不同碳素納米材料對(duì)黃曲霉毒素B1的吸附

黃靜　劉霄悅　張建成　張初署　唐月異　王冕　朱立飛

摘要：黃曲霉毒素B1（AFB1）對(duì)人體有較強(qiáng)的毒性，因此脫除食品中的AFB1具有重要意義。為了探究碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附機(jī)理，研究石墨、石墨烯、氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附，建立等溫吸附曲線，進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)表征，探究其吸附過(guò)程，并用這3種碳素納米材料脫除食品（食用醋、花生奶、花生油）中的AFB1。結(jié)果表明，3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附過(guò)程均符合Freundlich模型（R2為0.944 1～0.988 5）、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2為0.973 5～0.997 2），吸附以多分子層化學(xué)吸附為主。吸附過(guò)程均為自發(fā)放熱過(guò)程，溫度會(huì)影響碳素納米材料的吸附能力，在25～45 ℃條件下，溫度升高不利于吸附進(jìn)行。3種碳素納米材料對(duì)AFB1均具有較強(qiáng)的吸附能力，綜合考慮，石墨烯的吸附能力最強(qiáng)，可有效脫除食品（食用醋、花生奶、花生油）中的AFB1。本研究系統(tǒng)探究碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附過(guò)程和吸附機(jī)理，可為碳素納米材料用于脫除食品中的AFB1提供理論、技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：碳素納米材料;黃曲霉毒素;吸附過(guò)程;吸附機(jī)理

中圖分類號(hào)：TQ424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4440（2022）02-0539-10

Adsorption of aflatoxin B1 by carbon nanomaterials

HUANG Jing LIU Xiao-yue ZHANG Jian-cheng ZHANG Chu-shu TANG Yue-yi WANG Mian ZHU Li-fei

Abstract：Aflatoxin B1 （AFB1） has serious toxic effects on human health， so it is of great significance to remove AFB1 from food. In order to explore the adsorption mechanism of carbon nanomaterials on AFB1， absorption of graphite， graphene and graphene oxide on AFB1 was studied， the isothermal adsorption curve was established， and the adsorption kinetics and thermodynamics were analyzed. Moreover， combined with the structure characterization， the adsorption process was explored， and the three kinds of carbon nanomaterials were used to remove AFB1 in food （edible vinegar， peanut milk， peanut oil）. The results showed that the adsorption process of three carbon nanomaterials on AFB1 conformed to Freundlich model （R2=0.944 1-0.988 5） and quasi-second-order kinetic model （R2=0.973 5-0.997 2）， and the adsorption was dominated by multi-molecule chemisorption. The adsorption process was spontaneous exothermic process， the temperature would affect the adsorption capacity of adsorption materials. At 25-45 ℃， the increase of temperature was not conducive to adsorption. The three carbon nanomaterials had strong adsorption capacity for AFB1. In general， graphene had the strongest adsorption capacity， which could effectively remove AFB1 from food （edible vinegar， peanut milk， peanut oil）. This study systematically explored the adsorption process and mechanism of carbon nanomaterials for AFB1， which could provide theoretical and technical support for the application of carbon nanomaterials in the removal of AFB1 in food.

Key words：carbon nanomaterials;aflatoxin;adsorption process;adsorption mechanism

近年來(lái)，日益嚴(yán)重的食品安全問(wèn)題使食品的質(zhì)量和安全引起全世界公眾的關(guān)注。黃曲霉毒素作為一種有毒物質(zhì)，對(duì)人和動(dòng)物都有很強(qiáng)的致癌、致畸、致細(xì)胞突變性，一直是大眾關(guān)注的重點(diǎn)。黃曲霉毒素是一類主要由黃曲霉菌和寄生曲霉菌等真菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多種不同形式的天然黃曲霉毒素，其中黃曲霉毒素B1（AFB1）的毒性和致癌性最大，被認(rèn)定為IA級(jí)致癌物[1]。

AFB1在收獲前、收獲后、貯藏期間和運(yùn)輸期間均會(huì)污染糧食作物，AFB1對(duì)人體有較大的毒害作用，如何去除食品中的AFB1一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。目前去除AFB1的方法主要分為兩類，一類是利用物理、生物或化學(xué)解毒方法降解污染食品中的AFB1。物理處理是利用紫外線、電子束以及γ射線照射降解AFB1，盡管這種方法簡(jiǎn)單且運(yùn)行成本低，但是強(qiáng)射線會(huì)破壞食品中的其他營(yíng)養(yǎng)成分，影響食品的質(zhì)量，從而限制其實(shí)際應(yīng)用。生物法是利用微生物的酶促或發(fā)酵過(guò)程降解食品中的AFB1，生物法的條件苛刻，成本高。化學(xué)法是利用化學(xué)堿等化學(xué)試劑降解AFB1，但這些化學(xué)試劑可能會(huì)造成二次污染，并對(duì)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)生不利影響[2-3]。另一類可用的方法是通過(guò)各種吸附劑吸附毒素，這類方法具有經(jīng)濟(jì)、高效、易于操作以及可大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)，是一類非常有前途的方法[4]。

