甜菜碱分离树脂的筛选及其吸附特性

杨起东，高梓原，夏娜，，王莉，王玉涛，陈志江，朱思明，，*

（1.喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什844006；2.喀什大学新疆自治区教育厅叶尔羌绿洲生态与生物资源研究实验室，新疆喀什844006；3.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州510641；4.喀什奥都糖业有限责任公司，新疆喀什844300）

甜菜碱盐酸盐，化学名称为三甲铵乙内酯盐酸盐，为白色至微黄色结晶性粉末，易溶于水、乙醇，难溶于乙醚，性质稳定，在动植物，微生物中广泛存在。植物体内甜菜碱含量较高，如菠菜、麦麸、甜菜等都富含这种生物碱[1]，由于首先在甜菜中被发现[2]，因此而得名。其化学结构与甲硫氨酸、胆碱和氨基酸相似，是一种季铵型生物碱[3]。其作为甲基供体，具有调节渗透压、缓和应激、稳定维生素、增进食欲、促进脂肪代谢等功效[4-7]，广泛应用于日化、饲料和食品添加剂领域。目前提取甜菜碱有裂解法[8]、化学法、离子排斥提取法、色谱分离法、置换碱金属法、电解法等[9-10]。方法虽多，但几乎都存在设备成本高、操作复杂等问题。离子交换树脂选择性好、解吸条件温和、交换容量大和再生简便等优点，因此被广泛应用[11-12]。在生物碱分离纯化方面，离子交换法操作简便、再生处理方便、重复性好，且不存在重金属、有机溶剂残留等问题，具有较好的应用推广前景。

随着树脂技术的发展，新树脂层出不穷。本研究旨在从一批理化性质不同的离子交换树脂中筛选出一种新出现的、吸附量大，解吸效果好的树脂，采用吸附法来分离甜菜碱，研究树脂对甜菜碱的吸附和解吸性能，探讨选择树脂的等温吸附平衡并建立动力学模型。甜菜碱的树脂分离提取是一种安全、高效的提取新工艺，本研究可为后续的采用新型树脂从甜菜废蜜中分离甜菜碱提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

001×7 FD 型树脂、001×7 型树脂、D101 型树脂：浙江争光实业股份有限公司；JK008 型树脂、D72 型树脂：安徽三星树脂科技有限公司；D113 树脂：西安篮深树脂厂；甜菜碱盐酸盐（纯度＞98%）、利英钠克盐：上海麦克林试剂有限公司；盐酸、氢氧化钠、氯化钠、丙酮：分析纯，广州市丛源试剂有限公司。

TU-1901 型紫外可见光光度计：北京谱析通用仪器有限责任公司；CP224C 电子天平：上海奥豪斯公司；HH-2 数显恒温水浴锅：常州澳华仪器有限公司；SHA-BA 水浴恒温振荡器：金坛市宏华仪器厂；BT50S恒流泵：保定雷弗流体科技有限公司；DHG-9003 电热鼓风干燥箱：上海一恒科技股份有限公司；pHSJ-3F 实验室pH 计：上海雷磁仪器厂；KA-1000 台式离心机：上海安亭科学仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 甜菜碱含量测定

在pH=1.0 时，利英钠克盐能与甜菜碱生成红色沉淀，离心弃上清液后，将沉淀溶于70%丙酮中，该溶液在525 nm 处有最大吸收波长[13]。根据以上原理绘制甜菜碱浓度为0.5 mg/mL～2.5 mg/mL 的标准曲线。以吸光值A为纵坐标，甜菜碱浓度C为横坐标，得到标准曲线相关的回归方程为A=0.473C-0.105（R2=0.999）。

1.2.2 树脂预处理

001×7 FD 型、001×7 型和D101 型树脂的预处理方式为：取一定量树脂用4 %NaCl 搅拌处理24 h，后用4 %盐酸、4%氢氧化钠、4%盐酸交替搅拌处理4 h，更换试剂前，用去离子水冲洗至中性或近中性后备用。

