明膠吸附單寧酸的機(jī)理探討及其在藍(lán)莓汁脫澀中的應(yīng)用

何中秋，程志強(qiáng)，康立娟，楊桂霞，許曉娟

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118）

明膠吸附單寧酸的機(jī)理探討及其在藍(lán)莓汁脫澀中的應(yīng)用

何中秋，程志強(qiáng)，康立娟*，楊桂霞，許曉娟

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118）

分別用0.01～0.11 g的明膠吸附25 mL 900 mg/L單寧酸模擬溶液，根據(jù)明膠吸附量和單寧酸去除率得到明膠的最佳用量，然后研究最佳用量的明膠對25 mL 900 mg/L單寧酸模擬溶液的吸附動(dòng)力學(xué)方程和吸附等溫線方程，最后研究明膠對單寧酸質(zhì)量濃度為900 mg/L的25 mL藍(lán)莓汁的脫澀效果。結(jié)果表明：吸附25 mL 900 mg/L單寧酸模擬溶液時(shí)，明膠最佳用量為0.03 g，其明膠吸附量為527.5 mg/g，單寧酸去除率為70.33%。明膠吸附單寧酸的過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，其吸附等溫線符合Langmuir吸附方程，為單分子層吸附。當(dāng)脫除單寧酸含量為900 mg/L的25 mL藍(lán)莓汁的澀味時(shí)，明膠用量0.03 g、溫度15 ℃、振蕩時(shí)間20 min，在該條件下，其明膠吸附量為420.8 mg/g，單寧酸去除率為56.11%，脫澀效果良好。

藍(lán)莓汁；明膠；單寧酸；吸附

單寧酸又稱植物多酚，是廣泛存在于蔬菜和水果中的一類多元酚類化合物。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，單寧酸可分為水解類和縮合類兩大類型，前者是沒食子酸及其衍生物與葡萄糖或多元酚通過酯鍵形成的化合物，如五倍子單寧酸；后者是以黃烷-3-醇為基本結(jié)構(gòu)單元的縮合物，如葡萄籽中所含的單寧酸。蘋果、葡萄、柿子、獼猴桃、黑加侖、黑莓、藍(lán)莓、柚柑、香蕉、山楂、枇杷、石榴、橄欖等水果中單寧酸含量較高，尤其在果實(shí)的果皮和果核中含量較其他部位高得多[1]。果汁生產(chǎn)過程中，由于果皮和果核不能去除或去除不完全，很容易使其中的單寧酸進(jìn)入果汁中，而單寧酸會(huì)對果汁風(fēng)味造成不良影響，單寧酸與口腔黏膜或唾液蛋白結(jié)合并生成沉淀，引起粗糙折皺的收斂感和干燥感，即澀味[2]。

明膠是動(dòng)物皮或骨經(jīng)嚴(yán)格復(fù)雜的化學(xué)處理而從中提取的可食性膠原蛋白，是膠原三鏈螺旋體結(jié)構(gòu)水解產(chǎn)物[3]。明膠與蛋白質(zhì)的結(jié)合反應(yīng)是植物多酚最具特征性的反應(yīng)之一，利用此反應(yīng)，可用明膠脫除果汁中的單寧酸物質(zhì)。明膠與單寧酸的結(jié)合反應(yīng)是兩者間多點(diǎn)疏水鍵和氫鍵共同作用的結(jié)果。首先，含疏水基的單寧酸分子以疏水反應(yīng)形式與明膠結(jié)合。然后，單寧酸的酚羥基與明膠的極性基（主要是肽基），發(fā)生兩點(diǎn)氫鍵結(jié)合，酚羥基作為氫鍵H供體，肽基上的羰基氧作為H受體。明膠與單寧酸間多點(diǎn)疏水鍵和氫鍵的共同作用，形成明膠-單寧酸絡(luò)合物沉淀[4]，使果汁中的單寧酸隨沉淀而去除。

