改性柑橘皮吸附劑的制備及其對嘌呤脫除效果的研究

劉婷婷,趙紫悅,尚永彪,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

嘌呤(Purine)分子式為C5H4N4,屬于含氮芳香族雜環(huán)化合物[1],分為游離態(tài)的嘌呤堿基和其他嘌呤大分子。人體幾乎不能利用從食物中獲得的嘌呤類物質,當短時間內攝入較多外源性嘌呤類物質,會引起機體內尿酸濃度升高,發(fā)生高尿酸血癥[2-3],導致痛風病。尿酸以尿酸鈉晶體的形式在腎臟和關節(jié)處沉積,導致痛風腎和痛風性關節(jié)炎[4],引發(fā)疼痛和一系列代謝性疾病甚至危及生命。

調查表明,柑橘在中國的種植面積及加工規(guī)模在不斷擴大,其中加工副產品皮渣(占果重的20%～50%)年產量達1 200多萬t以上。柑橘皮(orange peel,OP)資源因低利用率造成的資源浪費和環(huán)境污染問題已引起行業(yè)的高度重視[5]。OP渣中含有大量的纖維素、半纖維素、木質素和果膠等物質,其主要由大量的氨基、羧基、羥基等官能團組成[6];且橘皮疏松多孔,使橘皮具備了潛在的吸附作用,可用于食品中有害物質或者異味雜質的脫除。但由于角質和蠟質附著,吸附性能較差,直接將OP作為吸附劑應用到食品工業(yè)中時,吸附能力不理想[7]。有研究表明通過酸化處理、堿化處理、氧化處理等化學改性手段可以去除其表面部分角質層,豐富官能團的種類和數(shù)量,增加內部孔隙率和表面積[8-9];同時增加反應位點,極大提升了表面黏結性能和力學性能[10]。此外,酸堿改性也可以增加果膠分子羧基官能團數(shù)量[11],官能團氧含量越高,氧原子的高電負性越有利于極性分子的吸附,因此可提高其吸附性能[12]。但目前改性柑橘皮(modified orange peel, MOP)吸附劑的研究大都集中于吸附水中的As(III)[13]、Cu2+[14]以及菜籽油中的游離脂肪酸[15]等,對食品中嘌呤的吸附脫除還缺乏針對性研究。

本研究以OP為材料,通過不同改性方法的對比及改性工藝參數(shù)的優(yōu)化探討吸附劑的制備方法,并通過吸附動力學和熱力學分析,結合掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)和紅外光譜技術(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)對其改性前后進行表征,探究OP改性吸附劑對嘌呤的吸附機理,以期為新型高效綠色嘌呤吸附劑的制備和應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

OP,回收于中國農業(yè)科學院柑橘研究所;腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤純度>99%,上海麥克林生化科技有限公司;KH2PO4、磷酸、甲醇為色譜醇,成都科隆化學品有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

LC-20A型高效液相色譜儀,日本島津公司;HH-8型電熱恒溫水浴鍋,上海力辰邦西儀器科技有限公司;PHS-4C+型酸度計,成都世紀方舟科技有限公司;FA2004A型電子分析天平,上海精天電子儀器有限公司;YLD-6000型烘箱,天津市通利信達儀器廠;Phenom Pro型掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司;Spectrum100型紅外光譜,美國珀金埃爾默公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 吸附劑樣品的制備

去OP表面雜質及橘絡,晾干后用超純水清洗3次于105 ℃恒溫干燥箱烘干至恒重。粉碎后過篩40～100目,得OP粉末,裝入聚乙烯袋,密封保存在干燥器中,備用。

1.3.2 改性吸附劑樣品的處理

稱取5 g OP粉末于潔凈燒杯中,分別采用堿法、酸堿法、堿-醇法、堿-醇-氯化鈣法制備MOP。堿法加入100 mL質量分數(shù)為10%的NaOH溶液,浸泡處理2 h;酸堿法以料液比為1∶1先添加質量分數(shù)1.0%硫酸溶液浸泡1 h,后水洗至中性,再用10%NaOH溶液浸泡處理1 h;堿醇法以料液比1∶1添加無水乙醇、1.0 mol/L NaOH溶液浸泡處理2 h;堿-醇-氯化鈣法以質量化2∶2∶1比例添加無水乙醇、1.0 mol/L NaOH溶液和CaCl2溶液浸泡處理2 h。4份樣品分別處理后反復水洗直至濾出液為中性,抽濾后將樣品置于105 ℃烘箱干燥,依次編號為MOP1、MOP2、MOP3、MOP4。

