β-環(huán)糊精修飾殼聚糖對刺梨果汁單寧和色素的吸附動力學研究

李小紅 羅迎春 周良春

（1 貴州民族大學 貴陽550025 2 成都產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院有限責任公司 成都610064）

刺梨因富含超氧化物歧化酶等多種營養(yǎng)元素，故在抗衰老、抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化、增加機體免疫力等方面有很大的功效，具有很高的醫(yī)學價值，在食藥開發(fā)及活性提取方向具有廣闊前景[1-2]。其因含有大量的單寧等多酚物質(zhì)[3-4]，在加工貯藏過程中極易發(fā)生褐變，加工產(chǎn)品果汁等具有較強的苦澀味[3-4]，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和口感。單寧等多酚類物質(zhì)易被空氣、多酚氧化酶氧化成醌類化合物，導致果汁顏色加深，影響外觀[3-4]。在生產(chǎn)刺梨果汁等加工產(chǎn)品時，去除單寧和色素類物質(zhì)對果汁等產(chǎn)品品質(zhì)和貯藏穩(wěn)定性具有重要意義。在現(xiàn)有研究報道中，關(guān)于刺梨果汁的報道主要使用活性炭、大孔樹脂、活性碳纖維脫除單寧和色素類物質(zhì)[5-8]。關(guān)于改性殼聚糖對刺梨果汁等產(chǎn)品中單寧和色素類物質(zhì)的脫除研究鮮見報道。本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精-6-殼聚糖對刺梨果汁中單寧和色素類物質(zhì)具有很好的脫除效果[9]。分別研究了吸附劑用量、吸附時間和溫度對單寧和色素類物質(zhì)脫除的影響，然而，關(guān)于β-環(huán)糊精修飾的殼聚糖對脫除單寧和色素的吸附動力學研究不足。本文主要研究殼聚糖改性的β-環(huán)糊精吸附刺梨果汁中色素類物質(zhì)和單寧的吸附動力學，以期為刺梨果汁的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺梨原汁（8.6 °Brix），2015年4月21日購于貴州金刺梨科技開發(fā)有限公司。單寧酸、沒食子酸、蘋果酸、葡萄糖標品，美國Sigma 公司；殼聚糖（CS）（85%脫乙酰度，平均相對分子質(zhì)量100 000～300 000），β-環(huán)糊精（β-CD）（化學純），Tokyo Kasei Kogyo（日本），在使用前重結(jié)晶、干燥備用。其它試劑均為國產(chǎn)分析純級。

1.2 儀器與設備

PB-10 型pH 計，賽多利斯科學儀器有限公司；UV-5300 型紫外-可見分光光度計，上海元析儀器有限責任公司；pHs-3C 數(shù)字酸度計，上海虹益儀器廠；670 型傅里葉紅外光譜儀，美國安捷倫公司；JSM-7500F 型掃描電鏡，日本捷歐路公司；TD 3500 型X-射線衍射儀，丹東通達科技有限公司；Rise-1030 型比表面分析儀，丹東通達科技有限公司；DF-101S 型恒溫磁力攪拌器，河南省鞏義予華儀器有限公司；RE-85A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.3 方法

1.3.1 β-環(huán)糊精-6-殼聚糖制備方法 β-環(huán)糊精-6-殼聚糖（β-CS-CD）參照文獻[9]和[10]的方法合成及表征。

干燥的β-CD 在氮氣的保護下加到溶有對甲苯磺酰氯的干燥吡啶溶液中反應制備單取代-6-β-環(huán)糊精對甲苯磺酸酯，然后與溶脹好的殼聚糖制備β-環(huán)糊精-6-殼聚糖。

1.3.2 指標測定 單寧含量的測定采用Folin-Ciocaleu 法[9-11]。將5 mL 刺梨汁置于50 mL 燒杯中，加入20 mL 80%甲醇，充分攪拌后靜置10 min，然后5 000 r/min 離心15 min，將上層濾液轉(zhuǎn)入50 mL 容量瓶中。測定時取1.0 mL 樣品，加入7.5 mL 蒸餾水，0.5 mL 酚類試劑，3 min 后加入1.0 mL 飽和Na2CO3，攪拌均勻后室溫靜置30 min，于波長725 nm 處測吸光度[9]。單寧含量以單寧酸物質(zhì)的量表示。

色素用在波長420 nm 處測定果汁的吸光度來表示[12]。

1.3.3 試驗方法

在30 ℃下，向含有20 mL 刺梨果汁的圓底燒瓶中分別加入0.05 g 吸附劑：β-環(huán)糊精、殼聚糖及β-環(huán)糊精-6-殼聚糖[9]，攪拌3 h，離心取其上清液，分別測定果汁中單寧和色素含量。用下列方程（1）計算吸附劑對刺梨果汁中單寧和色素的吸附量[13]：

