L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732树脂上的吸附行为研究

2010-09-12郑红王中来

食品研究与开发 2010年7期

关键词：单组分双组分苯丙氨酸

郑红，王中来

（福州大学生物科学与工程学院,福建福州350002）

L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732树脂上的吸附行为研究

郑红，王中来*

（福州大学生物科学与工程学院,福建福州350002）

研究L-色氨酸和L-苯丙氨酸在732树脂上的吸附平衡。探讨NaCl浓度对L-色氨酸和L-苯丙氨酸单组分平衡吸附量的影响，同时测定L-色氨酸和L-苯丙氨酸双组分竞争吸附动力学曲线。分别采用扩展Freundlich模型和LCA模型拟合了双组分吸附平衡数据，其中单组分吸附平衡数据采用Freundlich和Langmuir模型拟合。结果表明，扩展Freundlich模型拟合L-色氨酸和L-苯丙氨酸的平均误差分别为3.74%和3.85%，优于LCA模型。双组分竞争吸附动力学试验表明，L-色氨酸为强吸附组分。

L-色氨酸；L-苯丙氨酸；吸附平衡；双组分

Abstract：The adsorption equilibrium was investigated for L-tryptophan,L-phenylalanine,and their binary amino acid mixtures on 732 cation-exchange resins in a constant-temperature bath.The effects of NaCl concentration on the amount of adsorption of L-tryptophan or L-phenylalanine was studied.The competitive adsorption kinetic curves of the binary amino acid mixtures were determined.The single component adsorption equilibrium was represented with the Freundlich and the Langmuir isotherms,respectively.The extension of the Freundlich isotherm and the Langmuir Competitive Adsorption（LCA）model were used to represent the adsorption equilibrium of binary amino acid mixtures.The results shows that the extension of the Freundlich isotherm was more suitable to represent the adsorption equilibrium for the binary amino acid mixtures than the LCA model.The L-tryptophan dominated the competitive binding,during the competitive adsorption process of binary amino acid mixtures.

Key words:L-tryptophan；L-phenylalanine；adsorption equilibrium；two-component

L-色氨酸（L-Trp）是人和动物生命活动中8种必需氨基酸之一，广泛应用于医药、食品和饲料添加领域。色氨酸发酵液中含有多种氨基酸，包括L-苯丙氨酸（L-Phe）和 L-酪氨酸（L-Tyr）。马正飞等[1]和 Maria等[2]分别研究了L-Phe和L-Tyr在活性炭上的单组分与双组分吸附平衡并对吸附平衡数据进行拟合。吴艳等[3]研究了碱性氨基酸离子交换平衡特性。Annesini等[4]研究了含血清白蛋白的溶液中L-Trp在活性炭上的吸附平衡。项灵芝等[5]研究了不同的温度、葡萄糖浓度和氯化钠浓度下，L-Trp在732树脂上的吸附特性，但未对其吸附平衡过程展开具体研究。刘静霞等[6-7]研究了酸性条件下L-Phe和L-Tyr在732型阳离子交换树脂上的单组分与双组分吸附平衡并对吸附平衡数据进行拟合，但未对其所研究的平衡浓度范围内的所有平衡吸附量进行预测，只应用拟合公式计算了试验过程对应的几个的平衡吸附量，此外，其通过双组分吸附平衡的研究，得出L-Phe为强吸附质是不正确的。武彩莲[8]和梅丛笑[9]分别对L-Trp发酵液中L-Trp的吸附、洗脱、脱色及结晶条件的优化进行了研究。有关L-Trp和L-Phe在732型阳离子交换树脂（简称732树脂）上的双组分吸附平衡及动力学过程，迄今鲜见报道。

本文研究了L-Trp和L-Phe在732树脂上吸附行为,探讨了NaCl浓度对L-Trp和L-Phe单组分平衡吸附量的影响,同时测定了L-Trp和L-Phe双组分竞争吸附动力学曲线。分别应用Langmuir竞争吸附（简称为LCA）和扩展的Freundlich模型拟合双组分吸附平衡数据（其中单组分吸附平衡数据采用Freundlich和Langmuir模型拟合）,并用拟合得到的方程预测试验研究的平衡浓度范围内的所有平衡吸附量。为双组分吸附动力学模型的建立与求解、为提取发酵液或发酵废液中的L-Trp及其他中性氨基酸的工业吸附器的设计提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器设备

