壳聚糖/活性白土对蔗糖溶液中单宁酸的吸附性能研究

钟旭为，黄永春，韦秀才，黄承都*

(1.广西糖资源绿色加工重点实验室(广西科技大学)，广西 柳州 545006；2.蔗糖产业省部共建协同创新中心，南宁 530004)

蔗汁的成分中包含氨基酸、多肽、蛋白质、糖、多糖、苷类、有机酸、色素以及灰分等[1]。这些物质在蔗汁澄清过程中因高温、空气、澄清环境的影响易发生反应生成各种深色化合物或分子量更大的物质，加大了蔗汁澄清的难度，比如单宁酸会与铁离子反应生成深色络合物，在光照、氧气条件下会与果胶形成沉淀[2]，并且单宁酸本身具有强烈的涩味[3]，这些颜色和涩味影响了蔗糖的品质。因此，为了得到优质蔗糖，需要研究新的澄清效果优良的甘蔗混合汁澄清方法。

壳聚糖(CTS)无毒、溶解性较差[4]、易降解，是甲壳素脱N-乙酰基后得到的一种生物高分子。它是一种带正电荷的碱性多糖，含有亲水性的羟基和氨基，-NH2容易与弱酸溶液中的H+结合形成-NH3+，使壳聚糖具有阳离子絮凝剂的性质，-NH3+与带负电荷的物质进行离子交换中和电性，然后达到吸附絮凝沉降效果。活性白土作为一种食品添加剂，无毒、无臭且具有一定的吸附能力。当活性白土与壳聚糖(CTS)复合形成稳定结构的CTS/活性白土复合物时，将其作为吸附剂既能弥补CTS或活性白土作为单一吸附剂的缺陷，又能够发挥活性白土与CTS协同吸附性能，大大提高了吸附效果[5]。CTS/活性白土复合物在污水处理、重金属离子吸附等领域中已有相关研究及应用[6-8]。然而，目前在制糖工业的糖汁澄清脱色方面，仍未见有CTS/活性白土复合物吸附剂用于澄清甘蔗汁的相关研究报道。本文研究CTS/活性白土复合物对糖汁中典型多酚类物质单宁酸的吸附行为，为开发无硫、低温、高效的糖汁脱色剂提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖(分子量30万)：脱乙酰度90%，深圳市中发源生物科技有限公司；活性白土：食品级，郑州森海环保有限公司；蔗糖、乙酸、无水碳酸钠：分析纯，西陇科学股份有限公司；十六烷基三甲基溴化铵：分析纯，天津市光复精细化工研究所；福林酚试剂：天津市大茂化学试剂厂。

SLDC-0506型智能低温恒温槽 南京顺流仪器有限公司；78-1型磁力加热搅拌器 江苏金怡仪器科技有限公司；T6新世纪紫外可见光分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；AR4201CN型电子天平 奥豪斯仪器(常州)有限公司；AE2204型电子分析天平 湘仪天平仪器设备有限公司；DF-101T集热式恒温加热磁力搅拌器 河南予华仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 单宁酸的分析方法

用分析天平准确称量0.0100 g单宁酸样品，使用15%蔗糖溶液[9]溶解后移入100 mL容量瓶中，用15%蔗糖溶液定容，得到0.100 g/L标准单宁酸蔗糖溶液。分别吸取0，0.1，0.25，0.5，1.0，2.0，3.0 mL的0.100 g/L单宁酸溶液于50 mL容量瓶中，分别加入1.0 mL福林酚试剂，摇匀，静置5 min后加入5 mL 7.5%碳酸钠溶液，然后加入15%蔗糖溶液定容，避光静置30 min后，用紫外分光光度计在λ=765 nm处测吸光度[10]。以吸光度为纵坐标(Y)，单宁酸标准溶液浓度(g/L)为横坐标(X)绘制标准曲线。将实验数据拟合得到线性回归方程Y=102.465X-0.0019(R2=0.9967)。

1.2.2 CTS/活性白土复合物的制备

称量40.0 g活性白土于400 mL去离子水中，60 ℃下电动搅拌器搅拌至其变为悬浊液，然后恒温加热30 min。恒温期间配制1%的乙酸溶液200 mL，将4.0 g壳聚糖缓慢倒入乙酸溶液中。配制2.5 g/mL十六烷基三甲基溴化铵溶液20 mL，滴加于活性白土悬浊液中，滴加完毕后倒入壳聚糖、乙酸混合溶液，加入完毕后在60 ℃下恒温搅拌7 h，静置过夜，次日70 ℃烘干，仔细研磨后称量备用。

