殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附性能研究

鄧起東，唐婷范，田玉紅，周友全

（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006）

在制糖過程中，各種含氮物的成分及含量可作為判斷原料及糖品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。一般說來，氨基酸是生物體的必需成分和人體的重要營(yíng)養(yǎng)素?？稍诂F(xiàn)用的制糖方法中，蔗汁中的氨基酸卻是多種不良影響的“有害氮”的主要成分。據(jù)克拉克[1]分析，甘蔗汁主要的氨基酸成分中天冬酰胺約占0.7%，含量最高。劉慧霞等[2]對(duì)廣西的兩種主要甘蔗品種中的氨基酸成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天冬氨酸等11種主要氨基酸的含量在10 mg/L～100 mg/L。蔗汁中的蛋白質(zhì)、氨基酸、酰胺及其它含氮物質(zhì)在制糖過程中可產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，與還原糖或羥基作用生成擬黑色素，尤其是氨基酸存在時(shí)會(huì)大大加速還原糖分解產(chǎn)生大量此類色素，是制糖過程中物料色澤變深和pH值下降的主要原因，可使糖汁脫色困難最終產(chǎn)品色值增加，并會(huì)使糖膏體積膨脹和廢蜜升溫甚至焦化，對(duì)蔗糖的品質(zhì)影響極大。如果能減少蔗汁中氨基酸的含量，可降低美拉德反應(yīng)的機(jī)率，從而可以降低糖品色值[3]。目前，殼聚糖作為吸附劑在制糖行業(yè)方面得到很好的應(yīng)用[4-5]，但關(guān)于殼聚糖對(duì)氨基酸的吸附性能的研究較少[6-7]。本文采用殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，填補(bǔ)蔗汁澄清工藝基礎(chǔ)研究的空白，對(duì)蔗汁澄清工藝的新技術(shù)開發(fā)具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖（脫乙酰度86.6%）：上海市卡博工貿(mào)有限公司；L-天冬酰胺（純度不低于99.0%，USP Grade）：生工生物工程（上海）股份有限公司；茚三酮（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純）：廣東臺(tái)山粵僑試劑塑料有限公司；磷酸二氫鉀（分析純）：西隴化工股份有限公司；無水乙醇（分析純）：成都市科龍化工試劑廠。

722S型可見分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器、SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SHZ-82A型數(shù)顯恒溫振蕩器：常州國(guó)華電器有限公司；TDL-80-2B型低速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；FA2004N型電子分析天平：上海菁海儀器有限公司；JJ500型電子天平：常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；101-1A型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏設(shè)備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 天冬酰胺的分析檢測(cè)方法

準(zhǔn)確配制0.5 mg/mL天冬酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別吸取 0、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL 于 6 個(gè) 10 mL 的容量瓶中，加入蒸餾水稀釋至刻度。再分別精確量取1.0 mL于6只棕色試管中，加磷酸鹽緩沖液1.0 mL，顯色劑2.0 mL，加入蒸餾水定容至刻度，搖勻，置于沸水浴中顯色25 min，冷卻5 min。以相應(yīng)溶劑作空白，用可見分光光度計(jì)在λ=580 nm處測(cè)定其吸光度。根據(jù)朗伯-比爾定律，分別以測(cè)定的吸光度為Y坐標(biāo)，天冬酰胺的濃度為X坐標(biāo)，繪制出天冬酰胺溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸方程得：Y=34.9X-0.171 6（R2=0.998 5）[8]。

1.2.2 殼聚糖的處理制備

用電子天平稱?。?0.00±0.05）g殼聚糖于500 mL燒杯中，加入200 mL蒸餾水使其混合均勻后，讓其在室溫下浸泡24 h，然后將其進(jìn)行抽濾，即得到試驗(yàn)所用殼聚糖[9]。

1.2.3 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)研究

準(zhǔn)確稱取 （0.050 0±0.000 5）、（0.100 0±0.000 5）、（0.150 0±0.000 5）g的天冬酰胺固體，分別用蒸餾水溶解并定容至1000mL的容量瓶中得到50、100、150mg/L的天冬酰胺溶液。然后，各量取100 mL天冬酰胺溶液置于一系列250 mL的具塞錐形瓶中。在加入0.15 g殼聚糖后開始計(jì)時(shí)，于30℃、振蕩頻率為120 r/min下分別 振 蕩 10、20、30、50、70、90、100、120、150、180、200、250 min。振蕩結(jié)束，取出15 mL溶液離心10 min，取上清液稀釋至適當(dāng)濃度。按1.2.1項(xiàng)下方法測(cè)定天冬酰胺被吸附后溶液的吸光度值，并計(jì)算其吸附量[10-11]。

