溶液中褐藻膠低聚糖在活性炭上的吸附特性與機(jī)制研究

于 宇, 曹為安

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266237)

褐藻膠(Alginate)是一種來源于褐藻細(xì)胞壁的酸性多糖, 通常從巨藻、海帶和馬尾藻等褐藻中提取得到[1]。褐藻膠是由 β-1, 4-D-甘露糖醛酸(M)和 α-1,4-L-古羅糖醛酸(G)兩種糖醛酸單體連接而成的直鏈多糖。褐藻膠低聚糖(Alginate oligosaccharides, AOS)是褐藻膠經(jīng)過降解而得到的一種低分子聚合物, 降解后水溶性提高。研究表明, AOS具有促進(jìn)植物生長[2], 增強(qiáng)植物抗鹽[3]、抗旱[4]、抗有機(jī)污染物[5]、抗重金屬污染等活性, 還具有抑菌[6]、抗腫瘤[7]、抗氧化[8-9]、增強(qiáng)免疫力[10]、保護(hù)神經(jīng)[11]等多種生物活性, 在食品、醫(yī)藥、飼料添加、植物生長調(diào)節(jié)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。AOS經(jīng)褐藻膠降解而制備得到, 常用的降解方法有物理降解法、化學(xué)降低法和酶降解法[12]。在褐藻膠提取和降解的過程中, 會產(chǎn)生一系列不同聚合度的AOS以及蛋白、色素等其他雜質(zhì)。對AOS進(jìn)行分離純化, 獲得純度高、單一聚合度的AOS對于揭示其化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物活性間的構(gòu)效關(guān)系具有重要意義[9,13]。

活性炭作為一種最常見的吸附劑, 具有多孔結(jié)構(gòu), 比表面積大。同時活性炭表面有豐富的官能團(tuán), 對氣相和液相中多種有機(jī)物和無機(jī)物具有良好的吸附能力[14-15]?；钚蕴勘粡V泛應(yīng)用于多糖和寡糖物質(zhì)的分離純化過程, 比如應(yīng)用于離子交換色譜分離后的殼寡糖組分的脫鹽純化[16], 應(yīng)用活性炭柱對巖藻多糖組分進(jìn)行初步分離[17], 用活性炭對提取的褐藻膠粗多糖進(jìn)行脫色處理等[18]。但在以往實(shí)踐中, 活性炭分離純化糖類物質(zhì)的過程中樣品損失嚴(yán)重。應(yīng)用活性炭分離純化糖類物質(zhì)的原理是基于活性炭對糖的吸附反應(yīng), 但目前尚未見關(guān)于酸性糖在活性炭上吸附機(jī)制與性能的研究報道。因此研究活性炭對于酸性低聚糖的吸附性能對于應(yīng)用活性碳分離純化酸性低聚糖具有重要的指導(dǎo)作用。

本研究以一種酸性低聚糖AOS為研究對象, 研究溶液的pH、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、初始濃度等條件對AOS在活性炭上吸附性能的影響, 進(jìn)而揭示活性炭吸附AOS的動力學(xué)與熱力學(xué)機(jī)制。本研究對于應(yīng)用活性炭對AOS及其他海洋酸性多糖進(jìn)行分離、脫色、脫鹽等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

AOS購于青島博智匯力生物科技有限公司,分子量6 000 Da。活性炭Darco G-60購于Sigma化學(xué)有限公司(美國), 粒度為 100目。實(shí)驗(yàn)中所用的硫酸和苯酚為優(yōu)級純試劑, 其他化學(xué)試劑均為分析純試劑。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

式中,C0為AOS溶液的初始濃度 (g/L),Ct為吸附后溶液中AOS濃度(g/L),V為溶液體積(L),m為活性炭質(zhì)量(g)。

研究溶液 pH對吸附性能的影響時, 將 AOS溶液的pH用稀HCl或稀NaOH調(diào)節(jié)至1～12, 在25℃下以上述過程進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。吸附動力學(xué)研究在2 g/L,25℃和pH 5條件下進(jìn)行批量吸附實(shí)驗(yàn), 在不同的吸附時間(5, 10, 20, 30, 40, 60, 120, 180, 240, 360 min)取出錐形瓶迅速過濾, 測定濾液中AOS濃度以研究不同吸附時間下的吸附量。吸附熱力學(xué)研究中, AOS初始濃度為1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 g/L, 溶液pH為5, 分別在25, 35, 45, 55℃溫度下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn), 以研究初始濃度和溫度對于吸附的影響。