732型阳离子交换树脂：上海化学试剂有限公司；L-色氨酸：日本进口分装；L-苯丙氨酸、氢氧化钠：分析纯，国药集团上海化学试剂公司；盐酸：分析纯，上海联试化工试剂有限公司；UV-1900型分光光度计：HITACHI；CHA-S恒温振荡器：常州国华电器有限公司；离子交换柱（Φ14×180）：福州化玻科教仪器有限公司；pH 计：ORIN，Orion Research,Inc。

1.2 方法

1.2.1 树脂预处理

先用蒸馏水冲洗732树脂以除去杂质，用2 mol/L的HCl和NaOH溶液反复浸泡3次，再用2 mol/L的HCl转成H+型，用去离子水洗至中性，在60℃烘箱内烘6 h后置磨口瓶中保存备用。

1.2.2 分析方法

单组分吸附时,分别在278 nm和257 nm下测LTrp和L-Phe的吸光度值，然后标准曲线计算L-Trp和L-Phe的浓度。双组分吸附系统中，分别在250、257、260、265、270、275、280 nm 下测定混合组分的吸光度值，然后进行多元线性回归求解，即可得到各组分的含量[10]。

1.2.3 NaCl浓度对L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影响

用相应浓度的 NaCl溶液（pH=6.5）分别配置10 mmol/L的L-Trp和L-Phe溶液，取50 mL已配置的溶液，加入0.5 g预处理过的树脂于30℃的恒温振荡器上振荡，5 h以后取出。分别在278 nm和257 nm下测定L-Trp和L-Phe的吸光度，用标准曲线计算出平衡浓度，进而算出平衡吸附量。

1.2.4 单组分吸附试验

分别量取50 mL浓度为10 mmol/L的L-Trp和L-Phe单组分水溶液（料液初始pH为6.5）于250 mL锥形瓶中，加入已称取的 0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.15 和0.1 g经预处理的732树脂于30℃恒温振荡器中振荡，5 h以后取出。然后分别在278 nm和257 nm下测吸光值,求得溶质的平衡浓度Ce(mmol/L)。平衡吸附量以qe（mmol/g）表示，并由下式计算：qe=（C0-Ce）V/M （1）

式中：C0为溶质的初始浓度，（mmol/L）；V 为溶液体积，L；M 为树脂重量，g。

1.2.5 双组分吸附平衡试验

配置双组分溶液：①L-Trp浓度恒定为10 mmol/L，L-Phe浓度分别为 0、1、2和 5 mmol/L；②L-Phe浓度恒定为10 mmol/L，而 L-Trp浓度分别为 0、1、2和5 mmol/L。然后称取树脂 0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.15 和0.1 g于250 mL锥形瓶中，加入50 mL精确配制的双组分水溶液（料液初始pH为6.5）于30℃恒温振荡器中振荡，5 h以后取出。按1.2.2节介绍的双组分分析方法，测定OD值并计算浓度。

1.2.6 双组分竞争吸附动力学试验

分别配置10 mmol/L和20 mmol/L，pH=6.5的LTrp和L-Phe双组分溶液，将预处理完并充分溶胀的732树脂按设定量拌水倒入离子交换柱（床层高度为6 cm）,用pH=6.5的蒸馏水溶液平衡柱子后，换上已配置的双组分溶液，流速控制在1.08×10-2cm/s,设定好分部收集器收集流出液，按1.2.2节介绍的双组分分析方法，测定OD值并计算浓度，制作穿透曲线。

2 吸附平衡模型

2.1 单组分吸附平衡模型

液相单组分吸附平衡等温线，采用Freundlich和Langmuir方程表示。

式中：K为单组分吸附的Freundlich吸附常数；qm和kc为单组分吸附的Langmuir吸附常数；C和q分别为平衡浓度（mmol/L）和平衡吸附量（mmol/g）。