吸附劑種類對(duì)毒素的去除效率有很大影響。目前廣泛應(yīng)用的吸附劑主要有活性炭、硅酸鹽、高嶺石、膨潤(rùn)土和蒙脫石等[5-7]?；钚蕴渴潜还J(rèn)的去除植物油中AFB1的有效吸附劑，但有研究發(fā)現(xiàn)每添加1.0 kg活性炭，植物油的損失將達(dá)到4.4 kg[8]。小顆粒吸附劑因其大的表面積和低的營(yíng)養(yǎng)損耗而具有很好的利用價(jià)值。石墨烯和氧化石墨烯等納米材料因其體積小、比表面積大、無(wú)毒以及良好的生物相容性而受到關(guān)注[9]。由于具有優(yōu)異的吸附性能，石墨烯和氧化石墨烯作為吸附劑的用量較少[10]，所以廣泛應(yīng)用在環(huán)境污染物去除、水過(guò)濾等領(lǐng)域，如去除水溶液中的金屬離子和染料等[11-13]。更重要的是，與傳統(tǒng)吸附劑相比，石墨烯和氧化石墨烯具有強(qiáng)烈的π-π相互作用，對(duì)芳香族化合物具有良好的選擇性吸附能力，但石墨烯和氧化石墨烯在去除真菌毒素方面的研究較少。Horky等[14]利用氧化石墨烯吸附粉碎小麥中霉菌毒素，并進(jìn)行了體外消化試驗(yàn)，結(jié)果表明，氧化石墨烯適用于吸附黃曲霉毒素、玉米赤霉烯酮和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇。Bai等[15]利用兩親性分子雙十烷基二甲基溴化銨（DDAB）修飾的石墨烯吸附玉米油中的玉米赤霉烯酮，認(rèn)為氧化石墨烯作為吸附劑，用于去除有機(jī)污染物，具有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。Ji等[16]利用磁性石墨烯和磁性氧化石墨烯去除花生油中的AFB1，研究吸附時(shí)間、溫度、吸附劑用量等對(duì)吸附效果的影響，發(fā)現(xiàn)磁性石墨烯具有分離容易、去除效率高的優(yōu)點(diǎn)，在去除污染油中AFB1方面具有巨大應(yīng)用潛力。上述研究主要集中在石墨烯和氧化石墨烯對(duì)真菌毒素的吸附條件上，未對(duì)吸附過(guò)程和吸附機(jī)理做系統(tǒng)研究。

氧化石墨烯是石墨在一定條件下與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)制得的，表面含有大量含氧基團(tuán)，如羰基、羥基、環(huán)氧基等，具有良好的分散性，但由于氧化作用會(huì)引起電子共軛損失，可能會(huì)影響其吸附能力。石墨烯是將氧化石墨烯還原，恢復(fù)石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有良好的吸附性，但分散性略差。石墨烯、氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附過(guò)程、吸附機(jī)理及其吸附性能差異的研究較為少見(jiàn)。石墨作為石墨烯和氧化石墨烯的制備原料，在真菌毒素吸附方面是否具有作用卻一直少有報(bào)道。本研究擬通過(guò)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究石墨、石墨烯、氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附過(guò)程，探索吸附機(jī)理，并用來(lái)脫除食品（花生奶、花生油和食用醋）中的AFB1，以期為碳素納米材料用于脫除食品中的AFB1提供理論、技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究所用試驗(yàn)材料主要為石墨，青島華泰潤(rùn)滑密封科技有限責(zé)任提供公司。

