大孔樹脂對(duì)蜂蜜中羥甲基糠醛的脫除熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究

張穎，王宇翔，張錦錦，高益增，曹煒*

1(西北大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安，710069) 2(西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安，710069)

蜂蜜是一種營養(yǎng)和保健價(jià)值很高的大宗蜂產(chǎn)品，含有糖類、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、酚酸、黃酮、酶類等180多種成分，其中果糖和葡萄糖含量多達(dá)70%～80%[1]。中國作為養(yǎng)蜂大國，蜂蜜產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的30%，也是最大的蜂蜜生產(chǎn)國和出口國[2]。然而，我國蜂蜜生產(chǎn)過程中存在藥物使用不合理、加工操作不規(guī)范等諸多問題，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)抗生素、農(nóng)藥、羥甲基糠醛、重金屬等有毒有害物質(zhì)超標(biāo)，不僅給蜂蜜食用安全性造成危害，對(duì)相關(guān)出口貿(mào)易也帶來很大影響[3-4]。

當(dāng)熱加工或貯藏時(shí)間過長時(shí)，蜂蜜中還原糖易與氨基化合物發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致副產(chǎn)物5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfur fural, 5-HMF)大量生成[5-6]。5-HMF對(duì)皮膚、眼睛、黏膜具有刺激性，攝入過多可致中毒，帶來橫紋肌麻痹和內(nèi)臟損傷，甚至引發(fā)癌癥[7-8]。在國際貿(mào)易中，5-HMF屬于蜂蜜質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一(≤40 mg/kg)，當(dāng)5-HMF含量超標(biāo)，蜂蜜通常會(huì)被銷毀處理。為避免資源浪費(fèi)，如能采取合適方法將蜂蜜中有害物質(zhì)降低至安全范圍，并保留其大部分營養(yǎng)組成，則可將其作為輔料用于食品、藥品加工領(lǐng)域，或用作飼料添加劑、生物質(zhì)能源等，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄資源的再次利用[9-11]。然而，蜂蜜中5-HMF脫除技術(shù)研究很少，連會(huì)等曾開展過利用活性炭吸附脫除5-HMF的研究[9,12]，但其他方法尚未見報(bào)道。

大孔樹脂可以選擇性吸附物質(zhì)，具有吸附容量大、迅速快、操作簡單、成本低、再生方便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物分離以及食品農(nóng)殘等有害物質(zhì)脫除[13-14]。前期研究發(fā)現(xiàn)，弱極性LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF脫除效果顯著且適用于不同蜂蜜品種[15]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)吸附法，進(jìn)一步研究LSI-3型樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF脫除過程的吸附等溫線、吸附熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性，探究LSI-3樹脂對(duì)5-HMF的吸附機(jī)理，旨在為大孔樹脂技術(shù)處理5-HMF超標(biāo)蜂蜜的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洋槐蜜，2017年采自陜西永壽，樣本采集后4 ℃保存待用；LSI-3型大孔吸附樹脂(比表面積≥700 m2/g，孔徑30～35 ?，粒徑0.4～1.25 nm，弱極性，苯乙烯系骨架)，購于西安藍(lán)曉科技有限公司。

5-HMF標(biāo)準(zhǔn)品(純度99%)，Sigma-Aldrich公司；NaOH、KI，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司；碘，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；濃HCl，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。以上試劑均為分析純。甲醇(色譜純)，美國Tedia公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-100DE數(shù)控超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；HH-2電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司； 98-1-B電子恒溫電熱套，天津泰斯特儀器有限公司；SHA-B恒溫振蕩器，北京宏昌信科技有限公司；BSA224S電子分析天平，北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；Ultimate-3000高效液相色譜儀，美國Thermo Fisher Scientific公司；G1315A二極管陣列檢測器，美國Agilent Technologies公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 大孔樹脂預(yù)處理

大孔樹脂在無水乙醇中浸泡24 h后用去離子水淋洗至無醇味，之后依次用5倍體積HCl(pH 2)、NaOH(pH 12)淋洗，2次淋洗完成后均用去離子水淋洗至中性?；罨髽渲]于無水乙醇中，常溫避光保存。