1.2.3 CTS/活性白土对单宁酸的吸附动力学研究

取10.0 mL 0.100 g/L单宁酸溶液，分别加入0，0.0200，0.0400，0.0602，0.0798，0.0999，0.1199 g的CTS/活性白土复合物(绝对误差取±0.0005 g)，在5 ℃恒温搅拌60 min条件下对单宁酸蔗糖溶液进行吸附，吸附结束后静置20 min，取其上清液2.0 mL，参照1.2.1的分析方法测溶液的吸光度，按照公式(2)计算其吸附率。取10.0 mL 0.100 g/L单宁酸溶液,分别加入0.05 g CTS/活性白土复合物。恒温5 ℃搅拌，在0，10，20，40，60，80，100 min时分别取样，吸附结束后静置20 min，取其上清液2.0 mL，参照1.2.1的分析方法测溶液的吸光度，按照公式(2)计算其吸附率。

CTS/活性白土吸附单宁酸的效果用吸附量和吸附率表示，其计算公式为：

(1)

(2)

式中：Pe表示达到吸附平衡时CTS/活性白土对单宁酸的吸附量，mg/g；E表示CTS/活性白土对单宁酸的吸附率；C1表示溶液中单宁酸的初始浓度，mg/mL；C2表示吸附达到平衡后溶液中单宁酸的浓度，mg/mL；V表示样品溶液的体积，mL；M表示CTS/活性白土的质量，mg。

1.2.4 CTS/活性白土对单宁酸的吸附等温线研究

称量0.0603 g单宁酸，参照1.2.1配制单宁酸溶液。用移液枪分别移取0.5，4.0，8.0，12.0，16.0，20.0，24.0 mL的单宁酸溶液于50 mL容量瓶中，再次用15%蔗糖溶液定容。分别移取10.0 mL，加入0.05 g CTS/活性白土复合物，在5 ℃恒温搅拌60 min条件下进行吸附，吸附结束后，静置20 min后取其上清液2.0 mL，参照1.2.1的分析方法测溶液的吸光度，按照公式(1)、公式(2)计算其吸附量和吸附率，其数据见表1。

表1 不同浓度单宁酸溶液对CTS/活性白土复合物的吸附效果Table 1 The adsorption effects of tannin solution with different concentration on CTS/activated clay complex

1.2.5 吸附动力学模型

将CTS/活性白土对蔗糖溶液中单宁酸的吸附动力学数据利用准一级动力学模型、准二级动力学模型和Weber-Morris模型进行拟合。

准一级动力学模型基于吸附过程受扩散步骤控制建立，常用于复杂的吸附系统，该模型的表达式为[11]：

(3)

式中：Pt为某一时间t时单宁酸被CTS/活性白土吸附的量，mg/g；k1为准一级动力学模型参数，min-1。

准二级动力学模型假设吸附过程与化学键的形成相符合, 适用于存在饱和现象的吸附反应，其表达式为[12]：

(4)

式中：k2为准二级动力学参数，g/(min·mg)。

1.2.6 Weber-Morris模型

CTS/活性白土吸附单宁酸过程可分为三步：单宁酸从边界层扩散至CTS/活性白土表面；单宁酸在CTS/活性白土微孔内部进行扩散；CTS/活性白土的活性部位吸附单宁酸。内扩散阶段动力学模型表达式为[13]：

(5)

式中：k3为Weber-Morris模型动力学参数，mg/(g·min1/2)。

1.2.7 吸附等温线模型

Langmuir吸附模型假定吸附剂表面均匀且粒子间相互作用忽略不计，一般为单分子层物理吸附，其表达式为：

(6)

式中：C2为吸附达到平衡时溶液的平衡浓度，mg/L；Pe为达到任一平衡状态时吸附剂的吸附量，mg/g；Pm为吸附达到饱和状态时吸附剂的吸附量，mg/g；Kl为与吸附能力有关的常数。

对于吸附质表面不均匀的多相吸附系统，可用Freundlich吸附模型进行计算：

(7)

2 结果与分析

2.1 CTS/活性白土对单宁酸的吸附动力学

CTS/活性白土对单宁酸的吸附动力学曲线见图1～图6。

由图1可知，CTS/活性白土质量添加至0.05 g时，单宁酸的吸附率急速升高。而CTS/活性白土用量超过0.05 g后，单宁酸的吸附率趋于平缓，说明CTS/活性白土用量在0.05 g时基本能够对单宁酸达到最大的吸附效果。