2.2 双组分吸附平衡模型

液相双组分吸附平衡等温线，采用LCA和扩展的Freundlich等温方程[11]表示。

式中：qm1,Kc1,qm2,和Kc2为单组分吸附的Langmuir吸附常数；Cp1和Cp2为LCA模型预测的平衡浓度（mmol/L）；qp1和 qp2为相应的平衡吸附量，（mmol/g）。

扩展的Freundlich吸附等温式的表达式为：

式中：a1,b1,a2和b2为单组分吸附的Freundlich方程常数，其它参数要用双组分数据关联得到;C1和C2分别为L-Trp和L-Phe的平衡浓度，（mmol/L）；q1和q2分别为L-Trp和L-Phe的平衡吸附量，（mmol/L）。

3 结果与讨论

3.1 NaCl浓度对L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影响

由于L-Trp发酵液中含有少量的无机盐（如NaCl），钠离子的存在会对L-Trp在732树脂上的吸附量产生影响。图1给出了NaCl浓度对L-Trp和L-Phe平衡吸附量的影响。

由图1可知，L-Trp和L-Phe的平衡吸附量随着NaCl浓度的增加而减小，其原因是随着钠离子浓度的增加，钠离子与L-Trp和L-Phe产生竞争吸附加剧，另外，NaCl对水分子有很强的吸引力，使L-Trp和L-Phe不易转动，造成介电常数降低、离子迁移速度减慢[12]。此外，L-Phe的吸附量下降的更多（当NaCl浓度为1 mmol/L时，L-Trp和L-Phe的吸附量分别下降35.2%和57.2%），这是由于732树脂对L-Phe的吸附能力较L-Trp的低，所以钠离子对其影响才会更明显。因此，为了提高树脂的利用率，应采用一定的措施尽量减少发酵液中钠离子的含量。

3.2 单组分吸附平衡模型

表1给出了在pH=6.5，T=30℃和初始浓度C0=10 mmol/L时，Freundlich和Langmuir方程的拟合参数以及相关系数r。显著性水平取α=0.001和N=7时，临界相关系数rc=0.951。

表1中数据表明：相关系数r均大于rc，故拟合结果在0.001水平上高度显著。

表1 Freundlich和Langmuir方程的拟合参数Table 1 Parameters of Freundlich and Langmuir equation for every single component

3.3 双组分溶液吸附平衡

图2和图3给出了L-Trp和L-Phe双组分溶液在732树脂上的吸附等温线。

由图2和图3可见，双组分中各氨基酸的平衡吸附量均低于其相应平衡浓度下各自单组分的平衡吸附量，表明了该二组分系统中的吸附属于竞争吸附。但二者相互竞争作用对各自的影响程度不同。L-Phe初始浓度对L-Trp平衡吸附量的影响较大（见图2），而LTrp对L-Phe平衡吸附量的影响较小（见图3）。这可能是因为L-Phe的分子较L-Trp小[13]，吸附空间位阻较小，故能较顺利与树脂结合；也可能是由于树脂颗粒有许多空隙存在，一些空隙直径较小，不利于大体积的有机物进入，但可以容纳小的有机物分子[14]；还可能是因为L-Phe为强吸附组分的缘故。但从3.6节双组分竞争吸附动力学表明，此处L-Phe为强吸附质的可能不存在。刘静霞[7]从L-Tyr和L-Phe双组分吸附平衡试验中得出L-Phe为强吸附质，经过L-Tyr和L-Phe双组分竞争吸附动力学试验结果：L-Phe为弱吸附质，表明其结论是不正确的。

3.4 扩展Freundlich模型的求解

根据扩展Freundlich模型，采用matlab软件分别拟合不同初始浓度下L-Trp/L-Phe双组分吸附平衡数据（见图2和图3），解出了L-Trp和L-Phe双组分溶液在732树脂上的吸附等温线方程。