準(zhǔn)確量取15 mL 2 g/L的 AOS溶液置于150 mL錐形瓶中, 加入0.25 g活性炭, 將錐形瓶置于恒溫水浴振蕩器在25℃下振蕩12 h以達(dá)到吸附平衡。振蕩結(jié)束后過濾吸附液, 采用苯酚-硫酸法測定濾液中AOS濃度[19]。AOS在活性炭上的吸附量q(g/g)用以下公式計算：

2 結(jié)果和討論

2.1 pH對吸附效果的影響

溶液pH條件會影響活性炭和吸附質(zhì)的特性, 進(jìn)而影響液相中活性炭的吸附行為[20-21]。本文研究了pH 1～12條件下, AOS在活性炭上的吸附容量變化,結(jié)果如圖1所示。AOS在活性炭上的吸附量隨溶液pH的增大而迅速降低, 酸性條件有利于活性炭吸附AOS, 吸附量在pH為1時達(dá)到最大值0.116 g/g。AOS糖環(huán)結(jié)構(gòu)中含有—COOH基團(tuán), 強(qiáng)酸性的條件下其解離減弱, 以分子形式存在的羧酸增加, 減少了其與活性炭表面的靜電排斥作用, 因此酸性越強(qiáng),其在活性炭上的吸附量越大。pH 5為褐藻膠低聚糖溶液的初始 pH值, 最為常用, 且在 pH 5條件下,AOS的吸附量(0.082 g/L)已達(dá)到最大吸附容量的71%, 因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再進(jìn)行 pH調(diào)整, 均在此 pH的條件下進(jìn)行。

圖1 不同pH條件下AOS在活性炭上的吸附量(g/g)Fig.1 Adsorption capacities (g/g) of AOS on activated charcoal in the solutions with different pH values

2.2 吸附動力學(xué)研究

為了研究活性炭對于AOS的吸附機(jī)制, AOS初始濃度2 g/L, pH 5, 25℃條件下進(jìn)行了吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。吸附量隨時間變化曲線如圖 2所示。在初始5 min, 吸附量迅速增加, 在第5 min, 吸附量已達(dá)0.059 5 g/g, 達(dá)到平衡吸附量的71%。5～60 min, AOS在活性炭上的吸附量增加緩慢, 在60 min以后吸附量基本保持穩(wěn)定, 達(dá)到吸附平衡, 最大吸附量為0.083 7 g/g。

圖2 反應(yīng)時間對AOS在活性炭上的吸附量(g/g)的影響Fig. 2 Effects of contact time on the adsorption capacity(g/g) of AOS on activated charcoal

吸附動力學(xué)模型可以更好地反映吸附機(jī)制,AOS吸附量隨時間的變化曲線分別用準(zhǔn)一級動力學(xué)和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型進(jìn)行擬合。準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)模型假設(shè)吸附速率與吸附劑上未占用位點(diǎn)的數(shù)目成正比[22], 公式如下：式中qe和qt分別是平衡時和t時間時的單位吸附量(g/g), k1是一級吸附速率常數(shù)(1/min),t為反應(yīng)時間(min)。

準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型假設(shè)吸附速率與未占用吸附位點(diǎn)的數(shù)目的平方成正比[23], 公式如下：

其中qe和qt分別表示平衡時和t時間的單位吸附量(g/g), k2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)(g/g min),t為反應(yīng)時間(min)。以t和t/qt分別為橫縱坐標(biāo)作圖, 擬合線性關(guān)系根據(jù)斜率和截距分別計算qe和k2值。

吸附動力學(xué)模型擬合結(jié)果如圖3和表1所示。用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合的相關(guān)系數(shù)更高,R2=1, 且計算得到的吸附容量qe(0.083 4 g/g)與實(shí)驗(yàn)值(0.083 7 g/g)更加符合。因此AOS在活性炭上的吸附過程符合準(zhǔn)二級吸附, 表明吸附過程不是簡單的物理吸附, 還存在化學(xué)吸附, AOS與活性炭間的化學(xué)吸附是吸附過程的限速步驟[23]。

圖3 吸附動力學(xué)曲線Fig. 3 Adsorption kinetic plots： (a) pseudo first-order model;(b) pseudo second-order model

表1 活性炭吸附AOS的動力學(xué)參數(shù)Tab. 1 Kinetic parameters for the adsorption of AOS on activated charcoal