1.3.3 嘌呤的吸附效果對比試驗

參考吳凡[16]的方法,將不同處理的MOP吸附劑分別加入到10 mL 50 mg/mL的嘌呤混標溶液(腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤質量比為1∶1∶1∶1)中,40 ℃ 100 r/min攪拌60 min,取1 mL溶液透過0.45 μm針頭式過濾器于1.5 mL進樣瓶,經HPLC檢測計算處理前后嘌呤總濃度。HPLC條件:以KH2PO4-H3PO4(0.02 mol/L,pH 4.0)為流動相,流速1.0 mL/min,柱溫30 ℃,紫外檢測器檢測波長254 nm,進樣量10 μL。吸附實驗中,吸附效果的好壞通常用吸附率和吸附量來反映。吸附率是利用改性吸附劑吸附前后嘌呤濃度的比值,用于評估溶液中吸附質的去除程度[17]。計算如公式(1)所示:

X/%=(C1-C2)/C1×100

(1)

式中:X,嘌呤吸附率,%;C1,未經處理溶液中嘌呤質量濃度,mg/L;C2,MOP吸附劑吸附后溶液嘌呤質量濃度,mg/L。

吸附量是單位質量吸附劑所能吸附的量,用于表征吸附劑的吸附性能[18]。計算如公式(2)所示:

q=(C1-C2)×v/m

(2)

式中:q,平衡吸附量,mg/g;C1,吸附前嘌呤的初始質量濃度,mg/L;C2,吸附后嘌呤的平衡質量濃度,mg/L;v,吸附溶液體積,L;m,吸附劑的質量,g。

1.3.4 OP改性制備吸附劑的工藝優(yōu)化

1.3.4.1 單因素試驗

分別以OP粒度40、60、80、100、120、140目,改性溫度30、40、50、60、70、80 ℃,改性時間20、40、60、80、120 min,攪拌轉速50、100、150、200、250、300 r/min為變量進行單因素試驗。分別稱取5 g OP粉末于潔凈燒杯中,加入到10 mL質量濃度為50 mg/L的嘌呤混合溶液(腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤質量比為1∶1∶1∶1)中,按單因素實驗設計完成吸附操作。吸附過程結束后,取1 mL溶液,透過0.45 μm針頭式過濾器,存入1.5 mL進樣瓶中,而后經HPLC檢測計算處理前后嘌呤總濃度,對比其脫除嘌呤的效果。以吸附率及吸附量為指標考察堿改性處理條件對MOP吸附效果的影響。

1.3.4.2 正交試驗

在上述單因素試驗的基礎上,采用L9(34)正交表設計試驗,以OP粒度、改性處理溫度、改性處理時間、轉速為影響因子,以嘌呤吸附率和吸附量為試驗指標。正交試驗因素水平表見表1。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表Table 1 L9(34)Orthogonal test factors and levels

本研究采用準一級和準二級動力學方程、顆粒內擴散方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,探究MOP對嘌呤混標溶液的吸附速率以及吸附類型。其計算如公式(3)～公式(5)所示:

準一級動力學方程:

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(3)

準二級動力學方程:

(4)

顆粒內擴散方程如公式(5)所示:

qt=k3t1/2+C

(5)

式中,qt,t時間時改性吸附劑對嘌呤的吸附量,mg/g;qe,吸附平衡時的吸附容量,mg/g;k1,準一級動力學方程吸附速率常數(shù),min-1;k2,準二級動力學方程速率常數(shù),g/(mg·min);k3,顆粒內擴散模型速率常數(shù),mg/(g·min1/2);C,邊界層的厚度。

1.3.5 吸附熱力學分析

Langmuir模型主要假設吸附質在吸附劑固體表面是單分子層吸附,表面上各個吸附位置分布均勻,每個分子之間不產生相互作用力[19]。這個模型已經成功應用于很多單分子層吸附,其表達如公式(6)所示:

定期配合上級部門做好水質化驗工作，將水質標準控制在規(guī)定要求范圍內，減少各種沉淀物的產生。為了減少碎屑的產生以及降低碎屑在柱塞和盤根配合面上摩擦，可在銅壓套內壁前端車削一個凹槽，這樣摩擦產生的碎屑在運動中可以儲存在凹槽中，不在柱塞和盤根工作面間隨柱塞的往復運動來回搓動，減輕柱塞和盤根的摩擦及磨損程度。

(6)

式中:ce,溶液中嘌呤的平衡質量濃度,mg/L;qe,吸附平衡時的嘌呤吸附量,mg/g;qm,吸附劑吸附嘌呤達平衡時的最大吸附量;mg/g;b,Langmuir常數(shù),L/mg。

Freundlich模型是用來描述非均相吸附體系的經驗式模型,若固體表面是不均勻的,交換吸附平衡常數(shù)將與表面覆蓋度有關[20],其表達如公式(7)所示:

(7)