目前，一些研究者對果汁的澀味去除研究了一些方法，如Bao Yani等[5]采用大孔吸附樹脂對椪柑汁進(jìn)行吸附脫苦，Puri等[6]使用海藻酸鈉包埋的柚皮苷酶對金諾橘汁進(jìn)行脫澀，羅昱等[7]探討了單寧酶對刺梨果汁中單寧酸的脫除效果。也有許多文獻(xiàn)報(bào)道了明膠對果蔬加工產(chǎn)品的脫澀，如姬長新等[8]為脫除山茱萸汁的澀味，將山茱萸汁采用明膠進(jìn)行處理，研究了明膠添加量、脫澀溫度、脫澀時(shí)間對山茱萸汁脫澀效果的影響；解利利等[9]采用明膠降低藍(lán)莓果汁單寧酸含量。

但從動(dòng)力學(xué)角度研究明膠對單寧酸吸附過程的機(jī)理還少見報(bào)道。因此，本實(shí)驗(yàn)采用明膠對單寧酸進(jìn)行吸附，研究其吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線，并研究了明膠對藍(lán)莓汁的脫澀效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藍(lán)莓，采自吉林省吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)藍(lán)莓基地。

單寧酸（分析純） 西隴化工股份有限公司；Folin-Ciocalteu（分析純） 上海荔達(dá)生物有限公司；明膠（食品級(jí)） 連云港友進(jìn)食品添加劑技術(shù)開發(fā)有限公司；Na2CO3、抗壞血酸、葡萄糖、蒽酮、硫酸、氫氧化鈉等試劑均為分析純 天津市塘沽鵬達(dá)化工廠。

1.2 儀器與設(shè)備

AUY-220型電子天平 上海島津國際貿(mào)易有限公司；SP-722E型紫外-可見光分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；SHZ-B型水浴恒溫振蕩器 上海龍躍儀器設(shè)備有限公司；TDL-60B型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；HV-200型榨汁機(jī) 青島東亞電子有限公司；PHS-3C型酸度計(jì) 上海盛磁儀器有限公司；WYT-I型手持式糖量計(jì) 無錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司。

1.3 方法

1.3.1 藍(lán)莓汁及單寧酸模擬溶液的制備

藍(lán)莓汁：取冷藏的藍(lán)莓果200 g，清洗干凈后用榨汁機(jī)榨汁，于4 ℃冰箱中自然澄清24 h[10]，最后用兩層紗布過濾榨汁所得果汁，去除果渣，得清汁備用。

單寧酸模擬溶液：用蒸餾水配制含單寧酸的溶液模擬藍(lán)莓汁。準(zhǔn)確稱取單寧酸（分析純）0.9 g于1 000 mL容量瓶中，用蒸餾水定容至標(biāo)線，溶解后即為質(zhì)量濃度為900 mg/L的單寧酸模擬溶液。

1.3.2 Folin-Ciocalteu法測定單寧含量[11]

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：準(zhǔn)確稱取單寧酸5 mg，溶解后移入50 mL容量瓶中，蒸餾水定容至刻度，混勻。即得0.1 mg/mL單寧酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。取5 個(gè)15 mL比色管，分別加入單寧酸標(biāo)準(zhǔn)液0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 mL，而后加入0.6 mL的Folin-Ciocalteu試劑和3.0 mL 75 g/L飽和Na2CO3溶液，加水定容至刻度，室溫避光放置l h，760 nm波長處測定吸光度，做3 次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，以單寧酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到回歸方程為y=78.028x+0.023 1（R2=0.992 3）。以蒸餾水做空白實(shí)驗(yàn)。以藍(lán)莓果汁（或吸附處理后的單寧酸溶液）0.15 mL代替單寧酸標(biāo)準(zhǔn)液測定其吸光度，并代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算單寧酸含量。

1.3.3 藍(lán)莓汁各指標(biāo)測定

采用pH計(jì)測定pH值；手持式糖量計(jì)[12]測定可溶性固形物含量；pH示差法[13]測定花色苷含量；Fe-菲啰啉分光光度計(jì)[14]法測定抗壞血酸含量；電位滴定法[15]測定楊梅濁汁中的可滴定酸含量（以檸檬酸計(jì)）；蒽酮-硫酸比色法[16]測定總糖含量。所有指標(biāo)測定重復(fù)3 次，取平均值。