2.3 吸附等溫線

溫度會影響活性炭的吸附性能。分別在 25℃,35℃, 45℃, 55℃溫度下進(jìn)行了不同初始濃度(1, 1.5,2, 2.5, 3, 3.5 g/L)下的吸附實(shí)驗(yàn), 吸附等溫線如圖4a所示。AOS在活性炭上的吸附量隨著初始濃度增大而升高。隨著溫度升高, 相同初始濃度下的吸附量降低, 表明AOS在活性炭上的吸附為放熱反應(yīng)。這與Li等[24]報道的活性炭吸附中性糖-菊糖同樣為放熱反應(yīng)的過程相似。

Langmuir 和Freundlich方程是常用的研究吸附熱力學(xué)反應(yīng)的模型, 分別用這兩個模型來研究 AOS在活性炭上的吸附熱力學(xué)機(jī)制。Langmuir模型假定吸附位點(diǎn)活性均一, 用于描述單分子層均相吸附,其方程為：

式中,qmax是最大吸附容量(g/g), kL(L/g)為平衡常數(shù),以Ce和Ce/qe分別為橫縱坐標(biāo)作圖, 根據(jù)擬合的線性關(guān)系的斜率和截距分別求得qmax和kL值。

Freundlich模型假設(shè)吸附位點(diǎn)活性不均勻, 其方程為：

式中,Ce是吸附平衡時的AOS濃度(g/L),qe為相應(yīng)平衡濃度時的吸附量(g/g), kf(L/g) 和1/n是與吸附容量和吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)。以lnCe和lnqe分別為橫縱坐標(biāo)作圖, 擬合線性關(guān)系根據(jù)斜率和截距分別求得n和kf值。

兩種吸附等溫線模型擬合的結(jié)果如圖 4b、c和表2所示。結(jié)果顯示, 在35℃, 45℃和55℃下, 吸附等溫線用Langmuir模型模擬結(jié)果良好,R2大于0.99。且 Langmuir模型的R2總體優(yōu)于 Freundlich模型的R2值, 表明AOS在活性炭上的吸附更符合Langmuir等溫線模型, 屬于單分子層的均相吸附。

表2 Langmuir和Freundlich吸附模型模擬參數(shù)Tab. 2 Parameters for Langmuir and Freundlich isotherms models

圖4 AOS在活性炭上的吸附等溫線(a); Langmuir等溫線模型(b); Freundlich等溫線模型(c)Fig. 4 Adsorption isotherms of AOS on the (a) activated charcoal; (b) Langmuir model; (c) Freundlich model

2.4 熱力學(xué)計算

根據(jù) Van’t Hoff方程及其推導(dǎo)公式[25], 有如下關(guān)系：

式中, R為氣體常數(shù)(8.314 J/mol K),T為絕對溫度(K)。以1/T和 lnkL分別為橫縱坐標(biāo)做圖, 擬合線性關(guān)系, 如圖 5所示, 根據(jù)斜率和截距可以求得反應(yīng)的焓變ΔH0(kJ/mol)和熵變ΔS0(kJ/mol K)。根據(jù)公式(7)進(jìn)而可以計算得到反應(yīng)的吉布斯自由能ΔG0(kJ/mol)。計算結(jié)果如表 3所示。反應(yīng)的 ΔH0為-35.2 kJ/mol, 證明AOS在活性炭上的吸附是放熱反應(yīng)。反應(yīng)熵降低, ΔG0為負(fù), 表明吸附是自發(fā)反應(yīng)過程。ΔG0隨溫度升高而增大, 表明低溫更有利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行。

表3 不同溫度下活性炭吸附AOS的熱力學(xué)常數(shù)Tab. 3 Thermodynamic parameters for the adsorption of AOS on activated charcoal at different temperatures

圖5 lnkL對1/T的線性關(guān)系Fig. 5 Linear correlations between lnkL and 1/T

3 結(jié)論

本研究以海洋來源酸性糖-褐藻膠低聚糖(AOS)為研究對象, 系統(tǒng)探討了不同的溶液pH、反應(yīng)時間、溫度、初始糖濃度條件下AOS在活性炭上的吸附性能及其動力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)制。結(jié)果表明, AOS在活性炭上的吸附量隨溶液pH降低而增大, pH為1時吸附量可達(dá)0.116 g/g。吸附量在最初的5分鐘內(nèi)達(dá)到平衡吸附量的 71%, 在 60分鐘后達(dá)吸附平衡, 吸附量容量在25℃, pH 5條件下為0.083 7 g/g。吸附過程符合準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)(R2=1), 表明吸附過程存在化學(xué)吸附。吸附熱力學(xué)研究表明AOS在活性炭上的吸附為自發(fā)的放熱反應(yīng), 低溫有利于吸附過程的進(jìn)行,吸附等溫線符合 Langmuir模型, 為單分子層的均相吸附。