有机改性蒙脱土吸附黄曲霉毒素B1能力的研究

孙思远 刁恩杰 李向阳 楚 璇 王家升 董海洲

(1. 山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018；2. 淮阴师范学院生命科学学院，江苏 淮安 223300)

有机改性蒙脱土吸附黄曲霉毒素B1能力的研究

孙思远1刁恩杰2李向阳 楚 璇1王家升1董海洲1

(1. 山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018；2. 淮阴师范学院生命科学学院，江苏 淮安 223300)

利用十八烷基三甲基溴化铵(OTMAB)作为有机改性剂对钠基蒙脱土(Na-MMT)进行改性，以提高对黄曲霉毒素B1(AFB1)的吸附能力。改性后的钠基蒙脱土利用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)及热失重分析(TGA)等方法对其结构特性进行研究。结果表明，改性剂OTMAB插入到钠基蒙脱土的夹层内并扩大了其夹层间距(d0.01)，增大了其比表面积。改性蒙脱土对AFB1的吸附等温线符合Langmuir数学模型。有机改性Na-MMT对AFB1的最大吸附量(qmax)为34.25 mg/g，Langmuir吸附常数(k)为3.65 L/mg，均高于未改性的Na-MMT(qmax= 28.74 mg/g和k= 2.37 L/mg)，说明有机改性能够有效提高Na-MMT对AFB1的吸附能力。

黄曲霉毒素B1；钠基蒙脱土；有机改性；吸附能力；十八烷基三甲基溴化铵

黄曲霉毒素B1(Aflatoxin B1，AFB1)是由黄曲霉和寄生曲霉产生的次生代谢产物，在很多植物油如花生油、玉米油、米糠油中经常被检测到[1-2]。AFB1具有强烈的致癌、致畸和致突变性，被国际癌症组织定为I类致癌物[3-4]。很多国家经常利用钠基蒙脱土(Na-MMT)、酸性白土等吸附食用油中污染的AFB1。Na-MMT具有较强的离子交换性、吸附性和较大的比表面积。然而，Na-MMT是亲水性的硅酸盐，易聚团而很难均匀分散于植物油中，限制了其对植物油中AFB1的吸附能力。国内外研究发现用长链季铵盐对层状硅酸盐进行化学改性可增加其表面疏水性[5]，并用于去除刚果红、甲基橙和2-萘酚等有机污染物[6-8]。当前，利用长链季铵盐十八烷基三甲基溴化铵(OTMAB)改性Na-MMT以改善其吸附AFB1能力的研究未见报道。因此，本研究拟利用OTMAB对Na-MMT进行有机改性，并在模式系统下(AFB1乙腈溶液)研究有机改性Na-MMT对AFB1吸附能力的影响；同时利用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)及热失重分析(TGA)探讨改性Na-MMT对AFB1吸附能力产生影响的因素，为新型黄曲霉毒素高效吸附剂的开发及商业化应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

