大孔树脂对蜂蜜中羟甲基糠醛的脱除热力学及动力学研究

张颖，王宇翔，张锦锦，高益增，曹炜*

1(西北大学 食品科学与工程学院，陕西 西安，710069) 2(西北大学 化工学院，陕西 西安，710069)

蜂蜜是一种营养和保健价值很高的大宗蜂产品，含有糖类、蛋白质、有机酸、酚酸、黄酮、酶类等180多种成分，其中果糖和葡萄糖含量多达70%～80%[1]。中国作为养蜂大国，蜂蜜产量约占世界总产量的30%，也是最大的蜂蜜生产国和出口国[2]。然而，我国蜂蜜生产过程中存在药物使用不合理、加工操作不规范等诸多问题，导致经常出现抗生素、农药、羟甲基糠醛、重金属等有毒有害物质超标，不仅给蜂蜜食用安全性造成危害，对相关出口贸易也带来很大影响[3-4]。

当热加工或贮藏时间过长时，蜂蜜中还原糖易与氨基化合物发生美拉德反应，导致副产物5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfur fural, 5-HMF)大量生成[5-6]。5-HMF对皮肤、眼睛、黏膜具有刺激性，摄入过多可致中毒，带来横纹肌麻痹和内脏损伤，甚至引发癌症[7-8]。在国际贸易中，5-HMF属于蜂蜜质量的评价指标之一(≤40 mg/kg)，当5-HMF含量超标，蜂蜜通常会被销毁处理。为避免资源浪费，如能采取合适方法将蜂蜜中有害物质降低至安全范围，并保留其大部分营养组成，则可将其作为辅料用于食品、药品加工领域，或用作饲料添加剂、生物质能源等，实现对废弃资源的再次利用[9-11]。然而，蜂蜜中5-HMF脱除技术研究很少，连会等曾开展过利用活性炭吸附脱除5-HMF的研究[9,12]，但其他方法尚未见报道。

大孔树脂可以选择性吸附物质，具有吸附容量大、迅速快、操作简单、成本低、再生方便等优点，已广泛应用于天然产物分离以及食品农残等有害物质脱除[13-14]。前期研究发现，弱极性LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF脱除效果显著且适用于不同蜂蜜品种[15]。因此，本实验采用静态吸附法，进一步研究LSI-3型树脂对蜂蜜中5-HMF脱除过程的吸附等温线、吸附热力学及动力学特性，探究LSI-3树脂对5-HMF的吸附机理，旨在为大孔树脂技术处理5-HMF超标蜂蜜的工业化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

洋槐蜜，2017年采自陕西永寿，样本采集后4 ℃保存待用；LSI-3型大孔吸附树脂(比表面积≥700 m2/g，孔径30～35 Å，粒径0.4～1.25 nm，弱极性，苯乙烯系骨架)，购于西安蓝晓科技有限公司。

5-HMF标准品(纯度99%)，Sigma-Aldrich公司；NaOH、KI，天津市北联精细化学品开发有限公司；碘，天津市科密欧化学试剂有限公司；浓HCl，天津市富宇精细化工有限公司。以上试剂均为分析纯。甲醇(色谱纯)，美国Tedia公司。

1.2 仪器与设备

KQ-100DE数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；HH-2电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司； 98-1-B电子恒温电热套，天津泰斯特仪器有限公司；SHA-B恒温振荡器，北京宏昌信科技有限公司；BSA224S电子分析天平，北京赛多利斯科学仪器有限公司；Ultimate-3000高效液相色谱仪，美国Thermo Fisher Scientific公司；G1315A二极管阵列检测器，美国Agilent Technologies公司。

1.3 实验方法

1.3.1 大孔树脂预处理

大孔树脂在无水乙醇中浸泡24 h后用去离子水淋洗至无醇味，之后依次用5倍体积HCl(pH 2)、NaOH(pH 12)淋洗，2次淋洗完成后均用去离子水淋洗至中性。活化后树脂浸没于无水乙醇中，常温避光保存。

