中孔炭对葡萄叶中白藜芦醇静态吸附性能的研究

任娜,孙慧,王聪慧,赵卓,魏微

(北京联合大学 生物化学工程学院 食品科学与工程系,北京 100023)

白藜芦醇(又名芪三酚),是一种含有芪类结构的非黄酮类多酚化合物[1],主要存在于葡萄、虎杖[2]、花生、朝鲜槐[3]等植物中,具有抗癌、抗菌、抗氧化、降血脂和抗诱变等作用[4]。

白藜芦醇的纯化方法有柱层析法[5]、分子印迹法[6]、高速逆流色谱分离[7]、膜分离法[8]、吸附法[9]、高效液相色谱法[10]、有机溶剂萃取法[11]等。其中吸附法主要采用大孔树脂作为吸附剂,而炭材料具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和孔容。本研究选用中孔炭对葡萄叶中的白藜芦醇进行吸附,通过静态吸附实验研究其吸附机理,以期为吸附法纯化白藜芦醇提供新的吸附剂。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

葡萄叶(河北怀来葡萄园)；大孔树脂X-5、大孔树脂AB-8均为净品级；白藜芦醇标品,色谱纯。

3K15高速冷冻离心机；JM6102电子天平；LGJ-10C冷冻干燥机；UV-1600紫外可见分光光度计；HJ-6A多头磁力加热搅拌器；FW-100高速万能粉碎机。

1.2 葡萄叶中白藜芦醇的提取

1.2.1 葡萄叶的预处理 选取鲜亮、无表面损伤的葡萄叶,用自来水清洗干净,自然晾干。用FW-100高速万能粉碎机粉碎后,过50目筛网,得到葡萄叶粉末,-22 ℃条件下真空密封保存。

1.2.2 白藜芦醇的提取 取一定质量的葡萄叶,按不同的料液比(g/mL),以不同配比的溶剂与水的混合液作为提取溶剂,在一定提取温度下提取一定的时间,利用旋转蒸发仪去除提取液中的提取溶剂,得到含有白藜芦醇的粗提物。

1.2.3 白藜芦醇的分析测试 反式白藜芦醇在306 nm处有最大吸收波长,使用紫外分光光度法测定白藜芦醇具有选择性好,灵敏度高,操作方便等特点。检测波长306 nm处的吸光度,并结合白藜芦醇的标准曲线确定白藜芦醇含量。

1.3 实验方法

1.3.1 吸附等温线的测定 准确量取一定体积、一定浓度的白藜芦醇粗提液,置于250 mL带塞锥形瓶中。加入一定量的中孔炭,在不同温度(25,35,45 ℃)吸附,吸附达到平衡后,取上清液,过膜,用紫外分光光度计在306 nm测定其吸光度。

根据以下公式计算吸附量。

qe=(C0-Ce)V/m

(1)

式中qe——吸附量,mg/g；

V——溶液的体积,mL；

C0——溶液的初始浓度,mg/mL；

Ce——溶液的平衡浓度,mg/mL；

m——吸附剂的质量,g。

根据实验数据判断满足的吸附模型,最常用的模型是Langmuir和Freundlich吸附模型。

①Langmuir等温吸附模型[12]：

Ce/qe=1/KLqm+Ce/qm

(2)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡浓度,mg/L；

qm——最大吸附量,mg/g；

KL——吸附常数,L/mg。

②Freundlich等温吸附模型[13]：

lgqe=1/nlgCe+lgKF

(3)

式中qe——平衡吸附量,mg/g；

Ce——平衡浓度,mg/L；

KF——Freundlich吸附常数,L/g；

1/n——Freundlich指数。

1.3.2 吸附动力学特性的测定 吸附动力学研究整个吸附过程中吸附量与时间的关系,常用的模型有一级动力学模型和二级动力学模型[14]。配制一定浓度的白藜芦醇溶液,加入一定量的中孔炭。在不同的时间点取样,测定其白藜芦醇浓度。利用的动力学模型公式如下：

