中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇靜態(tài)吸附性能的研究

任娜,孫慧,王聰慧,趙卓,魏微

(北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院 食品科學(xué)與工程系,北京 100023)

白藜蘆醇(又名芪三酚),是一種含有芪類結(jié)構(gòu)的非黃酮類多酚化合物[1],主要存在于葡萄、虎杖[2]、花生、朝鮮槐[3]等植物中,具有抗癌、抗菌、抗氧化、降血脂和抗誘變等作用[4]。

白藜蘆醇的純化方法有柱層析法[5]、分子印跡法[6]、高速逆流色譜分離[7]、膜分離法[8]、吸附法[9]、高效液相色譜法[10]、有機(jī)溶劑萃取法[11]等。其中吸附法主要采用大孔樹脂作為吸附劑,而炭材料具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和孔容。本研究選用中孔炭對葡萄葉中的白藜蘆醇進(jìn)行吸附,通過靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究其吸附機(jī)理,以期為吸附法純化白藜蘆醇提供新的吸附劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

葡萄葉(河北懷來葡萄園)；大孔樹脂X-5、大孔樹脂AB-8均為凈品級；白藜蘆醇標(biāo)品,色譜純。

3K15高速冷凍離心機(jī)；JM6102電子天平；LGJ-10C冷凍干燥機(jī)；UV-1600紫外可見分光光度計；HJ-6A多頭磁力加熱攪拌器；FW-100高速萬能粉碎機(jī)。

1.2 葡萄葉中白藜蘆醇的提取

1.2.1 葡萄葉的預(yù)處理 選取鮮亮、無表面損傷的葡萄葉,用自來水清洗干凈,自然晾干。用FW-100高速萬能粉碎機(jī)粉碎后,過50目篩網(wǎng),得到葡萄葉粉末,-22 ℃條件下真空密封保存。

1.2.2 白藜蘆醇的提取 取一定質(zhì)量的葡萄葉,按不同的料液比(g/mL),以不同配比的溶劑與水的混合液作為提取溶劑,在一定提取溫度下提取一定的時間,利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除提取液中的提取溶劑,得到含有白藜蘆醇的粗提物。

1.2.3 白藜蘆醇的分析測試 反式白藜蘆醇在306 nm處有最大吸收波長,使用紫外分光光度法測定白藜蘆醇具有選擇性好,靈敏度高,操作方便等特點(diǎn)。檢測波長306 nm處的吸光度,并結(jié)合白藜蘆醇的標(biāo)準(zhǔn)曲線確定白藜蘆醇含量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 吸附等溫線的測定 準(zhǔn)確量取一定體積、一定濃度的白藜蘆醇粗提液,置于250 mL帶塞錐形瓶中。加入一定量的中孔炭,在不同溫度(25,35,45 ℃)吸附,吸附達(dá)到平衡后,取上清液,過膜,用紫外分光光度計在306 nm測定其吸光度。

根據(jù)以下公式計算吸附量。

qe=(C0-Ce)V/m

(1)

式中qe——吸附量,mg/g；

V——溶液的體積,mL；

C0——溶液的初始濃度,mg/mL；

Ce——溶液的平衡濃度,mg/mL；

m——吸附劑的質(zhì)量,g。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷滿足的吸附模型,最常用的模型是Langmuir和Freundlich吸附模型。

①Langmuir等溫吸附模型[12]：

Ce/qe=1/KLqm+Ce/qm

(2)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡濃度,mg/L；

qm——最大吸附量,mg/g；

KL——吸附常數(shù),L/mg。

②Freundlich等溫吸附模型[13]：

lgqe=1/nlgCe+lgKF

(3)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡濃度,mg/L；

KF——Freundlich吸附常數(shù),L/g；

1/n——Freundlich指數(shù)。

1.3.2 吸附動力學(xué)特性的測定 吸附動力學(xué)研究整個吸附過程中吸附量與時間的關(guān)系,常用的模型有一級動力學(xué)模型和二級動力學(xué)模型[14]。配制一定濃度的白藜蘆醇溶液,加入一定量的中孔炭。在不同的時間點(diǎn)取樣,測定其白藜蘆醇濃度。利用的動力學(xué)模型公式如下：

①一級動力學(xué)模型公式：

ln(qe-qt)=lnqe-tk1

(4)

式中qt——某時刻的吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k1——準(zhǔn)一級動力學(xué)模型速率常數(shù),min-1。