1.3.2 大孔樹脂脫除蜂蜜中5-HMF熱力學(xué)研究

1 kg洋槐蜜加入70 mg 5-HMF標(biāo)準(zhǔn)品，制成模擬加工貯藏后5-HMF含量超標(biāo)蜂蜜。蜂蜜樣品與蒸餾水按質(zhì)量比1∶1均勻，常溫超聲振蕩10 min。從中取24份蜂蜜水溶液，每份20 mL，分為3組，每組中依次加入0.1～0.8 g LSI-3型大孔樹脂，然后分別置于25、35和45 ℃水浴搖床恒溫振蕩120 min對(duì)5-HMF進(jìn)行吸附脫除。吸附結(jié)束后，根據(jù)1.3.4方法測定蜂蜜樣品中5-HMF含量，計(jì)算LSI-3樹脂對(duì)5-HMF脫除率，并依據(jù)式(1)計(jì)算平衡吸附量Qe，繪出吸附等溫線，根據(jù)Freundlich方程[16]計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)。

Freundlich吸附等溫方程，吸附焓變(ΔH)、吉布斯Gibbs-Helmholtz自由能變(ΔG)和吸附熵變(ΔS)計(jì)算方程分別見公式(2)、(3)、(4)和(5)：

(1)

lnQe=lnKF+(1/n)lnCe

(2)

lnCe=lnK0+ΔH/RT

(3)

ΔG=-nRT

(4)

(5)

式中：Qe為達(dá)到吸附平衡時(shí)樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF吸附量，mg/kg；C0，Ce分別為蜂蜜樣品中5-HMF初始濃度和平衡濃度，mg/kg；m為樹脂質(zhì)量，g；n為吸附特征常數(shù)(表征吸附劑的吸附特點(diǎn)和吸附能力)；V為蜂蜜樣品體積，mL；KF，K0分別為Freundlich吸附常數(shù)(表征吸附劑的吸附活性)，吸附焓變常數(shù)；T為絕對(duì)吸附溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K。

1.3.3 大孔樹脂脫除蜂蜜中5-HMF動(dòng)力學(xué)研究

稱取5-HMF含量超標(biāo)蜂蜜水溶液8份，每份20 mL，分別加入0.3 g LSI-3型大孔樹脂，于25 ℃恒溫水浴搖床中振蕩吸附，分別在0、20、40、60、80、100、120、150 min不同時(shí)間進(jìn)行取樣，根據(jù)1.3.4方法測定蜂蜜樣品中5-HMF含量，計(jì)算5-HMF脫除率，并分別依據(jù)公式(6)、(7)和(8)采用擬一級(jí)速率方程[17]、擬二級(jí)速率方程[17]和Weber-Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型[17]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

ln(Qe-Qt)=lnQe-K1t

(6)

(t/Qt)=1/K2Qe2+t/Qe

(7)

Qt=Kit1/2+C

(8)

式中：t為大孔樹脂吸附時(shí)間，min；Qe為達(dá)到吸附平衡時(shí)5-HMF吸附量，mg/kg；Qt為t時(shí)刻5-HMF吸附量，mg/kg；K1為一級(jí)速率常數(shù)，min-1；K2為二級(jí)速率常數(shù)，min-1；Ki為第i階段粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg/(g·min1/2)。

1.3.4 蜂蜜中5-HMF含量檢測

參照GB/T 18932.18—2003中方法測定蜂蜜中5-HMF含量[18]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel處理并進(jìn)行繪圖和擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF脫除的熱力學(xué)分析

2.1.1 吸附等溫線及模型

吸附等溫線是描述一定溫度下達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附劑對(duì)被吸附物質(zhì)吸附量與溶液中被吸附物質(zhì)濃度的關(guān)系，可用于評(píng)價(jià)吸附劑與被吸附物質(zhì)之間特性[16]。圖1顯示了不同溫度下(25、35和45 ℃)LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附等溫線，可以看出，樹脂平衡吸附容量隨著平衡濃度的增加而增大，且溫度升高會(huì)顯著降低樹脂對(duì)5-HMF吸附量。這說明降低溫度有利于LSI-3型樹脂脫除蜂蜜中5-HMF。賈琪在利用LS-901樹脂脫除蜂蜜中硝基呋喃類農(nóng)殘時(shí)，也發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，溫度越低，農(nóng)殘吸附效果越好[11]。