JK008 型、D72 型、D113 型树脂的预处理方式为：取一定量树脂，用无水乙醇浸泡24 h，后用蒸馏水洗至无醇味，用4%氢氧化钠、4%的盐酸浸泡分别搅拌处理4 h，更换溶液前，用去离子水冲洗至中性或近中性后备用。

1.2.3 树脂的选择

1.2.3.1 静态吸附与解吸

采用6 种树脂的静态吸附率和静态解吸率筛选树脂。准确称取1 g 处理好的树脂，置于250 mL 锥形瓶中，加入50 mL 2.5 mg/mL 甜菜碱，置于30 ℃水浴摇床振荡处理24 h，测定吸附平衡后溶液中甜菜碱的残留量；过滤后的树脂加入50 mL 8%HCl，置于30 ℃水浴摇床上解析24 h，至解吸平衡后测定解析液中甜菜碱含量。按公式Q=（C1-Ce）V/m、E/%=（C1-Ce）/C1×100 和D/%=C0/（C1-Ce）×100 计算树脂对甜菜碱的吸附量、吸附率及解吸率。其中V为溶液体积，mL；m为树脂质量，g；C0为溶液解吸平衡时甜菜碱浓度，mg/mL；C1为溶液初始时甜菜碱浓度，mg/mL；Ce为溶液吸附平衡时甜菜碱浓度，mg/mL。

1.2.3.2 动态吸附

取001×7FD，001×7、D101 树脂各10mL，装入1 cm×30 cm 的柱内（高径比13∶1），200 mL 样品液（浓度5 mg/mL）以2.5 mL/min 流速过柱进行动态吸附，收集流出液，测定其中甜菜碱的含量并计算吸附量。

1.2.4 静态条件下洗脱溶媒的筛选

过滤1.2.3.1 中甜菜碱吸附平衡后的树脂，加50 mL不同浓度HCl、NaCl，以及HCl-NaCl 混合溶液解吸，置于30 ℃水浴摇床上处理24 h，使其充分解吸后测定解吸平衡后溶液中甜菜碱的含量，计算解吸率。

1.2.5 树脂静态吸附条件的考察

采用1 g 树脂处理50 mL 2.5 mg/mL 甜菜碱溶液，分别置于20、30、40、50、60 ℃水浴摇床上处理24 h，考察温度对树脂静态吸附效果的影响；调节甜菜碱溶液pH 2.35（自然pH 值）、3、4、5、6、7、8、9、10 和11 后，置于30 ℃水浴摇床上处理24 h，考察pH 值对树脂静态吸附甜菜碱效果的影响。

1.2.6 等温吸附试验

准确称取8 份1 g 预处理后的干树脂，置于250 mL锥形瓶中，分别加入50 mL 初始浓度为2.5、2.8、3.1、3.4、3.8、4.2、4.5、4.8 mg/mL 甜菜碱溶液，置于30 ℃水浴摇床上处理24 h，测定吸附平衡后溶液中甜菜碱的残留量，计算甜菜碱吸附量；将等温吸附数据与Langmuir、Freundlich 模型拟合[14]，比较两种模型拟合参数，分析吸附性能。

Langmuir 方程[15]的表达式见公式（1）：

Freundlich 方程[16]的表达式见公式（2）：

式中：ce为吸附平衡时浓度，mg/mL；KL为Langmuir 常数，L/mg；qm为单分子层饱和吸附量，mg/g；qe为平衡吸附量，mg/g；KF为Freundlich 等温吸附方程参数，[（mg/mg）（L/mg）1/n]，表示吸附量的相对大小；n 为Freundlich 方程参数。