計(jì)算吸附量的公式為[12]：

式（1）中：qe為天冬酰胺的飽和吸附量，mg/g；C0為天冬酰胺溶液吸附前的質(zhì)量濃度，mg/L；C為天冬酰胺溶液吸附后的質(zhì)量濃度，mg/L；V為天冬酰胺溶液的體積，L；m 為殼聚糖的質(zhì)量，g。

1.2.4 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附等溫線研究

分別配制 100、150、200、250、300、400、500、600、800、1 000、1 200、1 500 mg/L 濃度的天冬酰胺溶液，然后各量取100 mL天冬酰胺溶液置于一系列250 mL的具塞錐形瓶中。在加入0.15 g殼聚糖后開始計(jì)時(shí)，于30℃、振蕩頻率為120 r/min下分別振蕩120 min。振蕩結(jié)束，取出15 mL溶液離心10 min，取上清液稀釋至適當(dāng)濃度。按1.2.1項(xiàng)下方法測(cè)定天冬酰胺被吸附后溶液的吸光度值，并計(jì)算其吸附量[10-11]。

1.2.5 吸附模型

1.2.5.1 動(dòng)力學(xué)吸附模型

分別采用粒內(nèi)擴(kuò)散模型、準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

粒內(nèi)擴(kuò)散方程為[13-15]：

式（2）中：qt為t時(shí)刻殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量，mg/g；kp為粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg/（g·min0.5）；t為吸附時(shí)間，min。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為[14-16]：

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為[15-17]：

式（3）和式（4）中：qe為平衡時(shí)刻殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量，mg/g；qt為t時(shí)刻殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)的吸附速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的吸附速率常數(shù)，g/（mg·min）。

1.2.5.2 等溫吸附模型

為了研究天冬酰胺溶液的平衡質(zhì)量濃度與吸附量之間的關(guān)系以及殼聚糖對(duì)天冬酰胺的最大吸附量，采用Langmuir等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程來擬合吸附過程。

Langmuir模型也稱之為單分子層吸附模型，只能適用于描述單分子層、均勻表面的吸附情況。Langmuir等溫方程式為[18-19]：

式（5）中：Ce為平衡時(shí)刻溶液中天冬酰胺的濃度，mg/L；qe為平衡時(shí)刻殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量，mg/g；b 為飽和吸附量，mg/g；kL為 Langmuir常數(shù)，L/mg。

Freundlich模型是用于描述吸附質(zhì)在能量分布不均一的吸附劑表面的吸附現(xiàn)象，不但能描述單分子層吸附，還能描述多分子層吸附。Freundlich等溫方程式為[20-21]：

式（6）中：Ce為平衡時(shí)刻溶液中天冬酰胺的濃度，mg/L；qe為平衡時(shí)刻殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量，mg/g；kF，n 為 Freundlich 常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)研究

為了探討吸附時(shí)間對(duì)殼聚糖吸附天冬酰胺的影響。按照試驗(yàn)方法1.2.3，在溫度30℃，天冬酰胺的濃度分別為50、100、150 mg/L的條件下，對(duì)水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺吸附作用進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，得到其動(dòng)力學(xué)曲線見圖1。

由圖1可知，在吸附初始階段，殼聚糖在水溶液中對(duì)天冬酰胺的吸附量隨時(shí)間的增加而增加，吸附速度較快；當(dāng)時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)，吸附達(dá)到平衡狀態(tài)，吸附速度趨漸平緩，此后隨著時(shí)間的增加，殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量基本不再變化。由此可知，殼聚糖在水溶液中對(duì)天冬酰胺的吸附平衡時(shí)間為120 min。

按照試驗(yàn)方法1.2.5.1，采用粒內(nèi)擴(kuò)散模型、準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型分別對(duì)水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖2～圖4和表1。

圖1 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.1 Adsorption kinetic curves of asparagine by chitosan

圖2 殼聚糖對(duì)天冬酰胺吸附動(dòng)力學(xué)的粒內(nèi)擴(kuò)散方程擬合結(jié)果Fig.2 Intraparticle diffusion equation of asparagine by chitosan

圖3 殼聚糖吸附天冬酰胺的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果Fig.3 Pseudo-first-order reaction equation of asparagine by chitosan

圖4 殼聚糖吸附天冬酰胺的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果Fig.4 Pseudo-second-order reaction equation of asparagine by chitosan

表1 殼聚糖吸附天冬酰胺的動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 1 Adsorption kinetics constant of asparagine by chitosan