式中:qe,吸附平衡時的嘌呤吸附量,mg/g;ce,溶液中嘌呤的平衡質量濃度,mg/L;KF,理論平衡吸附容量常數(shù),mg/g;n,Freundlich吸附常數(shù)。

1.3.6 SEM表征

將OP與MOP1樣品粉碎過100目篩,裝于SEM專用圓釘?shù)谋砻妗悠峰兘鸷笠?5.0 kV的加速電壓和1 000、3 000、5 000倍放大倍數(shù)轉移到掃描電子顯微鏡觀察。

1.3.7 FTIR光譜測定

取適量OP與MOP1粉末進行紅外光譜測定,紅外光譜掃描范圍4 000～600 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)2次。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復3次,每次3個平行,試驗結果取其平均值。所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019以及Origin軟件進行處理,用SPSS Statistics 21對數(shù)據(jù)進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同改性方式制備OP吸附劑的嘌呤脫除效果對比

由表2可知,根據(jù)嘌呤吸附率和吸附量結果比較,4種不同處理處理得到的MOP對嘌呤的吸附效果均比OP好,MOP1又明顯優(yōu)于其他3種改性吸附劑(P<0.05)。因此選擇堿改性法進行后續(xù)的單因素及正交優(yōu)化試驗,制備OP改性吸附劑。

表2 嘌呤脫除效果對比Table 2 Comparison of purine removal effects

2.2 OP改性吸附劑制備條件的優(yōu)化

對MOP1的改性條件進行單因素試驗,由圖1-a可知,在柑橘皮粉末粒度從40目增加到100目的過程中,嘌呤吸附率和吸附量都呈顯著上升的趨勢(P<0.05),此后繼續(xù)增大目數(shù)至140目時,吸附效果沒有明顯變化。結合試驗結果,制備MOP1吸附材料的OP粉末粒度定為100目。由圖1-b可知,改性吸附材料對嘌呤吸附效果隨著溫度升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,可能是隨著溫度升高,分子運動速度加快,發(fā)生有效碰撞的幾率增大,改性吸附劑的吸附效果顯著增強(P<0.05)。而溫度繼續(xù)升高時,吸附率反而降低了,這可能是因為MOP對嘌呤去除屬于物理吸附,因為吸附一般是放熱的,因此只要達到了吸附平衡,升高溫度就會使吸附量下降[21]。另外也有可能是較高溫度的改性處理對改性吸附劑的孔隙結構造成了破壞,不利于嘌呤脫除性能的提升。因此,改性處理溫度選擇40 ℃為宜。由圖1-c可知,改性時間由20 min延長至60 min過程中,嘌呤吸附率和吸附量顯著增大(P<0.05),且在改性時間為60 min時,達到最大值。因此,改性處理時間選擇60 min。由圖1-d可知,攪拌速度從50 r/min增加到250 r/min時,嘌呤吸附性能顯著上升(P<0.05)。當轉速達到250 r/min時吸附性能得到明顯提升,因此,處理過程中轉速定為250 r/min。

a-粒數(shù);b-溫度;c-時間;d-轉速

2.3 制備工藝正交優(yōu)化試驗

由表3的試驗結果可知,在不同處理條件下,所制得的MOP吸附材料對嘌呤的吸附率為25.88%～42.54%,嘌呤吸附量為29.50～48.49 mg/g。各因素對MOP1吸附嘌呤性能影響的主次關系為:C>B>A>D,即改性時間>改性溫度>OP粒度>攪拌速度。正交試驗得出的最佳處理條件為A1B2C1D2,對應為OP粒度80目、改性溫度40 ℃、改性時間40 min、轉速250 r/min。在此改性處理條件下,結合單因素試驗所得最佳處理劑濃度及固液比,進行驗證試驗,最終測得嘌呤吸附率為43.13%,吸附量為49.17 mg/g,表明該正交試驗得到的最優(yōu)改性條件穩(wěn)定可靠。

表3 正交試驗設計及結果Table 3 Orthogonal experiment design and results

2.4 MOP吸附動力學性能研究

不同的吸附動力學方程和參數(shù)可以揭示MOP對嘌呤的吸附機理。利用動力學方程式對所得數(shù)據(jù)進行擬合,表4為吸附動力學方程中的相關參數(shù)。準一級動力學方程的相關系數(shù)R2為0.815 6,準二級動力學模擬的相關系數(shù)R2為0.992 7,后者比前者擬合效果更好;且根據(jù)得出的方程計算得到的平衡吸附量qe分別為30.40 mg/g和53.19 mg/g,后者更接近實驗結果。顆粒內擴散擬合的相關系數(shù)為0.848 7,線性結果較差。表明MOP1對嘌呤的吸附過程更適用于準二級動力學方程,其吸附機理與嘌呤溶液的初始濃度和吸附劑的活性位點數(shù)有一定關系,吸附速率由化學吸附控制[22]。