1.2試驗(yàn)儀器

本研究所用試驗(yàn)儀器主要包括：HR30-IIA2型生物安全柜（青島海爾特種電器有限公司產(chǎn)品）、IS.RDD3臺(tái)式恒溫振蕩器（精騏有限公司產(chǎn)品）、iMark酶標(biāo)儀（Bio-Rad公司產(chǎn)品）。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1材料的制備及表征氧化石墨烯通過(guò)改進(jìn)文獻(xiàn)[10]的方法制備，具體過(guò)程為：在三口燒瓶中加入石墨粉和硝酸鈉，兩者的添加量分別為6.00 g和3.00 g，然后將150 ml濃硫酸加入到上述混合體系中，控制系統(tǒng)溫度低于5 ℃，在此狀態(tài)下反應(yīng)2 h后，將24.00 g高錳酸鉀在1 h內(nèi)分6次加入到上述體系中，并通過(guò)冰水浴維持體系溫度不超過(guò)10 ℃，機(jī)械攪拌1 h后，將冰水浴轉(zhuǎn)為溫水浴，并將體系溫度維持在35 ℃左右，機(jī)械攪拌2 h后，將270 ml去離子水緩慢加入到上述系統(tǒng)中進(jìn)行快速攪拌，并控制體系溫度不超過(guò)90 ℃，攪拌15 min后，將雙氧水緩慢地加入到上述反應(yīng)體系中，目的是去除未反應(yīng)的高錳酸鉀，直到反應(yīng)產(chǎn)物變?yōu)榱咙S色即可停止加入，緊接著將反應(yīng)產(chǎn)物用1.45 mol/L的稀鹽酸洗滌數(shù)次，直至加入氯化鋇無(wú)沉淀生成，再用蒸餾水洗滌數(shù)次，直至加入硝酸銀無(wú)沉淀生成，將反應(yīng)產(chǎn)物放入60 ℃的干燥烘箱中干燥，得到未羧化的氧化石墨烯，再通過(guò)超聲法，使0.75 g未羧化的氧化石墨烯均勻分散在300 ml去離子水中，然后在室溫條件下加入50.00 ml溴化氫，機(jī)械攪拌12 h，再將15.00 g乙二酸加入到上述反應(yīng)體系中，繼續(xù)反應(yīng)4 h，最后將上述產(chǎn)物用蒸餾水洗滌數(shù)次，置于50 ℃的干燥箱中干燥。

配制2.0 mg/ml的氧化石墨烯溶液，使用低濃度氨水將氧化石墨烯溶液的pH調(diào)至9，加入水合肼（80%）作為還原劑，超聲分散5 min使溶液分散均勻，在80 ℃水浴中反應(yīng)1 h，離心得到沉淀，用蒸餾水清洗以去除過(guò)量的水合肼。固體物質(zhì)在40 ℃的真空干燥箱中干燥48 h后，充分研磨得到石墨烯。

將樣品均勻分散在水或乙醇中，在銅網(wǎng)上滴入少量極稀的樣品溶液，干燥后用透射電鏡（JEOL公司產(chǎn)品）進(jìn)行形貌觀察。

1.3.2吸附試驗(yàn) 取0.1 mg/ml的吸附材料1.0 ml，分別加入AFB1甲醇溶液至終質(zhì)量濃度為0.5 μg/ml、1.0 μg/ml、2.0 μg/ml、6.0 μg/ml、12.0 μg/ml、14.0 μg/ml、16.0 μg/ml、20.0 μg/ml、30.0 μg/ml，在25 ℃下恒溫振蕩，按照一定時(shí)間間隔取樣離心，測(cè)定上清液中AFB1的質(zhì)量濃度，直至吸附達(dá)到平衡，計(jì)算吸附量，繪制等溫曲線。每個(gè)試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。按照公式1計(jì)算樣品對(duì)AFB1的吸附量（mg/g）。

式中：V是溶液的體積（ml）;m為吸附劑的質(zhì)量（mg）;Q是AFB1的吸附量（mg/g）;C0、Ce分別為吸附前、吸附后AFB1的質(zhì)量濃度（μg/ml）。

采用Langmuir方程（公式2）以及Freundlich方程（公式3）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

式中：Ce是平衡溶液中AFB1的質(zhì)量濃度（μg/ml）;Qe是吸附劑對(duì)AFB1的單位吸附量（mg/g）;Qmax是最大吸附量（mg/g）;KL是Langmuir模型的吸附常數(shù)（L/mg），是與吸附自由能有關(guān)的常數(shù);KF和n-1是Freundlich模型中分別代表吸附容量（L/mg）和吸附強(qiáng)度的常數(shù)。

pH對(duì)吸附的影響：通過(guò)添加適當(dāng)量的0.1 mol/L氫氧化鈉或鹽酸，在pH為3～7的酸堿度范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，用蒸餾水分別配置0.1 mg/ml石墨、石墨烯、氧化石墨烯樣品，吸取1.0 ml樣品分別加AFB1甲醇溶液至質(zhì)量濃度為12.0 μg/ml，在25 ℃條件下吸附2 h，離心，取上清液，測(cè)定上清液中AFB1質(zhì)量濃度。