式中：a1,b1,a2和b2为单组分吸附的Freundlich方程常数，其它参数要用双组分数据关联得到；C1和C2分别为L-Trp和L-Phe的平衡浓度，（mmol/L）；q1和q2分别为L-Trp和L-Phe的平衡吸附量，（mmol/L）。

3.5 LCA模型与扩展Freundlich等温方程拟合双组分吸附平衡的比较

图4和图5给出了试验数据及由两种模型拟合的LTrp和L-Phe双组分溶液在732树脂上的吸附等温线。由图可知，扩展Freundlich模型拟合L-Trp和LPhe平衡吸附量的平均相对误差分别是3.46%和3.38%，最大误差分别为6.45%和6.09%，而LCA模型拟合L-Trp和L-Phe平衡吸附量的平均相对误差分别是15.17%和10.77%，最大误差分别为20.72%和15.16%，说明扩展的Freundlich模型的拟合精度明显优于LCA模型。这是由于L-Trp和L-Phe之间存在竞争作用，竞争作用的结果表现为吸附量的下降，说明有一部分被吸附的分子在竞争溶质的作用下而被解吸出来，所以简单地用单溶质的吸附参数来预测多溶质的竞争吸附行为会引起误差结果[14]。而扩展的Freundlich模型是建立在试验数据关联的基础上，能广泛表征试验数据，是目前最能准确描述多组分液相吸附平衡的等温式。

本研究用扩展的Freundlich模型拟合所有的双组分吸附平衡数据（见图2和图3），L-Trp和L-Phe的平均相对误差分别是3.74%和3.85%。

3.6 L-Trp与L-Phe双组分竞争吸附动力学过程

图6和给出了不同初始浓度对L-Trp和L-Phe双组分竞争吸附穿透曲线的影响。

由图6可见，L-Phe为弱吸附质，出现明显的替换峰，这是由于交换树脂对吸附质吸附强弱的差别造成的；其次，L-Phe替换峰宽度的大小受入口浓度的影响，随着入口浓度的增加，L-Trp和L-Phe的流出曲线都变陡且L-Phe的替换峰变窄，这是因为浓度的增加，L-Trp和L-Phe的扩散速度加快，一方面导致了流出曲线变陡，穿透时间提前；另一方面使得L-Trp和L-Phe的扩散系数差别减小，竞争吸附变强而替换作用变弱，两者分离变差，故L-Phe的替换峰变窄[15]。

4 结论

1）研究了L-Trp和L-Phe单组分与双组分的吸附平衡，考察了NaCl浓度对L-Trp与L-Phe单组分平衡吸附量的影响及L-Trp和L-Phe双组分吸附平衡行为。L-Trp和L-Phe的平衡吸附量随着NaCl浓度的增加而减小，且L-Phe的下降的较多。双组分平衡吸附过程中，L-Phe初始浓度对L-Trp平衡吸附量的影响较大，而L-Trp对L-Phe平衡吸附量的影响较小。

2）L-Phe在732树脂上的吸附符合Freundlich和Langmuir方程，平均拟合误差分别为4.93%和2.76%；L-Trp在732树脂上的吸附符合Freundlich方程,平均拟合误差为3.68%，而Langmuir方程对L-Trp吸附平衡的拟合存在较大误差，平均拟合误差为9.99%。

3）732树脂吸附L-Trp和L-Phe混合溶液符合扩展的Freundlich等温线方程（模型拟合L-Trp和LPhe平衡吸附量的平均相对误差分别是3.74%和3.85%），而LCA模型拟合该双组分吸附平衡不理想（模型预测L-Trp和L-Phe平衡吸附量的平均相对误差分别是17.24%和12.72%）。双组分竞争吸附动力学结果表明，L-色氨酸为强吸附组分。

今后的研究方向主要是测定不同初始条件下LTrp和L-Phe双组分竞争吸附动力学曲线；建立相应的双组分竞争吸附动力学模型并进行求解。本研究所得到的双组分平衡方程，为双组分动力学的数学建模与数值模拟研究提供了基础数据。

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A Study of Adsorption Behavior for the Binary Mixtures of L-tryptophan and L-phenylalanine on 732 Cationexchange Resins