1.3.4 明膠用量對吸附單寧酸實(shí)驗(yàn)的影響

分別稱取0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.11 g的明膠放入一系列50 mL錐形瓶中，分別加入25 mL 900 mg/L單寧酸模擬溶液，以保鮮膜密封，置于水浴恒溫振蕩器內(nèi)于15 ℃條件下振蕩20 min，5 000 r/min離心10 min分離出沉淀，取上清液于760 nm波長處測定吸光度，每次測定重復(fù)3 次，取平均值。根據(jù)單寧酸標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出上清液中單寧酸的含量。

明膠對單寧酸的平衡吸附量[17]和單寧酸去除率[18]通過下式計(jì)算：

式中：qt為t時(shí)刻明膠對單寧酸的吸附量/（mg/g）；qe為吸附平衡時(shí)明膠對單寧酸的吸附量/（mg/g）；ρ0為溶液中單寧酸的初始質(zhì)量濃度/（mg/L）；ρt為t時(shí)刻溶液中單寧酸的質(zhì)量濃度/（mg/L）；ρe為吸附平衡時(shí)溶液中單寧酸的質(zhì)量濃度/（mg/L）；V為溶液體積/L；m為吸附劑的質(zhì)量/g。

1.3.5 吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線

吸附動(dòng)力學(xué)：分別取25 mL 900 mg/L的單寧酸模擬溶液6 份加入50 mL錐形瓶中，并加入0.03 g明膠，以保鮮膜密封，然后置于水浴恒溫振蕩器內(nèi)15 ℃振蕩不同時(shí)間（3、6、9、12、15、18 min），5 000 r/min離心10 min分離出沉淀，取上清液于760 nm波長處測定吸光度，每次測定重復(fù)3 次，取平均值。

吸附動(dòng)力學(xué)模型采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式（4））和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式（5））[19]，以分析吸附過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

式中：k1為準(zhǔn)一級(jí)速率常數(shù)/min-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)速率常數(shù)/（g/（mg·min））。

吸附等溫線：分別取25 mL不同質(zhì)量濃度（200、400、600、800、1 000、1 200 mg/L）的單寧酸模擬溶液于一系列50 mL錐形瓶中，并加入0.03 g明膠，以保鮮膜密封，置于水浴恒溫振蕩器內(nèi)15 ℃條件下振蕩20 min，5 000 r/min離心10 min分離出沉淀，取上清液于760 nm波長處測定吸光度，每次測定重復(fù)3 次，取平均值。

吸附等溫線模型采用Langmuir模型（公式（6））和Freundlich模型（公式（7））來描述[20]。

式中：qm為飽和吸附量/（mg/g）；KL是 Langmuir吸附特征常數(shù)/（L/mg）；KF為Freundlic常數(shù)/（（mg/g）·（L/mg））1/n，1/n為Freundlich 吸附指數(shù)。

其二，定量與實(shí)證法較少，實(shí)驗(yàn)法更是罕見.因此，研究應(yīng)重視定量與實(shí)證法，運(yùn)用真實(shí)數(shù)據(jù)反映存在的問題，為理論發(fā)展提供材料.如追蹤調(diào)查中小學(xué)生數(shù)據(jù)分析發(fā)展的進(jìn)程，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法研究影響統(tǒng)計(jì)認(rèn)知差異的因素.

1.3.6 明膠對藍(lán)莓汁的脫澀實(shí)驗(yàn)

取25 mL藍(lán)莓汁（其中單寧酸的質(zhì)量濃度為900 mg/L）于50 mL錐形瓶中，并加入0.03 g明膠，以保鮮膜密封，然后置于水浴恒溫振蕩器內(nèi)15 ℃條件下振蕩20 min，5 000 r/min離心10 min分離出沉淀，取上清液于760 nm波長處測定吸光度，每次測定重復(fù)3 次，取平均值。按公式（1）～（3）計(jì)算明膠對單寧酸的吸附量和單寧酸去除率。

2 結(jié)果與分析

2.1 明膠用量對單寧酸吸附的影響

不同的吸附劑用量會(huì)對吸附效果產(chǎn)生顯著影響。為確定最佳用量，在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，考察0.01～0.11 g范圍內(nèi)明膠用量對吸附單寧酸的影響，結(jié)果如圖1所示。隨著明膠用量的增加，單寧酸的去除率逐漸升高，在用量為0.05 g時(shí)達(dá)到最大，為81.11%，當(dāng)用量大于0.05 g時(shí)，單寧酸的去除率逐漸減小。單位質(zhì)量明膠的吸附量隨著其用量的增加逐漸降低，由1 250 mg/g 減少為102.5 mg/g，其降低速率也逐漸變慢。