吸附動(dòng)力學(xué)擬合：用蒸餾水分別配置0.1 mg/ml石墨、石墨烯、氧化石墨烯樣品，吸取1.0 ml樣品分別加AFB1甲醇溶液至質(zhì)量濃度為12.0 μg/ml，在25 ℃、35 ℃、45 ℃條件下分別吸附0.5 h、1.0 h、2.0 h、3.0 h、4.0 h、5.0 h、6.0 h、7.0 h，離心，取上清液，測(cè)定上清液中AFB1質(zhì)量濃度，按公式1計(jì)算樣品在不同時(shí)間內(nèi)對(duì)AFB1的吸附量。采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（公式4）和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（公式5）對(duì)該吸附過(guò)程進(jìn)行擬合。

式中，k1為準(zhǔn)一級(jí)速率常數(shù)（min-1）;Qe和Qt分別為平衡吸附量（mg/g）和t時(shí)刻吸附量（mg/g）;k2為準(zhǔn)二級(jí)速率常數(shù)[g/（mg·min）]。

吸附熱力學(xué)擬合：用蒸餾水分別配置0.1 mg/ml石墨、石墨烯、氧化石墨烯樣品，吸取1.0 ml樣品分別加AFB1甲醇溶液至質(zhì)量濃度為12.0 μg/ml，在25 ℃、35 ℃、45 ℃溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，定時(shí)取樣分析，計(jì)算不同時(shí)間下3種碳素納米材料的AFB1吸附量。根據(jù)溶液中AFB1質(zhì)量濃度的變化，分析3種碳素納米材料對(duì)AFB1吸附的熱力學(xué)參數(shù)。自由能變化（△G）、標(biāo)準(zhǔn)焓變（△H）和標(biāo)準(zhǔn)熵變（△S）等相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，T為溫度（K）;Qe為平衡吸附量（mg/g）;Ce是平衡溶液中AFB1的質(zhì)量濃度（μg/ml）;△G為自由能變化（kJ/mol）;△H為標(biāo)準(zhǔn)焓變（kJ/mol）;△S為標(biāo)準(zhǔn)熵變[J/（mol·K）];R為氣體常數(shù)8.314 J/（mol·K）。

1.3.3石墨烯在食品AFB1脫除中的應(yīng)用將碳素納米材料應(yīng)用于市售的花生奶、花生油、食用醋中。取1 ml花生奶、花生油、食用醋，加入一定量AFB1甲醇溶液，再加入不同量的碳素納米材料，混勻，25 ℃下恒溫振蕩1 h后，12 000 r/min離心5 min，檢測(cè)上清液樣品中AFB1的質(zhì)量濃度（Ce）。同時(shí)，在1 ml花生奶、花生油、食用醋中加入等量的AFB1甲醇溶液，混勻，25 ℃下恒溫振蕩吸附1 h后，12 000 r/min離心5 min，檢測(cè)上清液樣品中AFB1的質(zhì)量濃度（C0），作為空白對(duì)照。材料的吸附量按公式1計(jì)算。

1.3.4AFB1質(zhì)量濃度的測(cè)定取0.5 ml樣品于10.0 ml離心管中，加入60%甲醇2.5 ml，劇烈振蕩10 min，離心，取上清液0.1 ml，加入0.4 ml去離子水，振蕩5 s。取50.0 μl溶液，采用酶聯(lián)免疫分析法（ELISA）測(cè)定AFB1的質(zhì)量濃度。

2結(jié)果與分析

2.1結(jié)構(gòu)表征

利用透射電鏡對(duì)石墨及其制備的石墨烯、氧化石墨烯進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)分析，圖1為放大25 000倍的透射電鏡圖。石墨材料厚度不均，薄處為幾個(gè)片層的堆疊，厚處為10個(gè)以上片層的堆疊，但透射電鏡圖顯示其縱向尺寸是納米級(jí)（圖1A）。石墨烯呈片狀結(jié)構(gòu)，有褶皺，光能透過(guò)片層，這說(shuō)明石墨烯很薄，片層區(qū)域顏色深淺不一，褶皺區(qū)顏色較深，說(shuō)明石墨烯由單片層和多片層構(gòu)成（圖1B）。氧化石墨烯與石墨烯結(jié)構(gòu)相似，有褶皺，顏色深淺不一，說(shuō)明氧化石墨烯是一到多層的片層結(jié)構(gòu)（圖1C）。研究結(jié)果表明，石墨烯和氧化石墨烯均為層狀結(jié)構(gòu)，顯示出2D結(jié)構(gòu)，具有納米級(jí)的單層縱向尺寸和幾微米的橫向尺寸;石墨為3D結(jié)構(gòu)，縱向?yàn)榧{米級(jí)厚度，3種材料均為納米級(jí)材料。