圖1 LSI-3型樹脂對(duì)5-HMF的吸附等溫線

為研究LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附特性，利用Freundlich模型對(duì)吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，F(xiàn)reundlich模型對(duì)于不同溫度下吸附等溫線均具有較高擬合度(R2>0.97)，表示該模型能夠可靠描述LSI-3型樹脂吸附蜂蜜中5-HMF過程。Freundlich方程中吸附指數(shù)n值反映的是大孔樹脂對(duì)吸附質(zhì)的吸附難易程度，n值越大，吸附過程越容易進(jìn)行，n>1和n<1時(shí)分別屬于優(yōu)惠型和非優(yōu)惠性吸附[10,14]。由表1可知，在25、35和45 ℃三個(gè)溫度下，n值均>1，說明LSI-3樹脂較容易吸附蜂蜜中5-HMF，吸附過程是優(yōu)惠型吸附，當(dāng)溶液中5-HMF濃度增大時(shí)，大孔樹脂與5-HMF之間作用力呈減小趨勢[19]。此外，平衡吸附系數(shù)KF反映的是吸附劑吸附能力，隨吸附溫度升高，KF值大幅減小(表1)，進(jìn)一步說明升高吸附溫度會(huì)導(dǎo)致吸附劑的吸附能力變差，LSI-3型大孔樹脂對(duì)5-HMF吸附屬于放熱過程。

表1 LSI-3型樹脂吸附5-HMF的Freundlich模型擬合參數(shù)

2.1.2 吸附熱力學(xué)性質(zhì)

為揭示LSI-3型大孔樹脂吸附蜂蜜中5-HMF過程中能量變化，通過公式(3)～(5)計(jì)算該吸附過程熱力學(xué)參數(shù)，包括焓變(ΔH)、Gibbs自由能變(ΔG)和熵變(ΔS)，結(jié)果如表2所示。吸附焓變?chǔ)<0，說明LSI-3型樹脂脫除蜂蜜中5-HMF屬于放熱過程，這與吸附等溫線結(jié)果相一致。吸附熱是區(qū)分樹脂對(duì)物質(zhì)吸附過程的重要標(biāo)志，其中物理吸附涉及分子間力、熱量變化小，焓變絕對(duì)值一般小于40 kJ/mol[10,19]。LSI-3樹脂對(duì)5-HMF的吸附焓變較小(表2)，預(yù)示著該過程遵循物理吸附。另外，隨著5-HMF平衡吸附量增加，ΔH絕對(duì)值越來越小(表2)。這則有可能由于大孔樹脂表面不均勻，5-HMF濃度較低時(shí)，大孔樹脂與5-HMF之間屬于直接吸附，隨著吸附反應(yīng)進(jìn)行，大孔樹脂表面微孔被5-HMF填充而逐漸減少，對(duì)5-HMF吸附能力降低導(dǎo)致[19]。由表2還可知，吉布斯自由能變量ΔG<0，表明LSI-3型樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附過程是自發(fā)進(jìn)行，且自由能越小，自發(fā)程度越大；而ΔG自由能變值較小，遠(yuǎn)低于20 kJ/mol，也進(jìn)一步說明該吸附屬于物理吸附[14,20-21]。此外，吸附過程中熵變量ΔS<0，說明5-HMF被LSI-3樹脂吸附后，5-HMF分子有序度增加即自由度降低，其運(yùn)動(dòng)空間比在蜂蜜溶液中明顯受阻，水分子不容易將5-HMF從樹脂上解析下來[14]。

表2 LSI-3型樹脂對(duì)5-HMF的吸附熱力學(xué)參數(shù)

2.2 LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF脫除的動(dòng)力學(xué)分析

吸附動(dòng)力學(xué)反映的是大孔樹脂對(duì)被吸附物質(zhì)的吸附速率[20-21]，為探究LSI-3型樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附速率及吸附控制機(jī)理，研究25 ℃吸附溫度下蜂蜜中5-HMF的吸附變化規(guī)律。

2.2.1 吸附動(dòng)力學(xué)曲線

圖2所示的是LSI-3樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附動(dòng)力學(xué)曲線，可以看出，在0～20 min吸附初期，5-HMF吸附量隨時(shí)間呈快速上升，此時(shí)間段內(nèi)曲線斜率最大，即吸附速率最大；20～80 min曲線斜率逐漸減小，吸附速率逐漸減緩；在80 min后吸附趨于平緩，5-HMF吸附量基本保持不變，LSI-3樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF達(dá)到吸附平衡。

圖2 LSI-3型樹脂對(duì)5-HMF吸附動(dòng)力學(xué)曲線

2.2.2 吸附動(dòng)力學(xué)模型及吸附控制機(jī)理

采用擬一級(jí)速率方程、擬二級(jí)速率方程和Weber-Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)擬合，以揭示LSI-3型樹脂脫除蜂蜜中5-HMF的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。