由圖2～圖4和表1中的擬合參數(shù)可知，在50、100、150 mg/L 3個(gè)試驗(yàn)濃度條件下，通過試驗(yàn)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行粒內(nèi)擴(kuò)散模型（R2值在 0.815 0～0.854 0）、準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2值在0.870 7～0.877 4）的擬合結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其線性相關(guān)性一般；采用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果的R2值在0.985 7～0.993 2，線性相關(guān)性較好，由此可以說明采用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能更好地描述殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附過程。

在試驗(yàn)條件下，當(dāng)天冬酰胺的初始濃度分別為50、100、150 mg/L時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程分別為：t/qt=0.133 4t+5.541 9、t/qt=0.043 5t+1.550 9、t/qt=0.029 6t+0.856 6。由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附速率常數(shù)分別為0.003 211、0.001 220、0.001 023 g/（mg·min），理論吸附量分別為 7.496 3、22.988 5、33.783 8 mg/g，與試驗(yàn)值 6.108 9、19.235 9、28.825 2 mg/g相近。

2.2 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附等溫線研究

為了探討不同天冬酰胺濃度對(duì)殼聚糖吸附天冬酰胺的影響。按照試驗(yàn)方法1.2.4，在溫度30℃，吸附時(shí)間120 min，天冬酰胺初始濃度為100 mg/L～1 500 mg/L的條件下，對(duì)水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺吸附作用進(jìn)行等溫線研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其吸附等溫線見圖5。

圖5 殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附等溫線Fig.5 Adsorption isotherm of asparagine by chitosan

由圖5可知，當(dāng)天冬酰胺濃度較低時(shí)，殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量隨著平衡濃度的升高而迅速增大，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，吸附量增加較大較明顯；當(dāng)天冬酰胺的平衡濃度大于300 mg/L時(shí)，吸附量的增加量逐漸變??；當(dāng)天冬酰胺的平衡濃度達(dá)到600 mg/L時(shí)，殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附量達(dá)到飽和，基本維持在76.179 6 mg/g左右。此后，繼續(xù)增加天冬酰胺溶液的濃度，吸附量基本不再變化。

按照試驗(yàn)方法1.2.5.2，分別用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程對(duì)水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖6～圖7和表2。

圖6 殼聚糖吸附天冬酰胺的Langmuir等溫方程線性擬合結(jié)果Fig.6 Linear fit of Langmuir isotherm equation of asparagine by chitosan

圖7 殼聚糖吸附天冬酰胺的Freundlich等溫方程線性擬合Fig.7 Linear fit of Freundlich isotherm equation of asparagine by chitosan

由表2可知，采用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程進(jìn)行結(jié)果擬合的R2值分別為0.978 8和0.7980，吸附方程分別為Ce/qe=0.011 4 Ce+1.768 4、lnqe=1.454 5+0.435 0 lnCe。通過比較，Langmuir等溫吸附方程的相關(guān)系數(shù)比Freundlich等溫吸附方程更接近于1。由此說明，殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附更符合Langmuir等溫吸附模型。根據(jù)Langmuir等溫吸附模型的假定，認(rèn)為在水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附呈單分子層吸附，飽和吸附量為87.72 mg/g。

表2 殼聚糖吸附天冬酰胺的等溫線擬合結(jié)果Table 2 Isothermal parameters for adsorption of asparagine by chitosan

3 結(jié)論

在水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，采用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2的范圍為0.985 7～0.993 2。在天冬酰胺的初始質(zhì)量濃度分別為50、100、150 mg/L時(shí)，殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附平衡時(shí)間為120 min，吸附速率常數(shù)k值分別為0.003 211、0.001 220、0.001 023 g/（mg·min），其動(dòng)力學(xué)方程分別為：t/qt=0.133 4t+5.541 9、t/qt=0.043 5t+1.550 9、t/qt=0.029 6t+0.856 6。其理論吸附量分別為 7.496 3、22.988 5、33.783 8 mg/g，與試驗(yàn)值6.108 9、19.235 9、28.825 2 mg/g較為接近。在水溶液中殼聚糖對(duì)天冬酰胺的吸附呈單分子層吸附，符合Langmuir等溫吸附模型。其線性相關(guān)系數(shù)R2值為0.978 8，吸附方程和最大飽和吸附量分別為：Ce/qe=0.011 4 Ce+1.768 4和 87.72 mg/g。

蔗汁中的氨基酸及其它含氮物質(zhì)，在制糖過程中可產(chǎn)生各種化學(xué)反應(yīng)生成高分子的深色物質(zhì)，對(duì)糖品質(zhì)影響極大。本試驗(yàn)采用殼聚糖對(duì)小分子氨基酸類物質(zhì)天冬酰胺的吸附能力進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明殼聚糖對(duì)天冬酰胺具有一定的吸附能力，對(duì)蔗汁澄清工藝的新技術(shù)開發(fā)具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。