凹凸棒石油脂脫色行為及其機理

周靈群

（1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，江蘇 南京 210008；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

脫色是食用油精煉加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除脫除色素類物質(zhì)，油脂脫色過程也是脫除油中微量金屬、殘留農(nóng)藥、磷、皂、過氧化物等物質(zhì)的關(guān)鍵過程，對后續(xù)的脫臭過程和產(chǎn)品的質(zhì)量保證均具有重要意義[1-2]。

目前，油脂的脫色方法主要有吸附脫色、光能脫色、熱能脫色、酶脫色、超聲輔助脫色和膜脫色等[3-5]。其中，吸附脫色因操作相對簡單、實用性強，是當(dāng)前油脂企業(yè)加工中最常用的油脂脫色方法；而該脫色方法涉及到吸附劑、甘油三酯、色素以及微量金屬等多組元間的繁雜互作；因此選擇合適的吸附劑是保證油脂脫色效果的前提條件。除活性炭外，常用的吸附脫色劑主要有兩類：以蒙脫石為代表的Smectile族黏土礦物和以凹凸棒石為代表的Hormite族黏土礦物[6]。尤其是凹凸棒石，因具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附脫色能力，可用于脫除植物油中色素類物質(zhì)[7-9]。目前國內(nèi)外關(guān)于凹凸棒石的研究相對較少，多數(shù)是以應(yīng)用為目的的研究，主要集中于改性凹凸棒石的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、吸附效果以及脫色條件優(yōu)化，確定凹凸棒石的最佳吸附參數(shù)，并對其吸附特征進行初步解析[10-13]。Tian Guangyan等[8]采用殼聚糖對凹凸棒石進行鍛造改性，可有效改善棕櫚油顏色。Boki等[14]研究發(fā)現(xiàn)，凹凸棒石吸附劑對菜籽油和大豆油中的色素吸附效率高達97%，其脫色效果明顯優(yōu)于其他合成類吸附劑。Min[15]、劉悅[7]等對油脂脫色的過程和機理進行了初步探討，但對于凹凸棒石油脂脫色行為及吸附機制尚未有明確的定論。此外，食用油組分的多元性和脫色過程反應(yīng)的復(fù)雜性致使凹凸棒石對油脂吸附脫色的研究仍停留于初期探索階段，其脫色熱力學(xué)、動力學(xué)特征以及脫色機理仍有待進一步探索。

本實驗基于凹凸棒石吸附劑獨特的物理特性，重點圍繞凹凸棒石脫色過程的熱力學(xué)以及吸附動力學(xué)進行研究，結(jié)合Freundlich熱力學(xué)方程闡釋其油脂脫色的熱力學(xué)特征，建立吸附動力學(xué)模型描述其色素吸附的特征及規(guī)律，結(jié)合凹凸棒石性質(zhì)以解析凹凸棒石油脂吸附脫色的機理，以期為凹凸棒石深度開發(fā)及其應(yīng)用于油脂精煉建立理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

凹凸棒石食品級吸附劑 無錫市歐佰特吸附材料有限公司；實驗用大豆油 東海糧油工業(yè)有限公司；亞油酸（色譜純） 美國Sigma公司；類胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)品 新昌思強生命營養(yǎng)品有限公司；磷脂（純度＞98%） 德固賽生物科技有限公司；葉綠素標(biāo)準(zhǔn)品（油溶性） 上海寧鳳鳴葉綠素有限公司；其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AB204-N型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；JJ-1型電動攪拌器、HH-4型恒溫數(shù)顯水浴鍋 金壇市榮華儀器制造有限公司；循環(huán)水真空泵 上海申生科技有限公司；數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱上海躍進醫(yī)療器械廠；SDT Q600差示掃描量熱-熱重分析（differential scanning calorimeter-thermogravimetric analysis，DSC-TGA）儀 美國TA公司；D8S AXS型X射線衍射儀 德國Bruker公司；UV2000型紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸附熱力學(xué)實驗

添加0.50%～6.00%（油質(zhì)量）凹凸棒石吸附劑于大豆油中，250 r/min轉(zhuǎn)速條件下混合均勻，并置于不同溫度（80、95、110 ℃）條件下脫色40 min。脫色結(jié)束后，取出反應(yīng)物進行過濾即得脫色大豆油，并于475 nm波長處測定其吸光度，其中每個樣品至少重復(fù)3 次。根據(jù)稀溶液理論計算實際吸附量，并將單位吸附劑上的色素吸附量（X/m）作為縱坐標(biāo)軸，平衡時剩余色素物質(zhì)的相對含量（Xe）作為橫坐標(biāo)軸繪制曲線，即為凹凸棒石的吸附等溫線，確立油脂脫色等溫方程并計算K值和N值[16]，如式（1）～（3）所示。