式中qe——平衡時的吸附量（mg/g）；C0——刺梨果汁中單寧和色素的初始質(zhì)量濃度 （mg/L）；Ce——平衡質(zhì)量濃度（mg/L）；V——反應液的總體積（L），本文中為0.020 L；m——干燥后的吸附劑質(zhì)量（g），本文中為0.05 g。

本文中每組試驗數(shù)據(jù)均在相同條件下平行試驗3 次，其標準偏差都小于5%。數(shù)據(jù)分析采用Origin 8.0 軟件完成。

2 結(jié)果和討論

2.1 吸附劑β-CS-CD 的表征

本文通過紅外光譜儀分析吸附劑β-CS-CD的結(jié)構(gòu)，β-CD 和CS，其光譜見圖1所示。與CS 相比，β-CS-CD 在1 598 cm-1處（N-H 的伸縮振動）明顯減弱，說明-NH2上的H 原子部分被取代[9]。β-CS-CD 在1 029 cm-1處 （C-O 的伸縮振動）加強[9]。β-CD 上的α-吡喃基在942 cm-1處的特征吸收峰出現(xiàn)在β-CS-CD 上，說明β-CD 已嫁接到CS上的氨基上[9，14]。

圖1 β-CD（a）、CS（b）和β-CS-CD（c）的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of β-CD （a），CS （b） and β-CS-CD （c）

吸附劑的固體表面形貌用JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡分析。CS 和β-CS-CD 在不同的放大倍數(shù)下的表面SEM 圖像如圖2所示。CS 和β-CS-CD 顆粒大小差不多，CS 的表面很平滑。β-CD的引入改變了CS 的表面形貌，褶皺變得更加粗糙。用Rise-1030 型比表面分析儀分別測出CS 和CS-CD 的比表面積、孔體積和平均孔直徑等參數(shù)，列于表1。從表1可知，β-CS-CD 的BET 表面積和孔體積均沒有明顯增大，然而β-CS-CD 的平均孔直徑由15.95×10-10m 增大到34.15×10-10m，增大近2 倍[9]。

圖2 CS（a，b）及β-CS-CD（c，d） SEM 形貌圖片F(xiàn)ig.2 Surface SEM images of CS （a，b） and β-CS-CD （c，d） at different magnifications

表1 吸附劑的表面積和孔徑參數(shù)Table 1 Surface area and pore size parameters of the adsorbents

2.2 吸附等溫線

平衡吸附過程通常用等溫方程中的一些與吸附劑表面性質(zhì)和吸附強度有關(guān)的參數(shù)來描述。本文中用Langmuir 和Freundlich 吸附模型來描述刺梨果汁中單寧和色素在CS、β-CD 和β-CS-CD 3 種吸附劑上的吸附過程。分別加入不同量的CS、β-CD 和β-CS-CD 吸附劑，30 ℃下攪拌反應2 h后取出1 mL，離心取其上層液測定脫色后刺梨汁的色素和單寧含量。由式（1）計算平衡吸附量qe和平衡濃度Ce，其吸附等溫線如圖3所示。

2.2.1 Langmuir 等溫線 由圖3可知，qe隨Ce的增大而增大。對吸附等溫線進行Langmuir 和Freundlich 方程擬合。Langmuir 吸附等溫線方程[15-16]見公式（2）：

方程（2）可以變成另一種直線形式，如方程（3）：

式中，KL——Langmuir 吸附公式中表示吸附能力強弱的吸附系數(shù)；qm——最大吸附量（mg/g）。

圖3 β-CS-CD（a）、β-CD（b）和CS（c）的吸附性能等溫線Fig.3 Adsorption isotherm of β-CS-CD（a）、β-CD（b） and CS（c）

由方程（3）可知，Ce/qe對Ce作圖，得到直線如圖4所示。利用該直線的斜率和截距分別求出qm和KL值，見表2。直線的相關(guān)系數(shù)R2≧0.98，試驗點與Langmuir 方程理論曲線吻合性好，這表明β-CS-CD（a）、β-CD（b）和CS（c）的吸附試驗數(shù)據(jù)能用Langmuir 方程來描述。

2.2.2 Freundlich 等溫線 另一個吸附模型為Freundlich 吸附模型，主要描述多分子層，表面非均勻分布體系的吸附過程。Freundlich 吸附方程：

方程（4）也可以變成另一種直線形式，如方程（5）：

式中，KF——與吸附容量有關(guān)的Freundlich常數(shù)；n——與吸附強度有關(guān)Freundlich 常數(shù)。

同理，lnqe對lnCe作圖也得到一條直線，如圖5所示。利用該直線的斜率和截距分別求出n 和KF值，見表2。從表2可知，在本試驗條件下1/n從0 到1，結(jié)果表明色素和單寧在β-CS-CD（a）、β-CD（b）和CS（c） 3 個吸附劑上的吸附過程是一個有利的吸附過程[17]。直線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，試驗點與Freundlich 方程理論曲線吻合性好，標準偏差足夠小，說明β-CS-CD（a）、β-CD（b）和CS（c）的吸附試驗數(shù)據(jù)與Freundlich 吸附模型也很吻合。