2.2AFB1初始質(zhì)量濃度對(duì)3種碳素納米材料吸附量的影響

圖2顯示，石墨、石墨烯、氧化石墨烯均對(duì)AFB1有很強(qiáng)的吸附作用，并且石墨烯、氧化石墨烯的AFB1吸附量總體隨著AFB1初始質(zhì)量濃度的增加而增加。AFB1初始質(zhì)量濃度為10～30 μg/ml時(shí)，石墨烯和氧化石墨烯的吸附量明顯高于石墨，說(shuō)明對(duì)于高質(zhì)量濃度的AFB1，石墨烯和氧化石墨烯更具有吸附優(yōu)勢(shì)，分析原因可能是石墨為顆粒的多層堆積，厚度大，其相對(duì)的吸附表面積小，而石墨烯和氧化石墨烯為單層或者少數(shù)幾個(gè)片層的折疊，厚度小，可用于吸附的表面積大。比較石墨烯與氧化石墨烯的吸附曲線，發(fā)現(xiàn)隨著初始質(zhì)量濃度的增加，石墨烯的吸附量明顯大于氧化石墨烯，其原因是氧化石墨烯由于氧化引起電子共軛損失，造成了對(duì)AFB1吸附能力的下降。因此，對(duì)于AFB1質(zhì)量濃度高的樣品，石墨烯是更優(yōu)的選擇。

2.3pH對(duì)3種碳素納米材料AFB1吸附量的影響

提取液的酸堿度會(huì)影響吸附效率，是決定提取效率的一個(gè)重要因素，因?yàn)榉治鑫镌诓煌釅A度環(huán)境中可能以不同形式存在。通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的酸堿度，可以實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)吸附質(zhì)更好的吸附作用。添加適當(dāng)量的0.1 mol/L氫氧化鈉或鹽酸，在pH為3～7的酸堿度范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化溶液的酸堿度。圖3顯示，3種碳素納米材料對(duì)黃曲霉毒素B1的吸附量隨著pH的升高而逐漸增大。當(dāng)溶液pH=3時(shí)，3種碳素材料對(duì)AFB1的吸附量表現(xiàn)為：氧化石墨烯（47.00 mg/g）>石墨烯（43.55 mg/g）>石墨（42.55 mg/g）。當(dāng)溶液pH從3上升到7時(shí)，吸附量明顯增加。據(jù)觀察，在pH=7時(shí)，獲得最佳吸附效果，這是因?yàn)辄S曲霉毒素B1是中性化合物，能夠穩(wěn)定存在于中性樣品溶液中。水的pH通常為6～7，因此，本試驗(yàn)可以在自然酸堿度條件下進(jìn)行。

2.43種碳素納米材料對(duì)AFB1吸附的等溫線

為了深入探索3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附機(jī)理，建立等溫吸附模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果（圖4、表1）表明，F(xiàn)reundlich模型的相關(guān)系數(shù)最高，更符合各碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附規(guī)律，同時(shí)Freundlich模型擬合結(jié)果也說(shuō)明碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附主要以多分子層吸附為主。Freundlich模型擬合吸附容量常數(shù)（KF）和吸附強(qiáng)度常數(shù)（n-1）分別反應(yīng)了吸附能力和吸附難易程度[12]。3種碳素納米材料KF值的大小表現(xiàn)為：石墨烯>氧化石墨烯>石墨，表明石墨烯對(duì)AFB1的吸附能力最強(qiáng)，其次是氧化石墨烯，石墨對(duì)AFB1的吸附能力最弱，這與結(jié)果2.2部分得到的結(jié)論一致。3種碳素納米材料的吸附強(qiáng)度常數(shù)n-1值均小于1，說(shuō)明石墨、石墨烯和氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附易于進(jìn)行[17]。綜上所述，3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附過(guò)程以多分子層吸附為主，其中石墨烯的吸附能力最強(qiáng)。

2.53種碳素納米材料對(duì)AFB1吸附的動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

探索各材料對(duì)AFB1的吸附過(guò)程和吸附機(jī)理，研究不同溫度和吸附時(shí)間下碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附，圖5顯示，3種碳素納米材料在25 ℃對(duì)AFB1的吸附量較大，其次是35 ℃，45 ℃條件下的吸附量明顯低于其他2個(gè)溫度，表明溫度明顯影響3種碳素納米材料的吸附能力，溫度升高不利于吸附的進(jìn)行。在25 ℃，石墨、氧化石墨烯對(duì)AFB1最大吸附量分別為40.909 4 mg/g和49.142 4 mg/g;而對(duì)于石墨烯，當(dāng)吸附時(shí)間為0.5～3.0 h時(shí)，石墨烯對(duì)AFB1的吸附量增長(zhǎng)迅速，之后緩慢增長(zhǎng)，說(shuō)明吸附一直處于未飽和的狀態(tài)，7.0 h時(shí)達(dá)到最大吸附量，為53.985 5 mg/g;吸附時(shí)間為5.0～7.0 h時(shí)，石墨烯對(duì)AFB1的吸附量高于石墨和氧化石墨烯，所以石墨烯對(duì)AFB1的吸附能力更好。