式中：A0是脫色前植物油的吸光度；At是t時平衡吸光度；m是吸附劑質(zhì)量/g；K值是溶質(zhì)的吸附容量因子，間接體現(xiàn)吸附劑活性或脫色能力；N值代表吸附強度系數(shù)。

1.3.2 獨立吸附動力學(xué)模型的建立

考慮到正己烷對微量組分的高溶解性和低破壞性，本實驗選用正己烷純?nèi)軇w系考察凹凸棒石吸附劑對各種微量成分的吸附影響。具體操作如下：向含有微量成分（葉綠素、類胡蘿卜素、磷脂或亞油酸）的正己烷溶液中分別加入精確稱量的凹凸棒石吸附劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%），分別在溫度20、40、60 ℃下磁力攪拌（轉(zhuǎn)速為250 r/min）一定時間（20 s～120 min）。脫色結(jié)束后，對溶液進行冷卻、抽濾并收集反應(yīng)液，考察脫色溫度和時間對正己烷體系中葉綠素、類胡蘿卜素、磷脂或亞油酸含量的影響。脫色t時凹凸棒石對微量成分的相對吸附量表示為γ，按式（4）計算。

式中：ρA0表示開始時液相中色素類物質(zhì)的初始質(zhì)量濃度/（mg/L）；ρA表示脫色t時液相中色素類物質(zhì)的質(zhì)量濃度/（mg/L）。

Bangham速率方程如式（5）所示。

式中：γ為t時刻相對吸附量；k為吸附速率常數(shù)；m為常數(shù)。

1.3.3 大豆油體系中吸附動力學(xué)實驗

將1%（油質(zhì)量）凹凸棒石吸附劑加入大豆油中，混合均勻，于250 r/min磁力攪拌，并在溫度110 ℃下反應(yīng)20 s～120 min，考察脫色時間對大豆油體系中葉綠素、類胡蘿卜素、磷脂和游離脂肪酸含量的影響。

1.3.4 葉綠素含量測定

參照AOCS Off i cial Method Cc 13d-55方法測定葉綠素含量。

1.3.5 類胡蘿卜素含量測定

參照GB/T 12291ü1990《水果、蔬菜汁 類胡蘿卜素全量的測定》測定正己烷體系和大豆油體系中的類胡蘿卜素含量，并按式（6）[17]進行計算。

式中：X是類胡蘿卜素含量/（mg/1 000 g）；y是所用提取液的使用量/mL；A是吸光度；是胡蘿卜素分子平均吸收系數(shù)（2 500）；m是分析樣品的質(zhì)量/g。

1.3.6 磷脂含量測定

參照AOCS Official Method Cc 12-55方法測定磷脂含量。

1.3.7 游離脂肪酸含量測定

參照AOCS Official Method Ca 5a-40方法測定游離脂肪酸含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 凹凸棒石吸附劑的基本特性

圖1 凹凸棒石吸附劑的顯微結(jié)構(gòu)（A）和孔徑分布（B）[23]Fig.1 Scanning electron micrograph (A) and pore size distribution (B)of attapulgite[23]

凹凸棒石是一種晶質(zhì)水合鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，具有特殊的礦物形態(tài)和針狀、纖維狀或纖維集合狀的晶體結(jié)構(gòu)[18-20]。由凹凸棒石的掃描電子顯微鏡圖1A可知，該吸附劑由大小各異、形狀不規(guī)則的纖維晶體構(gòu)成，主要存在形式是短晶束和單晶體。此外，凹凸棒石的結(jié)構(gòu)較為疏松，纖維狀晶體堆積且排列雜亂，中間夾雜著大量的孔隙，且孔徑大小不一。而由凹凸棒石吸附劑的孔徑分布圖1B可知，其孔徑大小為0.5～20.0 nm，主要集中于1.5～10.0 nm的范圍?？讖酱笮∈菦Q定非金屬礦類吸附劑吸附效果的重要條件，而孔徑為2.5～10.0 nm的孔道是吸附色素類物質(zhì)的主要孔道區(qū)[21-23]。由此可見，凹凸棒石吸附劑孔徑完全滿足色素吸附的要求，表明該吸附劑孔徑分布合理，具有良好的油脂脫色潛能。

2.2 凹凸棒石的脫色熱力學(xué)分析

圖2 凹凸棒石對大豆油中色素類物質(zhì)的吸附熱力學(xué)曲線Fig.2 Adsorption isotherms of attapulgite towards soybean oil pigments