1.3.2 大孔树脂脱除蜂蜜中5-HMF热力学研究

1 kg洋槐蜜加入70 mg 5-HMF标准品，制成模拟加工贮藏后5-HMF含量超标蜂蜜。蜂蜜样品与蒸馏水按质量比1∶1均匀，常温超声振荡10 min。从中取24份蜂蜜水溶液，每份20 mL，分为3组，每组中依次加入0.1～0.8 g LSI-3型大孔树脂，然后分别置于25、35和45 ℃水浴摇床恒温振荡120 min对5-HMF进行吸附脱除。吸附结束后，根据1.3.4方法测定蜂蜜样品中5-HMF含量，计算LSI-3树脂对5-HMF脱除率，并依据式(1)计算平衡吸附量Qe，绘出吸附等温线，根据Freundlich方程[16]计算热力学参数。

Freundlich吸附等温方程，吸附焓变(ΔH)、吉布斯Gibbs-Helmholtz自由能变(ΔG)和吸附熵变(ΔS)计算方程分别见公式(2)、(3)、(4)和(5)：

(1)

lnQe=lnKF+(1/n)lnCe

(2)

lnCe=lnK0+ΔH/RT

(3)

ΔG=-nRT

(4)

(5)

式中：Qe为达到吸附平衡时树脂对蜂蜜中5-HMF吸附量，mg/kg；C0，Ce分别为蜂蜜样品中5-HMF初始浓度和平衡浓度，mg/kg；m为树脂质量，g；n为吸附特征常数(表征吸附剂的吸附特点和吸附能力)；V为蜂蜜样品体积，mL；KF，K0分别为Freundlich吸附常数(表征吸附剂的吸附活性)，吸附焓变常数；T为绝对吸附温度，K；R为气体常数，8.314 J/mol·K。

1.3.3 大孔树脂脱除蜂蜜中5-HMF动力学研究

称取5-HMF含量超标蜂蜜水溶液8份，每份20 mL，分别加入0.3 g LSI-3型大孔树脂，于25 ℃恒温水浴摇床中振荡吸附，分别在0、20、40、60、80、100、120、150 min不同时间进行取样，根据1.3.4方法测定蜂蜜样品中5-HMF含量，计算5-HMF脱除率，并分别依据公式(6)、(7)和(8)采用拟一级速率方程[17]、拟二级速率方程[17]和Weber-Morris颗粒内扩散动力学模型[17]对数据进行拟合。

ln(Qe-Qt)=lnQe-K1t

(6)

(t/Qt)=1/K2Qe2+t/Qe

(7)

Qt=Kit1/2+C

(8)

式中：t为大孔树脂吸附时间，min；Qe为达到吸附平衡时5-HMF吸附量，mg/kg；Qt为t时刻5-HMF吸附量，mg/kg；K1为一级速率常数，min-1；K2为二级速率常数，min-1；Ki为第i阶段粒内扩散速率常数，mg/(g·min1/2)。

1.3.4 蜂蜜中5-HMF含量检测

参照GB/T 18932.18—2003中方法测定蜂蜜中5-HMF含量[18]。

1.3.5 数据处理与分析

试验重复3次，数据以平均值±标准偏差表示，数据采用Microsoft Office Excel处理并进行绘图和拟合。

2 结果与分析

2.1 LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF脱除的热力学分析

2.1.1 吸附等温线及模型

吸附等温线是描述一定温度下达到吸附平衡时，吸附剂对被吸附物质吸附量与溶液中被吸附物质浓度的关系，可用于评价吸附剂与被吸附物质之间特性[16]。图1显示了不同温度下(25、35和45 ℃)LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附等温线，可以看出，树脂平衡吸附容量随着平衡浓度的增加而增大，且温度升高会显著降低树脂对5-HMF吸附量。这说明降低温度有利于LSI-3型树脂脱除蜂蜜中5-HMF。贾琪在利用LS-901树脂脱除蜂蜜中硝基呋喃类农残时，也发现在一定范围内，温度越低，农残吸附效果越好[11]。