采用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合3種碳素納米材料吸附AFB1的數(shù)據(jù)。結(jié)果（表2、圖6）表明，3種碳素納米材料的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)相關(guān)系數(shù)R2為0.973 5～0.997 2，相同溫度條件下準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的R2均高于準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，說(shuō)明準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型更適用于該吸附過(guò)程，并且可以描述吸附的全過(guò)程，吸附過(guò)程伴隨化學(xué)鍵的斷裂和形成，由此可以推斷，3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附主要以化學(xué)吸附為主。

2.63種碳素納米材料對(duì)AFB1吸附的熱力學(xué)擬合結(jié)果

研究碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附熱力學(xué)，從而深入探索吸附反應(yīng)的類型及機(jī)理[16]。圖7顯示，隨著溫度升高，3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附量都呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明高溫條件不利于碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力學(xué)擬合，結(jié)果（圖8、表3）表明，標(biāo)準(zhǔn)焓變△H均小于0，說(shuō)明吸附過(guò)程為放熱過(guò)程[18]，因此升高溫度不利于材料對(duì)AFB1的吸附，這與前面的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果一致;自由能變化△G均小于0，說(shuō)明吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的，隨著溫度升高，△G逐漸變大，意味著自發(fā)程度變小，升溫不利于吸附進(jìn)行[19]。

2.7石墨烯在食品AFB1脫除中的應(yīng)用

綜合考慮，石墨烯的吸附性能優(yōu)于石墨和氧化石墨烯，因此本研究選擇石墨烯脫除食品中的AFB1。由圖5B可以看出，溫度為25 ℃時(shí)，0.1 mg/ml的石墨烯在1 h內(nèi)對(duì)水溶液中AFB1的吸附量為37.0 mg/g，能夠快速、高效地吸附AFB1，實(shí)際應(yīng)用中需要考慮生產(chǎn)效率，故選用吸附時(shí)間為1 h，研究石墨烯添加量對(duì)食品（花生奶、花生油、食用醋）中AFB1的去除效果。

結(jié)果（表4）表明，石墨烯能有效去除花生奶、花生油、食用醋中的AFB1，總體而言，相同條件下花生奶中AFB1的吸附率最高，其次是食用醋，花生油最低。當(dāng)AFB1的質(zhì)量濃度為18.45 μg/ml，石墨烯在食用醋、花生奶、花生油中的添加量為3.00 mg/ml時(shí)，吸附后AFB1的質(zhì)量濃度達(dá)到歐盟限量標(biāo)準(zhǔn)（不超過(guò)2.00 μg/kg）。當(dāng)AFB1的質(zhì)量濃度為28.55 μg/ml，石墨烯的添加量為2.00 mg/ml時(shí)，吸附后AFB1的質(zhì)量濃度均能達(dá)到國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)（食用醋、花生奶中不超過(guò)5.00 μg/kg，花生油中限量20.00 μg/kg）。對(duì)于花生奶、花生油、食用醋，當(dāng)AFB1的質(zhì)量濃度大于等于36.55 μg/ml時(shí)，用3.00 mg/ml的石墨烯吸附1 h，均能使AFB1的質(zhì)量濃度達(dá)到國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)。我們可以根據(jù)食品受AFB1污染程度的不同，酌情添加不同量的吸附劑，這可以實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，利于可持續(xù)發(fā)展。