從圖2可以看出，在相同的脫色溫度下，凹凸棒石的熱力學(xué)吸附等溫線形狀符合“L型”等溫線，前半段呈先上升趨勢，吸附量逐漸增加，吸附飽和時達到頂點，而后半段的等溫線逐漸向橫坐標(biāo)軸傾斜，吸附量趨于平緩。此外，凹凸棒石的色素吸附能力隨溫度升高而呈逐漸增強趨勢，這可能是由于高溫激活吸附劑的活性位點，促進其化學(xué)性吸附而提升其油脂脫色能力[1,24]。總體來看，溫度的差異并沒有改變等溫吸附曲線的形狀，間接表明脫色溫度及其引導(dǎo)的相關(guān)變化不足以闡釋凹凸棒石的色素吸附模式，仍需進行吸附行為學(xué)的研究。

圖3 不同溫度下凹凸棒石吸附色素類物質(zhì)的Freundlich熱力學(xué)吸附方程線性圖Fig.3 Linear fi tting with Freundlich equation of attapulgite adsorption towards soybean oil pigments at different temperatures

表1 不同溫度下凹凸棒石的Freundlich熱力學(xué)吸附方程與相關(guān)參數(shù)Table1 Freundlich equation and its parameters at different temperatures

圖3是80、95、110 ℃ 3 種脫色溫度條件下凹凸棒石吸附色素的Freundlich熱力學(xué)方程線性圖，并對各個數(shù)據(jù)點進行線性擬合得到相關(guān)性較好的凹凸棒石油脂脫色體系Freundlich方程，結(jié)果見表1。在相同的吸附參數(shù)下，因脫色溫度不同而得的Freundlich方程的K和N值的大小關(guān)系為：K（110 ℃）＞K（80 ℃）＞K（95 ℃），N（110 ℃）＞N（80 ℃）＞N（95 ℃）。在脫色溫度110 ℃時，所得Freundlich方程的K值和N值均為最大值，這可能是高溫導(dǎo)致以氫鍵為主的吸附增強以及部分化學(xué)吸附的發(fā)生所致[25]。而溫度從80 ℃升高至110 ℃的吸附過程中，物理吸附依然處于主導(dǎo)地位，但凹凸棒石吸附劑中更多的活性點被活化，從而加速了化學(xué)性吸附，可能主要表現(xiàn)為熵趨動的過程[26-27]。

2.3 凹凸棒石的吸附動力學(xué)分析

2.3.1 正己烷體系中凹凸棒石的吸附動力學(xué)分析

圖4 不同脫色溫度下的凹凸棒石吸附動力學(xué)曲線Fig.4 Adsorption kinetic curves of attapulgite towards chlorophyll at different temperatures

表2 正己烷體系中凹凸棒石對葉綠素和磷脂的吸附動力學(xué)模型參數(shù)Table2 Kinetic model parameters for adsorption of chlorophyll and phosphatide onto attapulgite in hexane

因為油脂脫色體系涉及多組元，且影響色素吸附和油品質(zhì)的因素復(fù)雜，所以本研究建立了正己烷純?nèi)芤后w系模型用于深入研究凹凸棒石對葉綠素、類胡蘿卜素、磷脂和亞油酸的吸附動力學(xué)行為。由圖4A可知，凹凸棒石在1 min內(nèi)迅速吸附正己烷溶液中葉綠素，之后吸附趨于平緩。采用Bangham方程對實驗數(shù)據(jù)進行一元線性回歸，描述吸附過程中葉綠素的瞬間吸附量與時間的關(guān)系（表2）。在溫度20 ℃和40 ℃時，兩者的吸附動力學(xué)曲線幾乎重合且Bangham速率方程中k值相近，表明在此溫度范圍內(nèi)，該吸附劑對葉綠素的吸附速率差異不顯著；而當(dāng)脫色溫度為60 ℃時，吸附動力學(xué)曲線及k值均下降，葉綠素的吸附速率減緩，具體表現(xiàn)為平衡吸附量低于低溫時的平衡吸附量。究其原因，可能是溫度的升高使正己烷體系中凹凸棒石和色素之間發(fā)生解析現(xiàn)象，導(dǎo)致葉綠素吸附量下降。

