幾乎為零，說明吸附趨于平衡，主要是因?yàn)槿芤褐辛字Ｒ掖及返臐舛群艿?。值得注意的是第二階段的直線并沒有通過原點(diǎn)，說明吸附速率主要由分子內(nèi)部擴(kuò)散控制，但又不僅僅是由分子內(nèi)部擴(kuò)散控制。

2.3 氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的熱力學(xué)研究

2.3.1 氧化鋁對(duì)磷脂酰乙醇胺的等溫吸附15、25、35和45℃4個(gè)溫度下，氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的等溫吸附線如圖5所示。

圖5 氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的等溫吸附線Fig.5the isotherms that alumina adsorbed phosphatidyl ethanolamine

圖5為4個(gè)溫度下，氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的等溫吸附曲線，從圖中可以看出，溫度與平衡吸附量呈反比，這是由于吸附屬于放熱過程，同時(shí)磷脂酰乙醇胺的初始濃度的升高有利于提高吸附量，最終吸附達(dá)到飽和。

為了探究氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中吸附磷脂酰乙醇胺的吸附熱力學(xué)過程，該試驗(yàn)使用Langmuir方程和Freundlich方程對(duì)4個(gè)溫度的吸附等溫曲線進(jìn)行曲線擬合。

Langmuir方程：

式中：Ce表示的是平衡時(shí)磷脂酰乙醇胺濃度；Qe、Qmax分別是平衡時(shí)吸附量和理論上最大的吸附量；KL是與活性位點(diǎn)親核性相關(guān)的Langmuir常數(shù)。

Freundlich方程：

式中：Ce表示的是平衡時(shí)磷脂酰乙醇胺濃度；Qe表示平衡時(shí)吸附量；KF和n都是Freundlich平衡吸附常數(shù)。

4個(gè)溫度下Langmuir方程和Freundlich方程的擬合結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 Langmuir方程擬合曲線圖Fig.6Langmuir equation fitting curves

圖7 Freundlich方程擬合曲線圖Fig.7Freundlich equation fitting curves

4個(gè)溫度下Langmuir方程和Freundlich方程的擬合結(jié)果參數(shù)值如表2所示。

表2 4個(gè)溫度下等溫吸附擬合曲線的參數(shù)值Table 2the adsorbed fitting curve parameters under four temperature

通過Langmuir等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程對(duì)磷脂酰乙醇胺的靜態(tài)等溫吸附曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。4種溫度下，Langmuir等溫吸附方程擬合度均高于Freundlich等溫吸附方程，因此能更好的擬合氧化鋁對(duì)磷脂酰乙醇胺的吸附行為。說明氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液吸附磷脂酰乙醇胺的行為更符合單分子層吸附形式。根據(jù)Langmuir和Freundlich等溫吸附理論，kL和kF是吸附平衡常數(shù)，也表示吸附劑的吸附能力，在相同溫度下，其值越大，說明吸附劑的吸附能力越強(qiáng)；n表示吸附量隨質(zhì)量濃度增加的強(qiáng)度，n＞1表明吸附過程為優(yōu)惠吸附。對(duì)比氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺/甲醇溶液的吸附平衡常數(shù)kL和kF可知，兩者的吸附常數(shù)都隨溫度的升高而減小，這說明溫度升高不利于吸附的進(jìn)行。

2.3.2 氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的自由能、吸附焓、熵為了了解氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺過程中相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，我有必要計(jì)算出吸附過程中的吸附焓、熵、自由能。吸附過程中的吉布斯自由能ΔG（kJ/mol）與平衡常數(shù)有關(guān)，根據(jù)Gibbs方程可以推導(dǎo)出如下ΔG的計(jì)算公式［17-20］：

式中：R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol K；X為溶液中溶質(zhì)的濃度；Q為吸附等溫方程；

當(dāng)式中的Q換成Freundlich吸附等溫方程時(shí)，推導(dǎo)出△G的計(jì)算公式：

式中：n為Freundlich吸附等溫方程擬合得到的參數(shù)，見上表2；

T為絕對(duì)溫度，K；

根據(jù)Van’t Hoff方程也可以得到ΔG的計(jì)算公式：

式中：kc為Langmuir吸附等溫方程擬合得到的平衡常數(shù)，見表2；

T為絕對(duì)溫度，K

此外，ΔG與熵變?chǔ)（J/（mol·K））以及焓變?chǔ)/（kJ/（mol·K））之間的關(guān)系可由式2.6表示：

由于Langmuir方程對(duì)氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中吸附磷脂酰乙醇胺的擬合效果更好，因此采用公式2.5計(jì)算其吸附ΔG。熵變?chǔ)及焓變?chǔ)則都可以通過公式2.6計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 氧化鋁吸附磷脂酰乙醇胺的熱力學(xué)參數(shù)Table 3the thermodynamic parameters that alumina adsorbed thermodynamic

分析表3中各參數(shù)可知，ΔG均為負(fù)值，說明吸附是一個(gè)自發(fā)的過程，也是一個(gè)熵驅(qū)動(dòng)過程，隨著溫度的增大，ΔG的絕對(duì)值變化很小，說明此吸附過程溫度的影響并不大。靜態(tài)吸附過程的ΔS值為正，說明吸附后體系的混亂度增大了。同時(shí)ΔH也為負(fù)值，說明吸附是一個(gè)放熱的過程，因此吸附不宜在高溫條件下進(jìn)行。

3 結(jié)語

1）通過氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的動(dòng)力學(xué)研究表明：氧化鋁在鴨蛋黃磷脂/甲醇溶液中的吸附動(dòng)力學(xué)對(duì)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的擬合效果比較好，所以其吸附行為為二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附。

2）分子內(nèi)部擴(kuò)散模型擬合結(jié)果表明：吸附過程分為3個(gè)階段，吸附速率主要由分子內(nèi)部擴(kuò)散控制，但又不僅僅是由分子內(nèi)部擴(kuò)散控制。

3）氧化鋁靜態(tài)吸附磷脂酰乙醇胺的熱力學(xué)研究結(jié)果表明：等溫吸附過程更符合Langmuir方程，吸附過程為熵驅(qū)動(dòng)的放熱、熵增的自發(fā)過程。

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Studies on the Adsorption Process of Phosphatidylethanolamine in Egg Yolk Adsorbed onto Alumina

YANG Hong，ZHU Jianhang*，ZHANG Fang
（School of Environmental and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Phospholipids have been widely used in the food and pharmaceutical industries.The adsorption is generally employed to separate and purify phospholipids.The static adsorption of phosphatidyl ethanolamine in egg yolk onto alumina was investigated and the kinetics and thermodynamics of the adsorption were studied using the high performance liquid chromatography.The fit model of the adsorption in phospholipids/methanol solution was the second-order kinetic model，where the internal diffusion was the key control of the adsorption but not the only one.The isothermal adsorption can be well explained using Langmuir Adsorption Isotherm.The adsorption process was a spontaneous exothermic process resulted from the increase in the systems entropy.

phosphatidyl ethanolamine，alumina，adsorption kinetic，thermodynamics

Q545

A

1673—1689（2015）04—0430—06

2014-07-16

*通訊作者：朱建航（1975-），男，江西南昌人，教授，主要從事緩釋藥劑開發(fā)研究。E-mail:envzjh@ncu.edu.cn