3討論

本研究以3種碳素納米材料（石墨、石墨烯、氧化石墨烯）為吸附劑，探索它們對(duì)AFB1的吸附能力和吸附機(jī)理。結(jié)果表明，3種碳素納米材料對(duì)AFB1均具有較強(qiáng)的吸附能力。石墨價(jià)格低廉，制備簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)，但石墨易發(fā)生團(tuán)聚，因此可以考慮將石墨制作成凈化柱，應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品AFB1檢測(cè)的預(yù)處理中，其低廉的價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在本研究中，石墨烯和氧化石墨烯對(duì)水溶液中AFB1的最大吸附量分別為53.985 5 mg/g和49.142 4 mg/g。以往的研究中，對(duì)水溶液中AFB1的吸附，殼聚糖修飾的磁性石墨烯最大吸附量為31.100 0 mg/g[3]，酸處理的榴蓮皮和葡萄莖最大吸附量分別為4.800 0 mg/g和12.700 0 mg/g[20-21]，橘皮提取物改性雜化膨潤(rùn)土的最大吸附量為166.000 0 mg/g[6]，辛基酚聚氧乙烯醚改性蒙脫土的最大吸附量為2.780 0 mg/g[22]，石墨烯和氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附能力較高，是有前途的吸附劑。石墨烯對(duì)粉碎小麥中AFB1的吸附量為0.045 0 mg/g[14];磁性石墨烯對(duì)花生油中AFB1的吸附量為1.680 0 ng/g[16];以稻殼灰為原料制備的磁性介孔二氧化硅對(duì)植物油中AFB1的吸附量為1.120 0 mg/g[23];0.3%用量的磁性凹凸棒可以脫除花生油中90%的AFB1（33.830 0 ng/g），其吸附量為0.011 0 mg/g[24]。

添加1～3 mg/ml的石墨烯，用于吸附花生奶、花生油和食用醋中不同質(zhì)量濃度的AFB1，本研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯對(duì)AFB1有很強(qiáng)的吸附能力，但其1 h的吸附量遠(yuǎn)低于預(yù)期，分析原因可能是復(fù)雜機(jī)制會(huì)影響石墨烯對(duì)AFB1的吸附，例如食品中的蛋白質(zhì)、脂肪和糖等物質(zhì)附著在石墨烯表面，影響了石墨烯對(duì)AFB1的吸附，降低吸附量。在今后的研究中，重點(diǎn)在于如何提高石墨烯對(duì)AFB1的結(jié)合特異性，減少其他物質(zhì)對(duì)其吸附性能的影響，同時(shí)在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)石墨烯在食品中特別是植物油中不易分離，因此，今后的研究應(yīng)對(duì)石墨烯等碳素納米材料進(jìn)行改性，如制備磁性石墨烯，提高其在食品中的分離效率。

石墨、石墨烯、氧化石墨烯的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析結(jié)果表明，3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附機(jī)理相同，吸附過(guò)程均為多層分子化學(xué)吸附和自發(fā)放熱過(guò)程，溫度升高不利于對(duì)AFB1的吸附。3種碳素納米材料對(duì)AFB1的吸附過(guò)程主要以化學(xué)吸附為主，其機(jī)理可能是碳素納米材料含有的大量可以自由移動(dòng)的π電子與AFB1苯環(huán)形成強(qiáng)烈的π-π電子堆疊作用。Ji等[16]認(rèn)為磁性石墨烯對(duì)污染花生油中AFB1的吸附過(guò)程也屬于化學(xué)吸附，其吸附機(jī)理為通過(guò)吸附劑與AFB1親水位點(diǎn)之間的電子分配或交換，涉及化合價(jià)力。二元非離子/兩性離子表面活性劑混合物改性的有機(jī)蒙脫土吸附AFB1主要通過(guò)疏水作用和離子偶極作用與AFB1結(jié)合[25]。熱力學(xué)研究結(jié)果表明，石墨、石墨烯、氧化石墨烯對(duì)AFB1的吸附是自發(fā)放熱的過(guò)程，在25～45 ℃條件下，溫度升高不利于吸附的進(jìn)行，因此碳素納米材料在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需通過(guò)提高溫度來(lái)增加吸附量，不用增加能耗，這一吸附特征有利于碳素納米材料在AFB1吸附中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]BEDIAKO K A， OFORI K， OFFEI S K， et al. Aflatoxin contamination of groundnut （ Arachis hypogaea L.）： predisposing factors and management interventions[J]. Food Control，2019，98：61-67.

[2]JI C， FAN Y， ZHAO L H. Review on biological degradation of mycotoxins[J]. Animal Nutrition，2016，2：127-133.

[3]PIROUZ A A， KARJIBAN R A， BAKAR F A， et al. A novel adsorbent magnetic graphene oxide modified with chitosan for the simultaneous reduction of mycotoxins[J]. Toxins，2018，10： 361.

[4]LUO Y， LIU X J， YUAN L， et al. Complicated interactions between bio-adsorbents and mycotoxins during mycotoxin adsorption： Current research and future prospects[J]. Trends in Food Science & Technology，2020，96：127-134.

[5]SUN Z W， HUANG D， DUAN X H， et al. Functionalized nanoflower-like hydroxyl magnesium silicate for effective adsorption of aflatoxin B1[J]. Journal of Hazardous Materials，2020，387：121792.