擬一級(jí)和擬二級(jí)速率方程分別是指在吸附過程中，大孔樹脂對(duì)吸附質(zhì)的吸附速率與溶液中吸附質(zhì)含量或吸附質(zhì)含量二次方成正比。根據(jù)擬一級(jí)吸附速率方程(式6)和擬二級(jí)吸附速率方程(式7)，分別以ln(Qe-Qt)和t/Qt對(duì)t作圖(圖3-a和3-b)，利用擬合曲線計(jì)算擬一級(jí)、擬二級(jí)速率方程參數(shù)k和Qe，結(jié)果如表3所示。

a-擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線;b-擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

表3 LSI-3型樹脂吸附5-HMF的動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)

從圖3和表3可知，擬一級(jí)速率方程的決定系數(shù)較小(R2=0.958 2)，擬合得到的平衡吸附量與實(shí)際平衡吸附量相差較大；而擬二級(jí)速率方程相關(guān)系數(shù)R2=0.998 2，擬合結(jié)果優(yōu)于擬一級(jí)速率方程，且擬合平衡吸附量與實(shí)際平衡吸附量非常接近。由此可見，擬二級(jí)速率方程更適合描述LSI-3型樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附動(dòng)力學(xué)規(guī)律[22]。

大孔樹脂對(duì)吸附質(zhì)的吸附作用是個(gè)復(fù)雜過程，主要包括幾個(gè)步驟：吸附質(zhì)從溶液中向大孔吸附樹脂表面擴(kuò)散，即外擴(kuò)散階段；吸附質(zhì)在大孔吸附樹脂表面擴(kuò)散，即液膜擴(kuò)散階段；吸附質(zhì)通過樹脂表面擴(kuò)散到孔周圍并進(jìn)入孔內(nèi)部，即顆粒內(nèi)擴(kuò)散階段；吸附質(zhì)在樹脂孔內(nèi)部擴(kuò)散并最終吸附在作用位點(diǎn)上，即吸附作用階段[23-25]。在吸附試驗(yàn)中，吸附劑和吸附質(zhì)的快速混合可消除外擴(kuò)散對(duì)吸附速率的影響，因此，LSI-3大孔樹脂對(duì)5-HMF的吸附過程可認(rèn)為由液膜擴(kuò)散、顆粒內(nèi)擴(kuò)散和吸附-解吸幾個(gè)階段組成，其中吸附速度快慢由持續(xù)時(shí)間最長階段決定。而吸附-解吸通常是一個(gè)快速過程，一般不認(rèn)為會(huì)成為吸附過程的關(guān)鍵限制步驟[23]。Weber-Morris動(dòng)力學(xué)模型常用于揭示吸附過程的速度控制步驟機(jī)理，該模型可描述物質(zhì)在顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散過程是受液膜擴(kuò)散或顆粒內(nèi)擴(kuò)散階段控制[26]。Weber-Morris模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的擬合曲線如圖4所示。

圖4 LSI-3型樹脂吸附5-HMF的Weber-Morris模型擬合曲線

可以看出，Weber-Morris模型動(dòng)力學(xué)擬合曲線不是一條直線，而是被分為兩段，且沒有經(jīng)過原點(diǎn)。這表明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是5-HMF被吸附時(shí)唯一控制步驟，液膜擴(kuò)散對(duì)其也有一定程度影響[27]。因此，LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附過程受顆粒內(nèi)擴(kuò)散和液膜擴(kuò)散兩個(gè)階段共同控制。

3 結(jié)論

本文探究了LSI-3型大孔樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF的吸附脫除機(jī)制。吸附等溫線研究表明，LSI-3樹脂在25 ℃條件下對(duì)蜂蜜中5-HMF吸附效果較好，F(xiàn)reundlich吸附等溫模型能夠可靠描述LSI-3樹脂對(duì)5-HMF的吸附過程；吸附過程中ΔH<0，ΔG<0，ΔS<0，說明LSI-3樹脂對(duì)蜂蜜中5-HMF屬于物理吸附，是自發(fā)進(jìn)行的放熱過程，降低溫度有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行，并且5-HMF被吸附后水分子不容易將其從樹脂上解析下來。吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，擬二級(jí)速率方程適合描述LSI-3型樹脂脫除蜂蜜中5-HMF的動(dòng)力學(xué)規(guī)律；Weber-Morris動(dòng)力學(xué)模型證明LSI-3型樹脂對(duì)5-HMF的吸附過程受液膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散共同控制。