图1 LSI-3型树脂对5-HMF的吸附等温线

为研究LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附特性，利用Freundlich模型对吸附等温线数据进行分析，计算模型参数及相关系数，结果如表1所示。可以看出，Freundlich模型对于不同温度下吸附等温线均具有较高拟合度(R2>0.97)，表示该模型能够可靠描述LSI-3型树脂吸附蜂蜜中5-HMF过程。Freundlich方程中吸附指数n值反映的是大孔树脂对吸附质的吸附难易程度，n值越大，吸附过程越容易进行，n>1和n<1时分别属于优惠型和非优惠性吸附[10,14]。由表1可知，在25、35和45 ℃三个温度下，n值均>1，说明LSI-3树脂较容易吸附蜂蜜中5-HMF，吸附过程是优惠型吸附，当溶液中5-HMF浓度增大时，大孔树脂与5-HMF之间作用力呈减小趋势[19]。此外，平衡吸附系数KF反映的是吸附剂吸附能力，随吸附温度升高，KF值大幅减小(表1)，进一步说明升高吸附温度会导致吸附剂的吸附能力变差，LSI-3型大孔树脂对5-HMF吸附属于放热过程。

表1 LSI-3型树脂吸附5-HMF的Freundlich模型拟合参数

2.1.2 吸附热力学性质

为揭示LSI-3型大孔树脂吸附蜂蜜中5-HMF过程中能量变化，通过公式(3)～(5)计算该吸附过程热力学参数，包括焓变(ΔH)、Gibbs自由能变(ΔG)和熵变(ΔS)，结果如表2所示。吸附焓变ΔH<0，说明LSI-3型树脂脱除蜂蜜中5-HMF属于放热过程，这与吸附等温线结果相一致。吸附热是区分树脂对物质吸附过程的重要标志，其中物理吸附涉及分子间力、热量变化小，焓变绝对值一般小于40 kJ/mol[10,19]。LSI-3树脂对5-HMF的吸附焓变较小(表2)，预示着该过程遵循物理吸附。另外，随着5-HMF平衡吸附量增加，ΔH绝对值越来越小(表2)。这则有可能由于大孔树脂表面不均匀，5-HMF浓度较低时，大孔树脂与5-HMF之间属于直接吸附，随着吸附反应进行，大孔树脂表面微孔被5-HMF填充而逐渐减少，对5-HMF吸附能力降低导致[19]。由表2还可知，吉布斯自由能变量ΔG<0，表明LSI-3型树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附过程是自发进行，且自由能越小，自发程度越大；而ΔG自由能变值较小，远低于20 kJ/mol，也进一步说明该吸附属于物理吸附[14,20-21]。此外，吸附过程中熵变量ΔS<0，说明5-HMF被LSI-3树脂吸附后，5-HMF分子有序度增加即自由度降低，其运动空间比在蜂蜜溶液中明显受阻，水分子不容易将5-HMF从树脂上解析下来[14]。

表2 LSI-3型树脂对5-HMF的吸附热力学参数

2.2 LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF脱除的动力学分析

吸附动力学反映的是大孔树脂对被吸附物质的吸附速率[20-21]，为探究LSI-3型树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附速率及吸附控制机理，研究25 ℃吸附温度下蜂蜜中5-HMF的吸附变化规律。

2.2.1 吸附动力学曲线

图2所示的是LSI-3树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附动力学曲线，可以看出，在0～20 min吸附初期，5-HMF吸附量随时间呈快速上升，此时间段内曲线斜率最大，即吸附速率最大；20～80 min曲线斜率逐渐减小，吸附速率逐渐减缓；在80 min后吸附趋于平缓，5-HMF吸附量基本保持不变，LSI-3树脂对蜂蜜中5-HMF达到吸附平衡。