圖4 Ce/qe 對Ce 作圖Fig.4 Plots of Ce/qe versus Ce

2.2.3 吸附效率 從表2可看出，化學修飾的殼聚糖β-CS-CD 比純粹的殼聚糖CS 和單純的β-CD 表現(xiàn)出較好的吸附效率，表明β-CD 官能團的引入能增大對單寧和色素的吸附效率。

2.2.4 吸附動力學 為了弄清色素和單寧的吸附機理，研究了CS、β-CD 和β-CS-CD 對單寧和色素的吸附動力學。色素和單寧在吸附劑CS、β-CD和β-CS-CD 上的吸附量隨時間的變化曲線見圖6。色素和單寧在殼聚糖基底吸附劑上吸附很快，在2.5 h 內(nèi)所有吸附基本達到平衡。本文中，為了確保能夠完全達到吸附平衡，選擇的吸附時間為4 h。

反應級數(shù)是動力學中一個重要的參數(shù)，通常用假一級和假二級動力學模型來描述吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附過程。

假一級動力學模型的直線形式可用下列方程式表示：

式中：qt——色素和單寧在時間t 時的吸附量（mg/g）；qe 表示色素和單寧平衡時的吸附量（mg/g）；k1——假一級吸附動力學常數(shù)（1/min）。同理，ln（qe-qt）對時間t 作圖也得到一條直線，見圖7。利用該直線的斜率和截距分別求出k1和qe，見表3。

假二級動力學模型的直線形式可用下列方程式[19]表示：

圖5 lnqe 對lnCe 作圖Fig.5 Plots of ln qe versus ln Ce

表2 β-CS-CD、β-CD 和CS 對刺梨果汁吸附的等溫吸附參數(shù)Table 2 Isothermal adsorption parameters of β-CS-CD，β-CD and CS for Rosa roxburghii Tratt juice

式中：qt——色素和單寧在時間t 時的吸附量（mg/g）；qe——色素和單寧平衡時的吸附量（mg/g）；k2——假一級吸附動力學常數(shù)[g/（mg·min）]。同理，t/qt對t 作圖也得到一條直線，見圖8。利用該直線的斜率和截距分別求出qe和k2，見表3。

從表3可看出，通過方程（7）計算出的平衡吸附量qe（J）與實測的平衡吸附量qe（J）差別很大。由此得出，色素和單寧的吸附過程不符合假二級動力學模型。通過方程（6）計算的平衡吸附量qe（J）與實測的平衡吸附量qe（J）的值很接近，相關(guān)系數(shù)R2＞0.980，色素和單寧的吸附過程符合假一級動力學模型。另外，從假一級動力學常數(shù)k1可知，色素和單寧在β-CS-CD 上吸附速率常數(shù)大于在CS和β-CD 上的吸附速率常數(shù)，特別是對于色素吸附表現(xiàn)得尤為明顯。由此可見，β-CD 的引入不僅增大了對色素和單寧的吸附容量和強度，而且加快了對其的吸附速率。

圖6 色素和單寧在吸附劑CS、β-CD 和β-CS-CD上的吸附能力Fig.6 Plots of adsorption capacities of pigment and tannin onto CS，β-CD and β-CS-CD

圖7 ln（qe-qt）對時間t 作圖Fig.7 Plots of ln（qe-qt） versus time t

圖8 t/qt 對時間t 作圖Fig.8 Plots of t/qt versus time t

表3 色素和單寧在吸附劑CS、β-CD 和β-CS-CD 上的吸附動力學參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of pigment and tannin adsorption on CS，β-CD and β-CS-CD

3 結(jié)論

研究了修飾的β-CS-CD、未修飾的β-CD 和CS 對刺梨果汁色素類物質(zhì)和單寧吸附的等溫線和吸附動力學。它們均符合吸附等溫線、Langmuir 和Freundlich 方程，直線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98。β-CS-CD 的色素和單寧的Langmuir 擬合參數(shù)分別為qm=32.61 mg/g，103×KL=52.85 L/mg，qm=22.37 mg/g，103×KL=29.90 L/mg；β-CS-CD 的色素和單寧的Freundlich 擬合參數(shù)分別為n=2.00，KF=3.611；n=1.18，KF=1.53?；瘜W修飾的殼聚糖β-CSCD 比純粹的殼聚糖CS 和單純的β-環(huán)糊精β-CD表現(xiàn)出較好的吸附效率。吸附動力學研究表明：色素和單寧的吸附過程符合假一級動力學模型。另外，從假一級動力學常數(shù)k1可知，色素和單寧在β-CS-CD 上吸附速率常數(shù)大于在CS 和β-CD 上的吸附速率常數(shù)，特別是對于色素吸附表現(xiàn)得尤為明顯。由此可見，β-CD 的引入不僅增大了對色素和單寧的吸附容量和強度，而且加快了對其的吸附速率。β-CS-CD 吸附劑能有效脫除刺梨果汁中的單寧和色素類物質(zhì)并改善其品質(zhì)。