1.2.7 动力学研究

称取18 份1 g 预处理好的干树脂，分别置于250 mL锥形瓶中，每6 个锥形瓶为一组，共分3 组加入50 mL甜菜碱溶液：第一组6 个锥形瓶中甜菜碱溶液起始浓度为2.5 mg/mL；第二组6 个锥形瓶中甜菜碱溶液起始浓度为3.5 mg/mL；第三组6 个锥形瓶中甜菜碱溶液起始浓度为4.5 mg/mL。每组锥形瓶在30 ℃下摇床振荡，在5、10、20、30、60、90 min 取样分析，检测溶液中甜菜碱的含量，计算吸附率并绘制吸附动力学曲线。为了研究甜菜碱的吸附动力学，采用Lagergren 准一阶动力学模型和准二阶动力学模型对吸附动力学试验数据进行拟合。

准一级吸附动力学方程[17]如公式（3）、公式（4）：

准二级吸附动力学方程[18]如公式（5）、公式（6）：

式中：t为吸附时间，min；qt和qe分别为t时和吸附平衡时的吸附量，mg/g；K1和K2为吸附速率常数；初始吸附率h1=k1qe和h2=k2qe2。

1.2.8 数据处理

试验均重复3 次取平均值，采用Excel 2007 软件进行数据统计分析，采用Origin 8.5 软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 树脂筛选

2.1.1 树脂静态吸附与解吸

通过静态试验考察不同类型树脂对甜菜碱的吸附和解吸性能，结果见表1。

表1 6种不同树脂对甜菜碱静态吸附率和解吸率效果Table 1 Effects of six different resins on static absorption and desorption rates of betaine

从表1可以看出，001×7 FD、001×7、D001 这3 种树脂与其他树脂相比，不论吸附性能还是解吸性能均较好，单位吸附量均大于80 mg/g、洗脱率也都大于80%，因此对3 种树脂进行动态试验进一步考察。

2.1.2 树脂动态吸附

001×7 FD、001×7、D101 树脂动态试验结果如表2。

表2 3种树脂动态吸附试验结果Table 2 Dynamic absorption among three kinds of resins

从表2可以看出，001×7 FD 树脂的动态吸附性能高于001×7 及D001 树脂，故选用001×7 FD 离子交换树脂为甜菜碱最佳吸附树脂。

2.2 洗脱溶媒的筛选

不同解吸剂的解吸效果见表3。

表3 不同解吸剂的解吸效果Table 3 Desorption effect of different desorbents

续表3 不同解吸剂的解吸效果Continue table 3 Desorption effect of different desorbents

由表3可看出，HCl、NaCl 以及HCl-NaCl 混合溶液对甜菜碱的解吸均有较好的效果，其中以8%HCl+0.2 mol/L NaCl 的混合溶液解吸效果最好，达到96.5%。当以NaCl 和HCl-NaCl 混合溶液为解吸剂时，虽然能达到较好的解吸效果，但解吸后溶液中会含有NaCl，对工业生产有所影响，不能得到较纯的甜菜碱。而以HCl 作为解吸剂时，随着HCl 浓度的增大，解吸率逐渐增大，盐酸浓度达8 %时，解吸效果趋于平衡，达93.2 %。同时，以HCl 作解吸剂，可使甜菜碱的解吸与树脂的再生处理结合起来，简化了工艺过程。因此，选择HCl 作为解吸剂。从工业生产的角度讲，酸浓度不宜过高，浓度过高的酸对管道和设备的腐蚀十分严重，所以选择8%HCl 作为解吸剂。

2.3 温度与pH值对树脂静态吸附效果的影响

不同温度与pH 值条件下001×7 FD 树脂对甜菜碱的吸附能力如图1所示。

图1 温度与pH值对001×7FD树脂吸附甜菜碱的影响Fig.1 Effect of temperature and pH on the adsorption of betaine by 001×7 FD