图2 LSI-3型树脂对5-HMF吸附动力学曲线

2.2.2 吸附动力学模型及吸附控制机理

采用拟一级速率方程、拟二级速率方程和Weber-Morris颗粒内扩散模型对吸附动力学数据拟合，以揭示LSI-3型树脂脱除蜂蜜中5-HMF的动力学机理。

拟一级和拟二级速率方程分别是指在吸附过程中，大孔树脂对吸附质的吸附速率与溶液中吸附质含量或吸附质含量二次方成正比。根据拟一级吸附速率方程(式6)和拟二级吸附速率方程(式7)，分别以ln(Qe-Qt)和t/Qt对t作图(图3-a和3-b)，利用拟合曲线计算拟一级、拟二级速率方程参数k和Qe，结果如表3所示。

a-拟一级动力学模型拟合曲线;b-拟二级动力学模型拟合曲线

表3 LSI-3型树脂吸附5-HMF的动力学模型拟合参数

从图3和表3可知，拟一级速率方程的决定系数较小(R2=0.958 2)，拟合得到的平衡吸附量与实际平衡吸附量相差较大；而拟二级速率方程相关系数R2=0.998 2，拟合结果优于拟一级速率方程，且拟合平衡吸附量与实际平衡吸附量非常接近。由此可见，拟二级速率方程更适合描述LSI-3型树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附动力学规律[22]。

大孔树脂对吸附质的吸附作用是个复杂过程，主要包括几个步骤：吸附质从溶液中向大孔吸附树脂表面扩散，即外扩散阶段；吸附质在大孔吸附树脂表面扩散，即液膜扩散阶段；吸附质通过树脂表面扩散到孔周围并进入孔内部，即颗粒内扩散阶段；吸附质在树脂孔内部扩散并最终吸附在作用位点上，即吸附作用阶段[23-25]。在吸附试验中，吸附剂和吸附质的快速混合可消除外扩散对吸附速率的影响，因此，LSI-3大孔树脂对5-HMF的吸附过程可认为由液膜扩散、颗粒内扩散和吸附-解吸几个阶段组成，其中吸附速度快慢由持续时间最长阶段决定。而吸附-解吸通常是一个快速过程，一般不认为会成为吸附过程的关键限制步骤[23]。Weber-Morris动力学模型常用于揭示吸附过程的速度控制步骤机理，该模型可描述物质在颗粒内部的扩散过程是受液膜扩散或颗粒内扩散阶段控制[26]。Weber-Morris模型对吸附动力学数据的拟合曲线如图4所示。

图4 LSI-3型树脂吸附5-HMF的Weber-Morris模型拟合曲线

可以看出，Weber-Morris模型动力学拟合曲线不是一条直线，而是被分为两段，且没有经过原点。这表明颗粒内扩散不是5-HMF被吸附时唯一控制步骤，液膜扩散对其也有一定程度影响[27]。因此，LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附过程受颗粒内扩散和液膜扩散两个阶段共同控制。

3 结论

本文探究了LSI-3型大孔树脂对蜂蜜中5-HMF的吸附脱除机制。吸附等温线研究表明，LSI-3树脂在25 ℃条件下对蜂蜜中5-HMF吸附效果较好，Freundlich吸附等温模型能够可靠描述LSI-3树脂对5-HMF的吸附过程；吸附过程中ΔH<0，ΔG<0，ΔS<0，说明LSI-3树脂对蜂蜜中5-HMF属于物理吸附，是自发进行的放热过程，降低温度有利于吸附反应进行，并且5-HMF被吸附后水分子不容易将其从树脂上解析下来。吸附动力学结果表明，拟二级速率方程适合描述LSI-3型树脂脱除蜂蜜中5-HMF的动力学规律；Weber-Morris动力学模型证明LSI-3型树脂对5-HMF的吸附过程受液膜扩散和颗粒内扩散共同控制。