L-脯氨酸在大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂上的吸附性能研究

曹穩(wěn)根，徐程遙，董 增，王 志

宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院藥物生物技術(shù)研究所，安徽宿州，234000

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L-脯氨酸在大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂上的吸附性能研究

曹穩(wěn)根，徐程遙，董 增，王 志

宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院藥物生物技術(shù)研究所，安徽宿州，234000

研究了L-脯氨酸在D001大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂的吸附性能，為其工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。以吸附率和解吸率為考察指標(biāo)，研究了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)L-脯氨酸靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附與解吸附的影響。結(jié)果表明，D001大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)L-脯氨酸具有較好的吸附性能。靜態(tài)吸附最佳條件：L-Pro溶液在濃度50 mg/mL、體積100 mL、pH6、25 ℃的條件下，靜態(tài)吸附平衡時(shí)間為50 min，吸附率為83.12%，無機(jī)鹽的存在導(dǎo)致吸附率迅速下降；動(dòng)態(tài)吸附與解吸附的最佳條件為：L-Pro在上樣液濃度50 mg/mL、體積50 mL、流速3 mL/min、pH6、25 ℃的條件下，吸附率為72.51%；氨水洗脫濃度1.5 mol/L、體積25 mL、流速3 mL/min時(shí)，解吸率為89.10%。

L-脯氨酸；大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂；吸附；解吸附

L-脯氨酸(L-Proline，簡(jiǎn)稱L-Pro)是含有亞氨基的中性氨基酸，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和食品工業(yè)，還可作為農(nóng)作物的增產(chǎn)劑和化學(xué)反應(yīng)的催化劑[1-2]。目前工業(yè)上從蛋白質(zhì)水解液或發(fā)酵液中提取分離L-Pro主要采用離子交換樹脂法[3-5]。大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂是一類具有三維網(wǎng)狀和物理大孔結(jié)構(gòu)的功能聚合物[6]，在L-精氨酸吸附分離研究中已有報(bào)道[7]。本文通過靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附與解吸附實(shí)驗(yàn)，研究了L-Pro在D001型大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂上吸附性能，旨在為大孔強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹脂在L-Pro吸附分離上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，為L(zhǎng)-Pro工業(yè)化生產(chǎn)過程的進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)造條件。

1 材料與方法

1.1 材料和主要試劑

D001型大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂(上海谷研試劑有限公司)；酸性茚三酮溶液(稱取1.25 g茚三酮溶于30 mL冰乙酸和20 mL 2 mol/L磷酸溶液中，70℃下加熱攪拌溶解，冷卻后置棕色試劑瓶中，4℃保存?zhèn)溆肹8])；L-Pro標(biāo)準(zhǔn)品(純度99%，美國(guó)sigma公司)；其他試劑為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為純水。

1.2 主要儀器

U3310型紫外分光光度計(jì)(日立Hitachi公司)、HZQ-X300 恒溫振蕩器(上海恒科技有限公司)、PHS-3CT型精密酸度pH計(jì)(上海精賢科技有限公司)。

1.3 離子交換劑的預(yù)處理

先將D001型大孔強(qiáng)酸性樹脂用足量乙醇浸泡，振蕩24 h后純水洗至無醇味；接著用2 mol/L HCl浸泡24 h后，純水反復(fù)漂洗至中性；再用2 mol/L NaOH浸泡24 h后，純水反復(fù)漂洗到中性。最后再用2 mol/L HCl浸泡24 h后，用純水反復(fù)漂洗至中性，抽濾烘干后備用[9]。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密量取1、2、3、4、5、6 mL濃度為100 mg/L的L-Pro溶液分別置于10 mL的容量瓶中，純水定容后即得到濃度依次為10、20、30、40、50、60 mg/L的L-Pro標(biāo)準(zhǔn)溶液。接著分別移取上述不同濃度的L-Pro標(biāo)準(zhǔn)溶液2 mL于6支比色管中，依次加入2 mL酸性茚三酮溶液和2 mL冰醋酸，搖勻后沸水浴加熱40 min,冷卻后純水定容至10 mL[8]。以純水為參比，于波長(zhǎng)515 nm測(cè)定吸光度值，以L-Pro溶液濃度C(mg/L)為橫坐標(biāo)，吸光度值A(chǔ)為縱坐標(biāo)，得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.0769x+0.0619，r=0.999 7。結(jié)果表明，L-Pro溶液濃度在2～12 mg/L范圍內(nèi)與其吸光度值有良好的線性關(guān)系。