②二級動力學(xué)模型公式：

(5)

式中qt——某時刻吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k2——二級動力學(xué)模型速率常數(shù),g/(mg·min)。

1.3.3 吸附過程控制步驟的探討 為了考察吸附過程中所涉及的控制機(jī)制,我們用Weber Morris模型對吸附過程進(jìn)行了分析。模型公式如下所示[15]。

qt=kdt1/2+C

(6)

式中qt——某時刻吸附量,mg/g；

kd——擴(kuò)散速率常數(shù)；

C——反映邊界層厚度的常數(shù)。

1.3.4 中孔炭吸附白藜蘆醇的熱力學(xué)探討 通過吸附熱力學(xué)參數(shù),進(jìn)一步討論中孔炭對白藜蘆醇的吸附機(jī)理。

焓變(ΔH)根據(jù)下列等式計算：

logCe=-logK0+ΔH/2.303RT

(7)

式中Ce——平衡時的白藜蘆醇濃度,g/L；

K0——常數(shù)；

T——絕對溫度,K；

R——理想氣體常數(shù)(8.314 J/mol·K)。

通過logCe對1/T作圖得到ΔH(結(jié)果見圖6)。

吸附自由能(ΔG)使用以下等式計算：

ΔG=-nRT

(8)

其中,n代表Freundlich指數(shù),因?yàn)槲綌?shù)據(jù)符合Freundlich模型。

吸附熵變(ΔS)可通過以下公式得到:

ΔG=ΔH-TΔS

(9)

其中,ΔH是焓變,ΔS是熵變,ΔG是吉布斯自由能變化,T是溫度(K)。

2 結(jié)果與討論

2.1 中孔炭的靜態(tài)吸附等溫線

以平衡吸附量對白藜蘆醇平衡濃度作吸附等溫線,結(jié)果見圖1。

由圖1可知,在25,35,45 ℃下,中孔炭對白藜蘆醇的吸附量隨著濃度的增加而增加,且溫度25～45 ℃范圍內(nèi),中孔炭對白藜蘆醇的平衡吸附量隨著溫度的升高而逐漸升高,說明升高溫度更有利于中孔炭對白藜蘆醇的吸附。

圖1 不同溫度下中孔炭對葡萄葉中 白藜蘆醇的吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves at different temperatures

之后我們分別對不同溫度下的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Freundlich、Langmuir方程的擬合,結(jié)果分別見圖2和圖3,相應(yīng)的參數(shù)見表1。

圖2 25,35,45 ℃時的Langmuir吸附等溫線圖Fig.2 Adsorption isotherm of Langmuir at 25,35,45 ℃

圖3 25,35,45 ℃時的Freundlich吸附等溫線圖Fig.3 Adsorption isotherm of Freundlich at 25,35,45 ℃

T/℃LangmuirFreundlichqmaxKLR2KFnR225126.4221.028×10-20.97512.9502.9270.99335144.9281.057×10-20.97614.0232.8350.98945153.8461.477×10-20.98722.7593.4250.987

由圖2、圖3和表1可知,在3種溫度條件下,以Ce/qe對Ce作圖,lnqe對lnCe作圖,得到的圖形具有良好的線性相關(guān)性(R2>0.9),說明中孔炭的吸附等溫線與Langmuir和Freundlich方程的吻合性均較好,因此Langmuir和Freundlich方程均可以較好地表述中孔炭對白藜蘆醇的吸附。

通過考察表1吸附模型的參數(shù),可以得出,在25～45 ℃范圍內(nèi),對于Langmuir模型,最大吸附量隨著溫度的升高而升高；當(dāng)溫度為45 ℃時,最大吸附量為153.846 mg/g,說明較高的溫度有利于中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程；對于Freundlich模型,溫度為45 ℃時,n值最大,為3.425,說明較高的溫度有利于吸附過程。

李燕等[16]采用4種大孔樹脂對虎杖中白藜蘆醇進(jìn)行靜態(tài)吸附,在25 ℃下繪制了吸附等溫線,其中吸附效果最好的HPD722樹脂的最大平衡吸附量為30 mg/g；黃衛(wèi)文等[17]選用DA-201樹脂對花生根中白藜蘆醇進(jìn)行靜態(tài)吸附,在308 K(K=273.15 k+℃)下達(dá)到最大平衡吸附量12.658 mg/g。將本研究的平衡吸附量和以上文獻(xiàn)進(jìn)行對比,結(jié)果表明,本研究選用的中孔炭平衡吸附量明顯高于文獻(xiàn)中選用的吸附劑。