除主色素——葉綠素外，本實驗還對正己烷純體系中的類胡蘿卜素吸附效率進行了評價（圖4B）?？傮w而言，凹凸棒石對類胡蘿卜素的吸附可分為3 個階段：1）0～10 min為相對緩慢的初期吸附誘導(dǎo)階段；2）10～40 min為較快速脫色的中間階段；3）40 min之后為含量為常數(shù)的最終階段。早期的類胡蘿卜素吸附量近似于零，尤其是溫度為20 ℃時最為明顯，隨后進入高吸附速率的中間期。一般而言，單純的外表面吸附過程相對較為迅速，而類胡蘿卜素在不同溫度條件下需要30～40 min才能達到吸附平衡。該現(xiàn)象表明類胡蘿卜素不單發(fā)生外表面吸附，同時存在內(nèi)表面吸附和孔內(nèi)吸附的過程。擬合數(shù)據(jù)并采用準(zhǔn)一級Bangham速率方程描述其吸附過程，然而最大吸附量實驗值和理論值間誤差大，說明準(zhǔn)一級速率方程無法真實描述凹凸棒石吸附類胡蘿卜素的行為[28]。

由圖4C可見，凹凸棒石迅速吸附正己烷溶液中磷脂并在2 min左右達到吸附平衡。擬合各數(shù)據(jù)點獲得凹凸棒石吸附磷脂的Bangham速率方程，模型擬合度高（R2＞93%）。從表2可以看出，k值與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨溫度升高，凹凸棒石對正己烷體系中的磷脂吸附速率減小，磷脂的平衡吸附量顯著降低。這可能是因為高溫降低正己烷純?nèi)芤后w系中磷脂的物理性吸附，致使吸附劑與吸附質(zhì)間的范德華力下降，從而降低磷脂吸附的飽和度。

不同脫色溫度下正己烷體系中亞油酸的吸附動力學(xué)曲線如圖4D所示。與葉綠素的吸附曲線相似，凹凸棒石快速吸附正己烷體系中亞油酸，并在2 min左右達到吸附飽和或近飽和階段。2 min后的亞油酸吸附量處于相對穩(wěn)定階段，其吸附量雖有所改變，但改變幅度不明顯。溫度對亞油酸的吸附作用明顯，隨溫度升高，其在凹凸棒石上的吸附速度提高且平衡吸附量增加，這表明高溫促進凹凸棒石吸附亞油酸。

2.3.2 正己烷和大豆油體系中凹凸棒石的吸附動力學(xué)比較分析

圖5 正己烷體系（A）和大豆油體系（B）中微量成分吸附動力學(xué)曲線Fig.5 Adsorption kinetic curves of minor components onto attapulgite in hexane (A) and soybean oil (B)

從圖5A中可以看出，當(dāng)脫色溫度固定為60 ℃時，凹凸棒石對正己烷體系中微量成分的吸附可分為兩個主要階段：快速吸附階段和慢速吸附階段。在快速吸附階段，葉綠素、磷脂、亞油酸的初始吸附速度較高，在2 min內(nèi)達到平衡吸附量，其中葉綠素的吸附速率最大。不同于其他3 種微量組分，凹凸棒石對類胡蘿卜素的吸附效率明顯變?nèi)?，反?yīng)進行40 min后才接近或達到吸附飽和狀態(tài)。根據(jù)凹凸棒石對各微量組分的吸附速率排序：葉綠素＞亞油酸＞磷脂＞類胡蘿卜素。

圖5B是凹凸棒石對大豆油體系中微量成分的吸附動力學(xué)曲線。熱力學(xué)實驗表明110 ℃脫色效果最佳，因此大豆油中凹凸棒石的吸附動力學(xué)實驗溫度為110 ℃。與正己烷體系的脫色溫度相比，大豆油體系中的高溫導(dǎo)致凹凸棒石吸附微量組分的平衡時間延長，其中葉綠素、磷脂和游離脂肪酸吸附平衡時間延長了10～20 min。根據(jù)吸附速率排序如下：葉綠素＞類胡蘿卜素＞游離脂肪酸＞磷脂。對比大豆油中的兩種主色素可知，凹凸棒石對葉綠素的起始吸附效率明顯優(yōu)于其對類胡蘿卜素的吸附速率，該脫色劑的吸附行為與Pohndorf[25]和Ribeiro[29]等的研究結(jié)果相類似。

比較正己烷和大豆油體系，發(fā)現(xiàn)兩種體系中凹凸棒石對葉綠素的吸附速率最高，而其他3 種組分的吸附速率各有差別。分析原因，主要有以下3 點：1）正己烷溶液和大豆油極性的差異，在不同的溶劑相中的凹凸棒石選擇性吸附進而展現(xiàn)出不同的吸附性能[12]；2）吸附操作溫度的差異，大豆油體系的脫色溫度為110 ℃，而考慮到正己烷的低沸點特性，其吸附操作溫度為60 ℃；3）大豆油體系是多種組分共存的復(fù)雜體系，組分間存在一定的競爭性吸附。