1.5 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定量的處理過的大孔樹脂置于150 mL錐形瓶中，加入一定濃度和體積的L-Pro溶液進(jìn)行振蕩吸附，每隔一定時(shí)間后移取2 mL溶液來測(cè)定L-Pro溶液吸附后的濃度。按下列公式分別計(jì)算L-Pro的吸附率、吸附量、解吸率和解吸量。

吸附率E=[(C0-C)/C0]×100%

(1)

吸附量q=[(C0-C)V0]/m

(2)

解析率E′=(C1×V1)/(C0-C)×V×100%

(3)

解析量q′=E′×q

(4)

式中:q為樹脂的吸附量，mg/g；E為吸附率，%；C0為L(zhǎng)-pro溶液的初始濃度，mg/L；C為吸附后L-Pro的濃度，mg/L；V0為原始溶液的體積，mL；q′為樹脂的吸附量，mg/g；E′為解吸率，%；C1為L(zhǎng)-Pro溶液的洗脫后濃度，mg/L；V1為解吸液體積，mL；V為上樣液體積，mL；m為處理的樹脂質(zhì)量，g。

1.5.1 吸附速率曲線的繪制

移取L-Pro溶液100 mL置于含有1 g處理過D001型大孔樹脂的錐形瓶中，以170 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩吸附并開始計(jì)時(shí)，每隔一定時(shí)間移取2 mL，按1.4的方法計(jì)算L-Pro溶液的濃度，再根據(jù)公式計(jì)算L-Pro的吸附率。以時(shí)間(min)為橫坐標(biāo)，吸附率(%)為縱坐標(biāo)，繪制吸附速率曲線。

1.5.2 L-Pro濃度的影響

將濃度依次為10、20、30、40、50、60 mg/L的L-Pro溶液100 mL分別置于含有1 g處理過D001型大孔樹脂的6個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)。以170 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫振蕩2 h后分別移取2 mL按1.4的方法計(jì)算L-Pro溶液的濃度，再根據(jù)公式計(jì)算L-Pro的吸附率和吸附量。

1.5.3 pH值的影響

將pH為4、5、6、7、8，濃度為50 mg/L的L-Pro溶液100 mL分別置于含有1 g處理過D001型大孔樹脂的5個(gè)錐形瓶中。按上述同樣方法，計(jì)算L-Pro的吸附率。

1.5.4 溫度的影響

將濃度為50 mg/L、pH6的L-Pro溶液100 mL分別置于含有1 g處理過D001型大孔樹脂的5個(gè)錐形瓶中。在20、25、30、35、40 ℃條件下恒溫振蕩2 h，再按上述同樣方法，計(jì)算L-Pro的吸附率。

1.5.5 無機(jī)鹽濃度的影響

將含NaCl或NH4Cl濃度依次為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mol/L的濃度為50 mg/L、pH為6的L-Pro溶液100 mL分別置于已裝入1 g處理過D001型大孔樹脂的6個(gè)錐形瓶中。25℃條件下恒溫振蕩2 h，再按上述同樣方法，計(jì)算L-Pro的吸附率。

1.6 動(dòng)態(tài)吸附與解吸附實(shí)驗(yàn)

1.6.1 上液流速的影響

準(zhǔn)確稱取處理過的D001型大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂1 g，濕法裝入5根樹脂柱中，再分別以1、2、3、4、5 mL/min的上樣速度加入pH為6、濃度為50 mg/L的L-Pro溶液50 mL進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附，收集流出液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液吸附后的濃度，計(jì)算吸附率。