2.2 中孔炭的吸附動力學(xué)特性

分別在溫度25,35,45 ℃條件下,用中孔炭對葡萄葉提取液中的白藜蘆醇進(jìn)行吸附,得到各個時刻下的吸附量(mg/g)。由圖4可知,中孔炭對白藜蘆醇的吸附為快速平衡型,在60 min基本已經(jīng)達(dá)到平衡。即起始階段吸附速率較快,40 min后吸附量增加變緩慢,而在60 min后吸附量隨時間變化不大。

圖4 中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇吸附動力學(xué)曲線Fig.4 Adsorption kinetics of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves

分別對25,35,45 ℃條件下的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行一級動力學(xué)方程和二級動力學(xué)方程的擬合,結(jié)果見圖5和圖6,相應(yīng)的動力學(xué)模型的參數(shù)見表2。

圖5 25,35,45 ℃下的一級動力學(xué)擬合曲線Fig.5 First-order kinetic fit curves at 25,35,45 ℃

圖6 25,35,45 ℃下的二級動力學(xué)擬合曲線Fig.6 Second-order kinetics fitting curves at 25,35,45 ℃

溫度/℃一級動力學(xué)模型二級動力學(xué)模型k1/h-1qe/(mg·g-1)R2k2/(g·g-1·min-1)qe/(mg·g-1)R2250.042105.5770.9825.842×10-4129.8700.993350.03885.7990.9718.246×10-4129.8700.998450.03467.5600.8941.217×10-3136.9860.999 8

綜合圖5、圖6可看出,在3個溫度條件下,中孔炭對白藜蘆醇的吸附均符合二級動力學(xué)模型,且表2中3個溫度下二級動力學(xué)模型的R2均>0.99。因此可以得出,中孔炭對葡萄葉中的白藜蘆醇符合二級動力學(xué)模型。

2.3 吸附過程控制機(jī)理探討

采用Weber Morris模型考察25,35,45 ℃條件下靜態(tài)吸附的控制機(jī)理,結(jié)果見圖5。

圖7 25,35,45 ℃時中孔炭對白藜蘆醇 靜態(tài)吸附Weber Morris模型擬合Fig.7 Static adsorption of resveratrol by mesoporous carbon at 25,35,45 ℃ by Weber Morris model

根據(jù)Weber Morris模型,如果qt與t1/2的曲線是線性的,并且通過原點(diǎn),粒子內(nèi)擴(kuò)散是影響吸附速率的控制步驟；如果qt與t1/2的曲線的直線部分不通過原點(diǎn),那么外擴(kuò)散和粒子內(nèi)擴(kuò)散共同控制整個吸附過程。由圖7可知,3個溫度下qt與t1/2的曲線均不成直線關(guān)系,說明在25,35,45 ℃時,均是外擴(kuò)散和粒子內(nèi)擴(kuò)散共同控制整個吸附過程。

2.4 中孔炭吸附的熱力學(xué)探討

根據(jù)焓變的計算公式,通過logCe對1/T作圖得出ΔH,見圖8。3種熱力學(xué)參數(shù)ΔH、ΔG、ΔS的具體數(shù)據(jù)見表3。

圖8 log Ce對1/T的關(guān)系Fig.8 log Ce vs 1/T

ΔH/(kJ·mol-1)ΔG/(kJ·mol-1)298 K308 K318 KΔS/[(J·(mol·K)-1]30.497-13.718-15.223-16.685148.397

由表3可知,ΔH值<40 kJ/mol且為正值,表示中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程為吸熱和物理吸附過程；ΔG在298,308,318 K下均為負(fù)值,表明該吸附反應(yīng)是自發(fā)過程；ΔS為正,表明固-液界面處混亂度的增加。

3 結(jié)論

通過研究中孔炭對葡萄葉中白藜蘆醇的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Langmuir和Freundlich方程均可以較好地表述中孔炭對白藜蘆醇的吸附。吸附動力學(xué)研究表明,中孔炭對白藜蘆醇的吸附較符合二級動力學(xué)模型(R2>0.99)。結(jié)合Weber Morris模型,外擴(kuò)散和粒子內(nèi)擴(kuò)散共同控制中孔炭對白藜蘆醇的吸附過程。中孔炭對白藜蘆醇的熱力學(xué)研究表明,吸附過程是自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)。