2.4 凹凸棒石的油脂脫色吸附機理

圖6 凹凸棒石吸附劑的差示掃描量熱-熱重分析曲線（A）和X射線衍射圖（B）Fig.6 Differential scanning calorimeter-thermogravimetric analysis prof i les (A) and X-ray diffraction patterns (B) of attapulgite

凹凸棒石吸附劑隨溫度的升高出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失現(xiàn)象，在50～150 ℃范圍內(nèi)，質(zhì)量損失3.21%，出現(xiàn)熱吸收峰，此過程可能是高溫致使凹凸棒土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的羥基發(fā)生部分解離或破壞，但其基本晶形結(jié)構(gòu)仍較為完整（圖6）。而大豆油中的葉綠素和類胡蘿卜素則是良好的電子供體和受體，與高溫下的凹凸棒石以氫鍵的形式相結(jié)合，從而達到氫鍵吸附色素的目的。

此外，根據(jù)上述脫色熱力學(xué)結(jié)果可知，凹凸棒石油脂吸附主要依賴于色素孔道吸附，并包括部分氫鍵吸附和化學(xué)性吸附。據(jù)報道，大豆油中兩種主體色素——葉綠素和類胡蘿卜素的最佳吸收孔徑范圍分別是6.0～7.5 nm和3.5～15.5 nm[30]。而凹凸棒石具有孔徑與比表面積大的特點，因此推斷兩種色素可部分或全部進入孔徑為2～20 nm的孔道（圖7）。結(jié)合吸附動力學(xué)曲線，葉綠素和類胡蘿卜素在凹凸棒石上吸附達到平衡的時間并未隨溫度的升高而縮短，反而吸附飽和所需的時間延長，這說明高溫引起的化學(xué)吸附并未占據(jù)吸附主導(dǎo)地位。在大豆油脫色體系中，凹凸棒石對葉綠素和類胡蘿卜素的吸附速率最高，表明在吸附過程中除色素孔道吸附外，同時伴隨著化學(xué)性吸附的發(fā)生。

綜上所述，凹凸棒石的孔徑可以完全滿足對主體色素（類胡蘿卜素和葉綠素）的孔道填充吸附，大范圍的孔道分布和豐富的孔道數(shù)量推動了其脫色大豆油的進程與效果。凹凸棒石油脂吸附脫色的機理主要表現(xiàn)為孔道填充吸附，高溫時可能伴隨化學(xué)吸附的發(fā)生，其中典型的是類胡蘿卜素的吸附過程，涉及到部分氫鍵吸附。

圖7 凹凸棒石吸附色素的孔道內(nèi)填充示意圖Fig.7 Schematic representation of pigment adsorption into attapulgite pores and channels

3 結(jié) 論

本研究以凹凸棒石為油脂脫色的吸附劑，基于其比表面積大、孔徑分布幅度廣等優(yōu)點，重點對其吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)進行分析，描述凹凸棒石吸附劑的色素吸附特征與規(guī)律，進而探討凹凸棒石的吸附脫色機理。主要結(jié)論如下：

凹凸棒石吸附劑主晶型是短晶束和單晶體，其孔徑分布集中于1.5～10.0 nm的范圍內(nèi)，可用于油脂精煉過程。

脫色熱力學(xué)分析表明，凹凸棒石的熱力學(xué)吸附等溫曲線符合“L型”等溫線，其色素吸附能力隨脫色溫度升高而增強，但溫度的差異并沒有改變其對色素類物質(zhì)的作用模式。

吸附動力學(xué)分析表明，葉綠素、類胡蘿卜素等微量成分在凹凸棒石上的吸附過程可劃分為：快速吸附階段和慢速吸附階段。在單組分獨立吸附動力學(xué)模型中，葉綠素的吸附速率＞亞油酸的吸附速率＞磷脂的吸附速率＞類胡蘿卜素的吸附速率；在大豆油復(fù)雜體系中，葉綠素的吸附速率＞類胡蘿卜素的吸附速率＞游離脂肪酸的吸附速率＞磷脂的吸附速率。此外，溫度的升高延長了微量成分在凹凸棒石上達到吸附飽和所需的時間。

凹凸棒石的吸附模式主要是孔徑填充吸附，而其對類胡蘿卜素的吸附伴隨有部分氫鍵吸附和化學(xué)吸附。