黄曲霉毒素B1标准品(AFB1，C17H12O6)：纯度>98%，上海生物工程有限公司；

钠基蒙脱土(Na-MMT)：纯度>95%，CEC 110 mol/kg，浙江丰虹新材料股份有限公司；

十八烷基三甲基溴化铵(OTMAB，C21H46BrN)：纯度>99%，上海华蓝化学科技有限公司；

无水乙醇、正己烷：分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；

乙腈：色谱纯，山东禹王实业有限公司化工分公司；

三氟乙酸：分析纯，成都格雷西亚化学技术有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

电子分析天平：AY 220型，日本岛津公司；

电热鼓风干燥箱：101 A-1型，黄骅市卸甲综合电器厂；

智能生化反应装置：ZN-3000型，郑州长城科工有限公司；

恒温磁力搅拌器：HJ-6A型，金坛市华伟仪器厂；

离心机：LXJ-ⅡB型，上海安亭科学仪器厂；

高效液相色谱：岛津LC-20AT型，岛津公司；

傅立叶变换红外光谱仪：Nicolet iS5型，美国Thermo Fisher Scientific 公司；

高级X射线衍射仪：AXS-D8型，德国Bruker公司；

热重分析仪：TA-60型，日本岛津公司；

扫描电镜：JSM-6610LV型，日本JEOL电子公司。

1.2 方法

1.2.1 改性蒙脱土的制备 将Na-MMT置于烘箱中，50 ℃烘至完全干燥。将去离子水倒入反应釜中，升温至60 ℃并保持恒温，按照Na-MMT∶H2O=1∶5(g/mL)比例将Na-MMT缓慢加入到去离子水中，于300 r/min搅拌2 h，形成均一的Na-MMT悬浮液。将Na-MMT重量比为2.5%的OTMAB改性剂用少量无水乙醇溶解，再缓慢加入到Na-MMT悬浮液中恒温(60 ℃)反应2 h，再将混合液于3 000 r/min离心10 min，弃去上清液，沉淀用去离子水清洗数次直至用AgNO3溶液(0.1 mol/L)检测不出溴离子(清洗水中无淡黄色絮状沉淀)，获得OTMAB改性蒙脱土。将获得的OTMAB改性蒙脱土在60 ℃烘干至颜色由灰色变成纯白色，粉碎后过200目筛，得到的有机改性蒙脱土(OTMAB-MMT)用于试验研究。

1.2.2 模式系统下的吸附试验 称取一定量的AFB1标准品溶于乙腈溶液中，配制成浓度为1 000 μg/L的AFB1储备溶液，按比例用乙腈溶液稀释成50～1 000 μg/L的AFB1模式溶液用于吸附试验。将0.6 g的OTMAB-MMT加入至30 mL不同浓度的AFB1溶液中，室温下于300 r/min连续搅拌10 min进行吸附。吸附过后，OTMAB-MMT以5 000 r/min离心10 min。上清溶液(乙腈溶液)中残留的AFB1用高效液相色谱法进行检测[9]。沉淀于60 ℃的烘箱中加热烘干除去乙腈，进一步做XRD、FTIR、SEM及TGA分析，用于探讨改性前后Na-MMT结构及吸附AFB1能力的变化。未改性的Na-MMT做对照。

1.2.3 Langmuir吸附模型建立 Langmuir吸附方程常用于描述吸附等温线，其图形形状为吸附机理的分析提供了一定的依据，方程的特征参数也为吸附能力的预测提供了重要的参数。Langmuir假设：吸附剂表面均匀，各处的吸附能力相同；吸附具有单分子层特性，当吸附剂表面的吸附质达到饱和时，其吸附量达到最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点没有吸附质转移运动；达到动态平衡时，吸附和解吸速度相等。其方程式表示为：

(1)

式中：

Ce——吸附平衡时溶液中剩余AFB1浓度，mg/L；

qe——吸附平衡时吸附剂上AFB1的吸附量，mg/g；

qmax——对AFB1最大吸附量，mg/g；

k——Langmuir吸附常数，L/mg。

1.2.4 Na-MMT改性前后结构及吸附AFB1能力变化

(1) XRD分析：利用X射线衍射仪对Na-MMT或OTMAB-MMT进行分析，测定温度为室温、相对湿度为60%，样品测试衍射角2θ范围为2～10°，测试速率为0.02 °/s，步幅1 °/min。

(2) FTIR分析：利用傅立叶变换红外光谱对Na-MMT或OTMAB-MMT进行分析，波长范围为500～4 500 cm-1，分辨率为4 cm-1，累计扫描数为32。

(3) SEM分析：将Na-MMT或OTMAB-MMT样品粉末放入IB-5离子溅射仪中进行喷金，取出放入扫描电子显微镜进行扫描观察并拍照；加速电压为20 kV，工作距离为10～11 mm。

(4) TGA分析：Na-MMT与OTMAB-MMT的热失重用热重分析仪进行分析。测试温度范围为25～600 ℃，升温速率为25 ℃/min，气体环境为N2，气流速度为50 mL/min。

1.3 数据处理与分析

每组试验均进行3次重复，并采用SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 OTMAB-MMT吸附AFB1试验