[6]RASHEED U， AIN Q U， YASEEN M， et al. Modification of bentonite with orange peels extract and its application as mycotoxins′ binder in buffered solutions and simulated gastrointestinal fluids[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 267：122105.

[7]ZHANG W， ZHANG L Y， JIANG X， et al. Enhanced adsorption removal of aflatoxin B1， zearalenone and deoxynivalenol from dairy cow rumen fluid by modified nano-montmorillonite and evaluation of its mechanism[J]. Animal Feed Science and Technology，2020，259：114366.

[8]葉盛群，諶剛，韓秀山. 食用油吸附脫色劑對(duì)植物油中黃曲霉毒素含量的影響[J]. 精細(xì)與專用化學(xué)品，2013，21（7）：20-22.

[9]SUN X M， LIU Z， WELSHER K， et al. Nano-graphene oxide for cellular imaging and drug delivery[J]. Nano Research， 2008， 1：203-212.

[10]HUMMERS W S， OFFEMAN R E. Preparation of graphitic oxide[J]. Journal of the American Chemical Society， 1958， 80（6）： 1339.

[11]ZHANG P P， LI J， LYU L X， et al. Vertically aligned graphene sheets membrane for highly efficient solar thermal generation of clean water[J]. ACS Nano，2017，11（5）：5087-5093.

[12]鄭慧玲. 功能化氧化石墨烯復(fù)合材料的制備及其對(duì)污染物吸附研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2020.

[13]LYU M Q， YAN L W， LIU C， et al. Non-covalent functionalized graphene oxide （GO） adsorbent with an organic gelator for co-adsorption of dye， endocrine-disruptor， pharmaceutical and medallion[J]. Chemical Engineering Journal， 2018， 349：791-799.

[14]HORKY P， VENUSOVA E， AULICHOVA T， et al. Usability of graphene oxide as a mycotoxin binder： in vitro study[J]. PLoS One， 2020， 15（9）：e0239479.

[15]BAI X J， SUN C， XU J， et al. Detoxification of zearalenone from corn oil by adsorption of functionalized GO systems[J]. Applied Surface Science， 2018， 430：198-207.

[16]JI J M， XIE W L. Detoxification of aflatoxin B1 by magnetic graphene composite adsorbents from contaminated oils[J]. Journal of Hazardous Materials， 2020，381：120915.

[17]KANG S C， ZHAO Y L， WANG W， et al. Removal of methylene blue from water with montmorillonite nanosheets/chitosan hydrogels as adsorbent[J]. Applied Surface Science，2018，448：203-211.

[18]近藤精一，石川達(dá)雄， 安部郁夫. 吸附科學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：55-57.

[19]陳國(guó)華.應(yīng)用物理化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：37-40.

[20]ADUNPHATCHARAPHON S ， PETCHKONGKAEW A ， GRECO D ， et al. The effectiveness of durian peel as a multi-mycotoxin adsorbent[J]. Toxins， 2020， 12（2）：108.

[21]FERNANDES J M， CALADO T， GUIMARAES A， et al. In vitro adsorption of aflatoxin B1， ochratoxin A， and zearalenone by micronized grape stems and olive pomace in buffer solutions[J]. Mycotoxin Research，2019，35：243-252.

[22]WANG G， MIAO Y， SUN Z， et al. Simultaneous adsorption of aflatoxin B1 and zearalenone by mono- and di-alkyl cationic surfactants modified montmorillonites[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2018，511：67-76.

[23]LI Y A， WANG R， CHEN Z X， et al. Preparation of magnetic mesoporous silica from rice husk for aflatoxin B1 removal： optimum process and adsorption mechanism[J]. PLoS One，2020，15（9）： e0238837.

[24]JI J， XIE W L. Removal of aflatoxin B1 from contaminated peanut oils using magnetic attapulgite[J]. Food Chemistry， 2021， 339：128072.

[25]SUN Z M， LIAN C， LI C Q， et al. Investigations on organo-montmorillonites modified by binary nonionic/zwitterionic surfactant mixtures for simultaneous adsorption of aflatoxin B1 and zearalenone [J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2020， 565：11-22.

（責(zé)任編輯：王妮）

收稿日期：2021-08-25

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳青年項(xiàng)目（理）（LJ2017QL030）;青島市民生計(jì)劃基金項(xiàng)目（19-6-1-61-nsh）;山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程基金項(xiàng)目（CXGC2021C07）;山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2020MC103）

作者簡(jiǎn)介：黃靜（1978-），女，遼寧沈陽(yáng)人，博士，副教授，主要從事生物化學(xué)及復(fù)合材料研究。（E-mail）15918893@qq.com