1.6.2 上樣液用量的影響

準(zhǔn)確稱取處理過的D001型大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂1 g，濕法裝入5根樹脂柱中，再分別加入流速為3 mL/min、pH為6、濃度為50 mg/L的L-Pro溶液35、40、45、50、55 mL進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附，收集流出液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液吸附后的濃度，計(jì)算吸附率和吸附量。

1.6.3 不同氨水濃度對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響

準(zhǔn)確稱取處理過的D001型大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂1 g，濕法裝入5根樹脂柱中，再分別加入流速為3 mL/min、pH為6、濃度為50 mg/L的L-Pro溶液50 mL進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附，收集流出液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液吸附后的濃度，計(jì)算吸附量。然后再分別用濃度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mol/L的氨水25 mL以流速為3 mL/min進(jìn)行洗脫，收集洗脫液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液洗脫后的濃度，再按1.5公式計(jì)算解吸量和解吸率。

1.6.4 氨水流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響

準(zhǔn)確稱取處理過的D001型大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂1 g，濕法裝入5根樹脂柱中，再分別加入流速為3 mL/min、pH為6、濃度為50 mg/L的L-Pro溶液50 mL進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附，收集流出液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液吸附后的濃度，計(jì)算吸附量。然后再用濃度為1.5 mol/L的氨水25 mL以1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL/min的洗脫速度進(jìn)行洗脫，收集洗脫液。各取2 mL按1.4的方法操作，測(cè)定樣液洗脫后的濃度，再按1.5公式計(jì)算解吸量和解吸率。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

2.1.1 吸附速率曲線的繪制

L-Pro溶液的吸附速率曲線見圖1。由圖1可知，D001大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)L-Pro的吸附很慢，50 min后才達(dá)到吸附平衡，此時(shí)的吸附率為83.12%。

2.2.2 L-Pro濃度的影響

從圖2可以看出，隨著L-Pro溶液濃度的升高，D001大孔樹脂對(duì)L-Pro的靜態(tài)吸附量也隨之增加。但在L-Pro溶液濃度為50 mg/mL，吸附率為83.12%，吸附率最大，而在L-Pro溶液濃度為60 mg/mL，吸附率為75.85%出現(xiàn)下降。因此，從吸附率和吸附量綜合考慮，最適的L-Pro溶液濃度應(yīng)為50 mg/mL。

圖1 L-Pro吸附速率曲線

圖2 L-Pro濃度的影響

2.2.3 pH值的影響

從圖3可以看出,隨pH值的增大，L-Pro吸附率也隨之增大，當(dāng)pH等于6時(shí)，L-Pro吸附率最大。但當(dāng)pH大于6時(shí)，吸附率反而降低。這是因?yàn)長(zhǎng)-Pro為兩性電解質(zhì)，在不同的pH環(huán)境中以不同的離子形式存在。當(dāng)pH降低時(shí)，L-Pro的陽(yáng)離子形式數(shù)量增加，被交換到樹脂的數(shù)量也增加，而此時(shí)氫離子濃度升高又產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)性吸附，故吸附率又降低。

圖3 pH值的影響

2.2.4 溫度的影響

L-Pro在水溶液中的離子交換吸附是吸附與解吸附同時(shí)存在的，從圖4可見，隨著溫度的升高，吸附率逐漸降低，說明此吸附是一個(gè)放熱過程。由于溫度升高不利于吸附，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)角度考慮，D001型大孔樹脂的吸附實(shí)驗(yàn)可以在室溫下進(jìn)行，以25℃為佳。