图1 不同质量CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸吸附的影响Fig.1 Effect of different quality of CTS/activated clay on tannin adsorption in sugarcane juice

由图2可知，随着吸附时间的不断延长， CTS/活性白土对单宁酸的吸附率不断增大直至趋于平缓；小于10 min时，CTS/活性白土对单宁酸的吸附率迅速增大；在80 min后，其对单宁酸的吸附率趋于平缓，说明CTS/活性白土对单宁酸溶液的吸附基本达到平衡。

图2 不同吸附时间对CTS/活性白土吸附性能的影响Fig.2 Effect of different adsorption time on adsorption performance of CTS/activated clay

由图3可知，随着单宁酸溶液浓度增加，该复合物对单宁酸的吸附率不断减小并趋于平缓；从实验点的分布可以推测，在0.05 g时复合物的吸附能力达到饱和。

图3 不同浓度单宁酸溶液对CTS/活性白土吸附性能的影响Fig.3 Effect of tannin solution with different concentration on adsorption performance of CTS/activated clay

表2 CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸的吸附动力学方程及其参数Table 2 The adsorption kinetics equations and their parameters of CTS/activated clay complex on tannin in sugarcane juice

根据最小二乘法，用Excel拟合出CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸在3种动力学模型的3条曲线，观察点的分布，由R2的大小可以看出准一级动力学模型明显不能表示该复合物为0.05 g、时间在100 min内复合物对蔗汁中单宁酸的吸附情况。Weber-Morris动力学吸附模型相比于准一级动力学模型能较好地适用于当前吸附系统，它还表明了单宁酸分子从边界层到达复合物表面之间的距离较小。准二级动力学吸附模型拟合出的曲线，实验点均匀分布在曲线两侧，且有较多实验点在曲线上，R2高达0.998，说明CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸的吸附系统最适宜用准二级动力学吸附模型模拟。

2.2 CTS/活性白土吸附单宁酸的吸附等温线

CTS/活性白土吸附单宁酸的吸附等温线见图7～图9。

图4 CTS/活性白土复合物吸附单宁酸的准一级动力学线性曲线Fig.4 Quasi-first-order kinetics linear curve of adsorption of tannin by CTS/activated clay complex

图5 CTS/活性白土复合物吸附单宁酸的准二级动力学线性曲线Fig.5 Quasi-second-order kinetics linear curve of adsorption of tannin by CTS/activated clay complex

图6 CTS/活性白土复合物吸附单宁酸的Weber-Morris动力学线性曲线Fig.6 Weber-Morris kinetics linear curve of adsorption of tannin by CTS/activated clay complex

图7 CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸的吸附等温线Fig.7 The adsorption isotherm of tannin in sugarcane juice by CTS/activated clay

图8 CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸的Langmuir吸附模型曲线Fig.8 The Langmuir adsorption model curve of tannin in sugarcane juice by CTS/activated clay

图9 CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸的Freundlich吸附模型曲线Fig.9 The Freundlich adsorption model curve of tannin in sugarcane juice by CTS/activated clay

根据1.2.6，吸附等温线的Langmuir、Freundlich吸附模型[14-16]，可以做出CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸溶液在5 ℃，复合物用量0.05 g，60 min内的吸附曲线。依据曲线可拟合出相应的线性方程，见表3。

表3 CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸的等温吸附方程Table 3 The isothermal adsorption equations of CTS/activated clay on tannin in sugarcane juice

根据最小二乘法，用Excel拟合出CTS/活性白土对蔗汁中单宁酸在5 ℃，复合物用量0.05 g的Langmuir、Freundlich吸附等温式。依据实验点的分布、R2的大小，可以看出Langmuir、Freundlich等温曲线都能表示该吸附系统，而Langmuir吸附方程的R2最接近1，表明Langmuir等温吸附模型能够很好地模拟该化合物对蔗汁中单宁酸的吸附，这说明CTS/活性白土复合物表面较为均匀，各处吸附能力相近。由表3可知，Kl常数值较大，说明CTS/活性白土很容易对蔗汁中单宁酸分子进行吸附。

3 结论

使用CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸进行吸附，通过数据拟合，CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸吸附动力学均符合准二级动力学模型。使用CTS/活性白土复合物对蔗汁中单宁酸进行吸附，通过数据拟合，该复合物对蔗汁中单宁酸的吸附符合Langmuir等温吸附模型，表明吸附过程为单分子层吸附，可以推测CTS/壳聚糖复合物表面较为均匀，活性位点的吸附能力大致相等。