Na-MMT与OTMAB-MMT吸附等温线见图1。由图1可知，在AFB1处于较低的平衡浓度下(0.0～0.3 mg/L)，Na-MMT与OTMAB-MMT吸附AFB1的能力快速上升；当AFB1平衡浓度超过0.3 mg/L时，趋于平缓。一些研究[6-7]人员也在试验中得到了类似的结果。

另外，Na-MMT与OTMAB-MMT吸附等温线都遵循Langmuir吸附等温线模型(L形)。Na-MMT与OTMAB-MMT吸附AFB1的Langmuir参数见表1。很多文献[10-11]建议当R2大于0.89时吸附作用遵循Langmuir模型。由表1 可知，Na-MMT与OTMAB-MMT的R2均大于0.89，进一步说明它们的吸附等温线遵循Langmuir模型。另外，OTMAB-MMT的qmax与k值也都大于Na-MMT，表明有机改性能够提高Na-MMT吸附AFB1的能力。引起这种变化的原因可能是：① Na-MMT有机改性增大了其亲油性能，进而增加其表面亲和力；② OTMAB-MMT的表面带正电荷，而AFB1分子带负电荷，通过离子偶极相互作用促进了其对AFB1分子的吸附[7]。另外，L-型的吸附等温线表明AFB1分子是以单层吸附形式吸附在Na-MMT或OTMAB-MMT上，且Langmuir方程适用于均相吸附[6-7,12-13]。从几何学看AFB1分子接近一个平面，约占1.38 nm2的表面积[13]，基于Na-MMT的最大吸附量为28.57 mg/g和OTMAB-MMT的最大吸附量为34.48 mg/g，需要吸附剂的比表面积分别为76.56，91.24 m2/g。需求如此大的比表面积表明AFB1分子已插入到Na-MMT或OTMAB-MMT层间。

2.2 Na-MMT与OTMAB-MMT特性

由图2可知，Na-MMT与OTMAB-MMT在3 624，798 cm-1处是Al—OH的吸收峰，1 039 cm-1处是Si—O的吸收峰，916，840 cm-1处是Si—O—Si的吸收峰。在3 449 cm-1处的吸收峰是Na-MMT上水分子的—OH伸缩振动峰，经OTMAB改性后呈减弱趋势。这表明OTMAB上的水合阳离子替换了原来的水分子使其减少，并导致了Na-MMT的表面性能发生改变，由亲水性转换成疏水性[7]。另外，OTMAB-MMT分别在2 924，2 850，1 470 cm-1处呈现对称和不对称的—CH2和—CH3的伸缩振动吸收峰，表明OTMAB已经插入到Na-MMT的夹层空间[14]。

由图 3 可知，6.03° 处的衍射峰是Na-MMT的特征衍射峰，所对映的层面间距(d0.01)是1.47 nm。经OTMAB改性后的Na-MMT特征衍射峰向低角度移动，由6.03° 移动到5.85°，所对映的层面间距(d0.01)为1.51 nm。这表明OTMAB改性剂通过与钠离子和其他无机离子进行离子交换插入到Na-MMT的层间，OTMAB的长烷基链增大了Na-MMT的层间距[15]。

由图4可知，在33～600 ℃热失重曲线中出现了3个阶段的质量损失，不同阶段的质量损失见表2。在33～130 ℃的热失重曲线中，Na-MMT与OTMAB-MMT的质量损失是由表面吸附水和蒙脱土中可交换阳离子表面水分子的损失导致的[7,16]。由表2可知，Na-MMT在这一阶段的质量损失大于OTMAB-MMT，表明有机改性可以改变蒙脱土的表面性能。这是因为OTMAB替换了水合的钠离子，使其由亲水性变成了疏水性[7]。在第二个阶段130～250 ℃的热失重曲线中，Na-MMT与OTMAB-MMT失重率都下降缓慢，OTMAB-MMT的质量损失率要小于Na-MMT。这是因为与水分子相比，OTMAB热分解需要更高的温度。在这个阶段的质量损失是化学吸附水的减少。在第三个阶段250～600 ℃的热失重曲线中，OTMAB-MMT的质量损失要远大于Na-MMT。这是由于OTMAB-MMT在此温度范围内夹层内的OTMAB的蒸发或分解(OTMAB熔点～250 ℃)引起的。另外，具有羟基结构的Na-MMT与OTMAB-MMT在这一阶段也会发生脱羟基作用造成质量损失。Ni等[17-18]在试验中也得到了相似的结果。