圖1 明膠添加量對吸附單寧酸的影響Fig.1 Effects of different gelatin dosages on the adsorption of tannic acid

隨著明膠用量增加，可用來吸附單寧酸的明膠表面活性位點(diǎn)的總數(shù)增多，使得去除率升高，繼續(xù)增加明膠用量，由于溶液中明膠比例增加，明膠分子間產(chǎn)生了交聯(lián)，即明膠分子被單寧酸分子連接成聚集體，其結(jié)果是明膠更易沉淀，但提供給單寧酸分子結(jié)合的表面積降低，因而單寧酸的去除率反而降低[21-22]；同時(shí)，明膠的用量增加后，由于單寧酸總量不變，更多的可吸附位置不能被充分利用，使得其單位質(zhì)量吸附量降低。因此，從節(jié)約原料和去除效果兩個(gè)角度考慮，選擇0.03 g為明膠吸附單寧酸的最佳用量，此時(shí)明膠吸附量為527.5 mg/g，單寧去除率為70.33%。

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線

2.2.1 吸附動(dòng)力學(xué)

圖2 明膠對單寧酸的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 Adsorption kinetic curves of tannin by gelatin

由圖2可知，在初始階段，明膠對單寧酸的吸附量隨著時(shí)間的延長而增大，在15～18 min之間緩慢達(dá)到平衡。在明膠吸附單寧酸過程中，一般經(jīng)歷兩個(gè)過程：初始階段，在擴(kuò)散作用下明膠快速吸附單寧酸；隨后，因被吸附的單寧酸在明膠表面先要進(jìn)行重排，才能繼續(xù)吸附溶液中的單寧酸，導(dǎo)致第二個(gè)過程的吸附十分緩慢以至趨于平緩。

根據(jù)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果圖見圖3。對于質(zhì)量濃度為900 mg/L的單寧酸模擬溶液，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的R2值大于0.990 0，表明明膠對單寧酸的吸附行為符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

圖3 明膠對單寧酸的吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合圖Fig.3 Linear fi tting of adsorption kinetic equation

2.2.2 吸附等溫線

圖4 明膠對單寧酸的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherm of tannin by gelatin

由圖4可知，明膠平衡吸附量隨著單寧酸溶液平衡質(zhì)量濃度的增大而快速增加，其增大幅度隨著單寧酸溶液平衡質(zhì)量濃度的增加逐漸減小，在高質(zhì)量濃度時(shí)達(dá)到飽和，此時(shí)明膠平衡吸附量基本保持不變。這表明當(dāng)單位明膠分子結(jié)合到一定數(shù)量的單寧酸分子（可以使其沉淀）后，即使反應(yīng)體系中有過量的單寧酸分子，也難于再找到穩(wěn)定的結(jié)合點(diǎn)[23]，此時(shí)明膠吸附量不再增加。

圖5 Langmuir方程的線性擬合Fig.5 Linear fi tting of Langmuir equation

根據(jù)Langmuir吸附模型吸附等溫式，以ρe/qe對ρe作圖，結(jié)果如圖5所示，Langmuir方程線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2值較高（＞0.990 0）。

根據(jù)Freundlich 吸附模型，以lnqe對lnρe作圖，如圖6所示。Freundlich吸附等溫式對明膠吸附單寧酸的適用性一般，其相關(guān)系數(shù)R2（＜0.990 0）小于Langmuir吸附等溫式的相關(guān)系數(shù)。因此明膠對單寧酸的吸附符合Langmuir吸附模型，屬于單分子層吸附。

圖6 Freundlich方程線性擬合Fig.6 Linear fi tting of Freundlich equation

2.3 明膠對藍(lán)莓汁的脫澀實(shí)驗(yàn)

表1 藍(lán)莓汁的理化指標(biāo)（±s，n=3）Table 1 Physico-chemical characteristics of blueberry juice（±s，n=3）