当温度逐渐升高，树脂对甜菜碱的吸附率稍有下降，这可能是因为在离子交换过程中放热，在20 ℃下更有利于甜菜碱的吸附，但各温度间吸附率差值变化小，可认为温度的变化对树脂吸附甜菜碱影响甚微；在pH 值为2.35（未调）时，001×7 FD 树脂对甜菜碱盐酸盐的吸附率高于70%，随着pH 值增大，吸附率逐渐降低。这可能是由于pH 值的增大，甜菜碱盐酸盐反应生成甜菜碱。而在酸性条件下，甜菜碱分子为开环状态，对甜菜碱电离有利；在碱性条件下，甜菜碱分子呈环状结构，且其电离受到抑制，更不利于电离，导致随着pH 值增大，吸附率逐渐降低。由此可得出甜菜碱最佳的吸附条件是温度在20 ℃，pH 值为2.35。

2.4 等温吸附平衡研究

根据1.2.6 进行等温吸附平衡试验，研究不同初始甜菜碱浓度下001×7 FD 树脂对甜菜碱的等温吸附平衡。根据方程（1）和（2），以ce/qe对ce作Langmuir 吸附等温线图，以lnqe对lnce作Freundlich 吸附等温线图，结果如图2（a）和图2（b）所示。

图2 甜菜碱的吸附等温线Fig.2 Adsorption isotherms of betaine

结果表明，这2 种模型方程都能较好地描述甜菜碱的等温吸附平衡（直线拟合的相关系数R2都大于0.99）。根据直线拟合方程，计算Langmuir 和Freundlich 两种模型方程的系数，总结在表4中。

根据表4可知，相比Langmuir 模型方程，Freundlich 模型方程能更好地拟合吸附平衡试验数据，表明吸附为多分子层吸附，1/n 的值介于0 到1 之间，说明树脂001×7 FD 对甜菜碱的吸附是优惠吸附[19]。

表4 甜菜碱在001×7 FD树脂上的Langmuir和Freundlich等温模型参数Table 4 Langmuir and Freundlich isotherms model parameters for adsorption of betaine onto 001×7 FD

2.5 吸附动力学研究

甜菜碱的吸附动力学见图3。

图3 甜菜碱的吸附动力学Fig.3 Adsorption dynamics of betaine

由图3（a）所示，001×7 FD 树脂对甜菜碱的静态吸附30 min 内基本达到平衡。树脂对甜菜碱的吸附前5 min 迅速增加，然后缓慢增加，直到系统达到平衡。相比于准一级吸附动力学方程，Lagergren 准二阶动力学模型（相关系数都大于0.99）更好地拟合试验数据。表5总结了准二阶动力学模型参数值。

表5 001×7FD树脂吸附甜菜碱的假二级动力学参数Table 5 Pseudo-second order kinetic parameters for the adsorption of betaine by 001×7 FD

初始吸附速率随甜菜碱初始浓度的增加而增加，速率常数（k2）随初始浓度的增加而减小[20]。计算的吸附量q 值（94.69、120.63 mg/g 和144.3 mg/g）也接近试验数据（92.8、117.3 mg/g 和140.5 mg/g）。至于交换机理或驱动力，可能的原因是溶液中与固液界面上的离子浓度差异。因此，初始吸附物浓度越高，初始吸附速率越高。

3 结论

比较了不同厂家的6 种不同特性的离子交换树脂对甜菜碱吸附性能，其中001×7 FD 树脂对甜菜碱吸附效果最好，以盐酸为解析剂解吸能力强。在自然pH（pH=2.35）、4.5 mg/mL 甜菜碱初始浓度和20 ℃的条件下，1 g 预处理树脂处理50 mL 甜菜碱30 min 可达到吸附平衡，甜菜碱最大吸附量可达到140.0 mg/g。001×7 FD 树脂对甜菜碱的吸附与Freundlich 和Langmuir吸附等温平衡的模型方程拟合性都很好，前者拟合程度更高，为多分子层吸附和优惠吸附。吸附过程与Lagergren 方程假二级吸附动力学模型吻合性好。研究工作是近10年树脂技术发展后的甜菜碱分离树脂的筛选，树脂来源涵盖全国最大规模的树脂企业，有较好的实效性和实践参考性，研究结果可借鉴到甜菜制糖废蜜或制糖废水中的甜菜碱分离工作中。