由图5可知，Na-MMT是致密的片层晶体颗粒，片层较大，结构清晰，层次感明显，表面结构平坦规整。而OTMAB-MMT片层较小且多孔，表面结构卷曲松散，片层周边变圆滑，比表面积增大。这种形态有利于AFB1分子进入到OTMAB-MMT层间，导致AFB1吸附量增大。

2.3 吸附AFB1前后OTMAB-MMT特性

由图6可知，OTMAB-MMT在5.85° 出现特征衍射峰，对应的层间距(d0.01)是1.51 nm。在吸附AFB1后，OTMAB-MMT的特征衍射峰向低角度移动，由5.85° 移动到5.76°，对应的层间距(d0.01)变为1.53 nm。这表明OTMAB-MMT对AFB1的化学吸附作用发生在其夹层空间[18]。

由图7可知，在33～600 ℃出现3个阶段的质量损失，不同阶段的质量损失见表3。OTMAB-MMT在吸附AFB1后的前两个阶段质量损失要远大于吸附前。在热失重第二个阶段，OTMAB-MMT吸附AFB1后的质量损失是吸附前的2倍多，这主要是因为在此温度范围内包含了吸附的AFB1的蒸发或分解(AFB1熔点～268 ℃)。这一结果进一步证实AFB1分子插入到OTMAB-MMT的夹层间。

4 结论

试验结果表明Na-MMT经OTMAB有机改性后可有效提高其对AFB1的吸附能力，且仍遵循Langmuir方程。AFB1分子主要以单层形式吸附在OTMAB-MMT层间内。Na-MMT通过有机改性提高了其夹层间距，增加了其亲油性能，改善了其在有机溶剂中的分散性。为了减少干扰，提高研究结果的准确性，本研究选择在模式系统下进行，不能全面反映实际生产状况，下一步将对改性Na-MMT应用于食用油中黄曲霉毒素脱除研究，为其商业化应用提供理论依据和技术支持。

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Research on adsorption capacity of organically modified Na-montmotillonite for Aflatoxin B1

SUN Si-yuan1DIAOEn-jie21LIXiang-yang1CHUXuan1WANGJia-sheng1DONGHai-zhou1

(1.CollegeofFoodScience&Engineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271018,China; 2.CollegeofLifeScience,HuaiyinNormalUniversity,Huaian,Jiangsu223300,China)

Na-montmotillonite (Na-MMT) was organically modified using Octadecy Trimethyl Ammonium Bromide (OTMAB) as a modifier to improve its adsorption capacity of aflatoxin B1(AFB1). The modified Na-MMT is characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Scanning electron microscopy (SEM), and Thermogravimetric analysis (TGA). The results showed that the OTMAB was intercalated into the Na-MMT, expanded its interlayer spacing (d0.01), and increased its specific surface area. The adsorption isotherm of AFB1on the modified Na-MMT is followed the Langmuir equation. The maximum adsorption capacity (qmax) and the Langmuir adsorption coefficient (k) of modified Na-MMT for AFB1were 34.25 mg/g and 3.65 L/mg, respectively, which were both larger than those of Na-MMT (i.e.qmax=28.74 mg/g,k=2.37 L/mg), indicated that the organic modification could increase the adsorption capacity of Na-MMT for AFB1.

Aflatoxin B1; Na-montmotillonite; Organic modification; Adsorption capacity; Octadecy trimethyl ammonium bromide

山东省高等学校科技发展计划(编号：J14LE15)；山东省自主创新专项(编号：2014ZZCX07204)

孙思远，男，山东农业大学在读硕士研究生。

刁恩杰(1977—)，男，淮阴师范学院副教授，博士。 E-mail: dej110@163.com

2016—12—26

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.014