由表1可知，使用明膠脫澀處理后，藍(lán)莓汁的pH值、抗壞血酸含量和可滴定酸含量并沒有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，而可溶性固形物含量、花色苷含量和總糖含量分別減少了18.81%、26.81%和10.37%。單寧酸質(zhì)量濃度由900 mg/L變?yōu)?95 mg/L，此時(shí)明膠對單寧酸吸附量和單寧酸去除率分別為420.8 mg/g和 56.11%，果汁澀味較淡。這表明明膠對單寧酸的吸附效果良好，且少量吸附如可溶性固形物、花色苷等營養(yǎng)成分。

但在藍(lán)莓汁中明膠對單寧酸的吸附量和單寧酸去除率小于單寧酸模擬溶液的明膠吸附量（527.5 mg/g）和單寧酸去除率（70.33%），這可能是因?yàn)樗{(lán)莓汁的pH值和黏度會(huì)影響明膠吸附單寧酸的過程。此外明膠吸附藍(lán)莓汁單寧酸的過程中，明膠還少量吸附了可溶性固形物、花色苷等營養(yǎng)成分，導(dǎo)致明膠提供給單寧酸分子結(jié)合的表面積降低，因此藍(lán)莓汁中明膠對單寧酸的吸附量和單寧酸去除率降低。

3 結(jié) 論

吸附25 mL 900 mg/L的單寧酸模擬溶液，明膠用量分別為0.01～0.11 g，15 ℃振蕩20 min，此時(shí)得出最佳明膠用量為0.03 g，其明膠吸附量為527.5 mg/g，單寧去除率為70.33%。

吸附25 mL 900 mg/L的單寧酸模擬溶液，明膠用量為0.03 g，15 ℃振蕩15～18 min可達(dá)到平衡，吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

吸附25 mL不同質(zhì)量濃度（200～1 200 mg/L）的單寧酸模擬溶液，明膠用量為0.03 g，15 ℃振蕩20 min。其吸附等溫線符合Langmuir吸附方程，為單分子層吸附。

吸附25 mL單寧酸含量為900 mg/L的藍(lán)莓汁，明膠用量0.03 g，15 ℃振蕩20 min，其明膠吸附量為420.8 mg/g，單寧去除率為56.11%。

研究結(jié)果表明，明膠對藍(lán)莓汁的脫澀效果良好，而且對其他營養(yǎng)物質(zhì)的影響較小。但在藍(lán)莓汁中明膠對單寧酸的吸附量和單寧酸去除率小于單寧酸模擬溶液中明膠吸附量和單寧酸去除率，這可能是因?yàn)樗{(lán)莓汁的pH值和黏度會(huì)影響明膠吸附單寧酸，影響機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

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Mechanism of Adsorption of Tannic Acid by Gelatin and Its Application to Astringency Removal of Blueberry Juice

HE Zhongqiu, CHENG Zhiqiang, KANG Lijuan*, YANG Guixia, XU Xiaojuan
(College of Resources and Environment, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

In order to investigate the effect of gelatin dosage on the adsorption of tannic acid, 0.01–0.11 g of gelatin was used to adsorb 25 mL of 900 mg/L tannic acid model solution. The gelatin dosage was optimized for the adsorption capacity of gelatin and the removal rate of tannic acid. The adsorption kinetics and adsorption isotherms of tannic acid by gelatin were explored as well. In addition, the effect of gelatin adsorption on blueberry juice astringency was examined. The results showed the optimal gelatin dosage was 0.03 g, leading to an adsorption capacity of 527.5 mg/g and a removal rate of tannic acid of 70.33%. The adsorption of tannic acid by gelatin was described by pseudo-second order adsorption kinetics; the adsorption isotherm was described by Langmuir adsorption model and it was monolayer adsorption. When 25 mL of blueberry juice containing 900 mg/L tannic acid was shaken at 15 ℃ for 20 min after addition of 3 g of gelatin, the adsorption capacity was 420.8 mg/g and the removal rate of tannic acid was 56.11%.

blueberry juice; gelatin; tannic acid; adsorption

TS255.3

A

1002-6630（2015）01-0104-05

10.7506/spkx1002-6630-201501020

2014-03-17

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140411002XH）；長春市科技計(jì)劃項(xiàng)目（12XN19）

何中秋（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品化學(xué)。E-mail：2485545532@qq.com

*通信作者：康立娟（1961—），女，教授，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品化學(xué)。E-mail：kanglijuan61@126.com