表4 堿MOP吸附嘌呤的動力學相關參數(shù)Table 4 Kinetic-related parameters of MOP1 adsorption of purines

2.5 MOP等溫吸附性能分析

由圖2可知,不同的溫度設置下,平衡吸附量均隨著嘌呤溶液濃度的增大而增大,且溫度對MOP1吸附嘌呤有一定的影響。在初始濃度較低時,吸附劑表面活性位點未達到飽和狀態(tài),所以吸附劑的吸附容量增加較快,嘌呤濃度持續(xù)增加,MOP1的吸附容量增加變緩直至不再變化。表5是不同溫度下,MOP1對嘌呤吸附作用的Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線模型擬合結果,可以看出,3個不同溫度下采用Langmuir吸附模型擬合得到的方程效果均優(yōu)于Freundlich吸附等溫方程,其中40 ℃下的相關系數(shù)R2(0.997 2)高于Freundlich吸附模型所得結果。說明Langmuir模型更符合MOP吸附的真實情況,吸附過程屬于單分子層吸附,MOP1對嘌呤的吸附以化學吸附起主要作用。根據(jù)所得等溫方程計算出40 ℃下的吸附容量qm為61.35 mg/g,與試驗所得結果比較接近。

圖2 不同溫度下MOP1對嘌呤的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of MOP1 to purines at different temperatures

表5 等溫吸附方程及其參數(shù)Table 5 Isothermal adsorption equation and its parameters

2.6 掃描電鏡分析

對堿性改性前后的OP吸附劑分別進行1 000、3 000、5 000倍的電鏡掃描,由圖3可知,利用NaOH對OP改性處理之后,其形態(tài)特征發(fā)生了明顯的變化,進而影響OP微觀結構。從圖3-a～圖3-c中可以看出,未經處理的OP顆粒因含有大量的纖維素,表面相對較為光滑平整,纖維結構排列致密,孔隙較少且不明顯。圖3-d～圖3-f中顯示,改性處理之后,OP表面變得更加粗糙和疏松,孔隙增多,孔徑變大。經堿液改性處理的MOP1脫嘌呤性能得到改善的原因可能是因為OP的有序結構在一定程度受到破壞,且NaOH使其所含的果膠分子上甲酯化的羧基皂化以提高羧基官能團的數(shù)目[23],形成的活性位點與嘌呤接觸更加容易,所以更快發(fā)生物理或(和)化學吸附;也可能是MOP1作為典型的多孔隙物質,其多孔多褶皺的結構,提供的表面積更大。與此同時,提供的吸附位點和吸附空間也較多。另外,MOP1內部存在部分大孔和大量的微孔,介孔有助于減小傳質阻力,促進傳質過程,微孔有利于將嘌呤吸附進MOP內部從而提高其吸附性能。

a-改性前OP 1 000倍;b-改性前OP 3 000倍;c-改性前OP 5 000倍;d-改性后OP 1 000倍;e-改性后OP 3 000倍;f-改性后OP 5 000倍

2.7 紅外光譜分析

圖4 OP改性前后的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of orange peel before and after modification

3 討論

比較了不同改性方法處理OP,4種改性方法制備的OP吸附材料對嘌呤的吸附效果差異顯著(P<0.05),其中堿法改性的吸附性能最好。堿性改性的最佳條件為OP粒度80目、改性溫度40 ℃、改性時間40 min、轉速250 r/min。在此改性條件下,最終測得嘌呤吸附率為43.13%,吸附量為49.17 mg/g。通過擬合模型,結果顯示MOP1對嘌呤的吸附過程更適用于準二級動力學方程。此外,MOP1對嘌呤吸附熱力學作用最符合Langmuir等溫吸附模型,表明MOP1吸附嘌呤的整個過程主要是單分子層的化學吸附過程。掃描電鏡結果直觀的顯示經過NaOH改性處理后的OP表面更加粗糙和疏松,孔隙增多,孔徑變大,其表面的一些雜質及不利于吸附作用的物質被去除,比表面積增大,活性位點增加,利于吸附過程的進行。紅外光譜結果表明,OP經過改性處理后,其表面大部分的官能團峰消失,同時也出現(xiàn)了新的吸收峰,MOP1的譜帶強度發(fā)生了明顯變化。改性處理使得OP的羥基和游離羧基含量增多,使改性吸附材料MOP1對嘌呤出現(xiàn)了選擇性吸附。通過改性,OP渣對嘌呤類物質的吸附性大幅度提高,這為OP渣的有效利用及低嘌呤食品的開發(fā)提供了參考思路。