圖4 溫度的影響

2.2.5 無機(jī)鹽濃度的影響

圖5為不同NaCl或NH4Cl濃度下的吸附率。由圖可見，隨著鹽濃度的增大，L-Pro的吸附率下降明顯，其中NaCl的影響略大于NH4Cl。由于Na+或NH4+的存在，形成了L-Pro與無機(jī)鹽陽(yáng)離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附，使得L-Pro的吸附率降低。而NaCl濃度對(duì)大孔樹脂吸附的影響略大于NH4Cl濃度，這是因?yàn)镹H4Cl是強(qiáng)酸弱堿鹽，其水溶液呈酸性，有利于茚三酮的顯色反應(yīng)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)上，應(yīng)除去大部分的無機(jī)鹽，盡量減少溶液中陽(yáng)離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附。

圖5 無機(jī)鹽濃度的影響

圖6 上樣液流速的影響

2.2 動(dòng)態(tài)吸附與解吸

2.2.1 上樣液流速的影響

圖6為上樣液流速對(duì)L-Pro溶液動(dòng)態(tài)吸附性能的影響?？梢钥闯?，當(dāng)流速低于3 mL/min時(shí)，動(dòng)態(tài)吸附率差別不大，說明在低流速條件下L-Pro吸附能夠更加充分。當(dāng)流速大于3 mL/min時(shí)，說明流速過快不利于L-Pro充分吸附，導(dǎo)致吸附率下降，較適宜的速度為3 mL/min。

2.2.2 上樣液用量的影響

從圖7中可見，當(dāng)L-Pro的用量增加時(shí)，L-Pro的吸附率也逐漸增加。這是由于吸附質(zhì)在大孔樹脂上的擴(kuò)散受L-Pro溶液的體積影響，體積太小，樹脂沒有達(dá)到最大吸附平衡，所以大孔樹脂的吸附量就會(huì)降低。因此，L-Pro上樣液用量應(yīng)為50 mL。

圖7 上樣液用量的影響

2.2.3 不同氨水濃度對(duì)動(dòng)態(tài)解吸的影響

隨著氨水濃度增大，解吸率也逐漸增大，但當(dāng)氨水濃度高于1.5 mol/L時(shí)，解吸率又逐漸下降(圖8)。這是因?yàn)榘彼疵撘旱臐舛冗^高，洗脫能力會(huì)變強(qiáng)，吸附在樹脂上的雜質(zhì)也會(huì)被洗脫下來，導(dǎo)致收集的流出液的體積就會(huì)加大，所以應(yīng)該選擇1.5 mol/L的氨水濃度較好。

圖8 氨水濃度對(duì)動(dòng)態(tài)解吸的影響

2.2.4 不同氨水流速對(duì)動(dòng)態(tài)解吸的影響

從圖9可以得出，當(dāng)流速低于3 mL/min時(shí)，解吸率差別不大，說明在低流速條件下L-Pro具有較好的洗脫效果。當(dāng)流速大于3 mL/min時(shí)，說明流速過快易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致解吸率降低。因此，洗脫劑的適宜流速應(yīng)為3 mL/min。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，D001大孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)L-Pro具有較好的吸附性能。靜態(tài)吸附最佳條件：25℃時(shí)，在L-Pro溶液濃度為50 mg/mL、 體積為100 mL、 pH為6的條件下，靜態(tài)吸附平衡時(shí)間為50 min，吸附率為83.12%，無機(jī)鹽的存在導(dǎo)致吸附率迅速下降；動(dòng)態(tài)吸附與解吸附的最佳條件為： 25℃時(shí)，在L-Pro上樣液濃度50 mg/mL、體積為50 mL、流速為3 mL/min、 pH為6的條件下，吸附率為72.51%；氨水洗脫濃度為1.5 mol/L、體積為25 mL、流速為3 mL/min的條件下，解吸率為89.10%。

圖9 氨水流速對(duì)動(dòng)態(tài)解吸的影響

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2015-07-10

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(教高司函[2013]8號(hào))。

曹穩(wěn)根(1964-)，安徽東至人，碩士，教授，主要從事生化分析及天然產(chǎn)物研究。

Q517

：A

：1673-2006(2015)12-0107-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.12.029