①一级动力学模型公式：

ln(qe-qt)=lnqe-tk1

(4)

式中qt——某时刻的吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k1——准一级动力学模型速率常数,min-1。

②二级动力学模型公式：

(5)

式中qt——某时刻吸附量,mg/g；

qe——平衡吸附量,mg/g；

k2——二级动力学模型速率常数,g/(mg·min)。

1.3.3 吸附过程控制步骤的探讨 为了考察吸附过程中所涉及的控制机制,我们用Weber Morris模型对吸附过程进行了分析。模型公式如下所示[15]。

qt=kdt1/2+C

(6)

式中qt——某时刻吸附量,mg/g；

kd——扩散速率常数；

C——反映边界层厚度的常数。

1.3.4 中孔炭吸附白藜芦醇的热力学探讨 通过吸附热力学参数,进一步讨论中孔炭对白藜芦醇的吸附机理。

焓变(ΔH)根据下列等式计算：

logCe=-logK0+ΔH/2.303RT

(7)

式中Ce——平衡时的白藜芦醇浓度,g/L；

K0——常数；

T——绝对温度,K；

R——理想气体常数(8.314 J/mol·K)。

通过logCe对1/T作图得到ΔH(结果见图6)。

吸附自由能(ΔG)使用以下等式计算：

ΔG=-nRT

(8)

其中,n代表Freundlich指数,因为吸附数据符合Freundlich模型。

吸附熵变(ΔS)可通过以下公式得到:

ΔG=ΔH-TΔS

(9)

其中,ΔH是焓变,ΔS是熵变,ΔG是吉布斯自由能变化,T是温度(K)。

2 结果与讨论

2.1 中孔炭的静态吸附等温线

以平衡吸附量对白藜芦醇平衡浓度作吸附等温线,结果见图1。

由图1可知,在25,35,45 ℃下,中孔炭对白藜芦醇的吸附量随着浓度的增加而增加,且温度25～45 ℃范围内,中孔炭对白藜芦醇的平衡吸附量随着温度的升高而逐渐升高,说明升高温度更有利于中孔炭对白藜芦醇的吸附。

图1 不同温度下中孔炭对葡萄叶中 白藜芦醇的吸附等温线Fig.1 Adsorption isotherms of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves at different temperatures

之后我们分别对不同温度下的静态吸附实验数据进行Freundlich、Langmuir方程的拟合,结果分别见图2和图3,相应的参数见表1。

图2 25,35,45 ℃时的Langmuir吸附等温线图Fig.2 Adsorption isotherm of Langmuir at 25,35,45 ℃

图3 25,35,45 ℃时的Freundlich吸附等温线图Fig.3 Adsorption isotherm of Freundlich at 25,35,45 ℃

T/℃LangmuirFreundlichqmaxKLR2KFnR225126.4221.028×10-20.97512.9502.9270.99335144.9281.057×10-20.97614.0232.8350.98945153.8461.477×10-20.98722.7593.4250.987

由图2、图3和表1可知,在3种温度条件下,以Ce/qe对Ce作图,lnqe对lnCe作图,得到的图形具有良好的线性相关性(R2>0.9),说明中孔炭的吸附等温线与Langmuir和Freundlich方程的吻合性均较好,因此Langmuir和Freundlich方程均可以较好地表述中孔炭对白藜芦醇的吸附。

通过考察表1吸附模型的参数,可以得出,在25～45 ℃范围内,对于Langmuir模型,最大吸附量随着温度的升高而升高；当温度为45 ℃时,最大吸附量为153.846 mg/g,说明较高的温度有利于中孔炭对白藜芦醇的吸附过程；对于Freundlich模型,温度为45 ℃时,n值最大,为3.425,说明较高的温度有利于吸附过程。

李燕等[16]采用4种大孔树脂对虎杖中白藜芦醇进行静态吸附,在25 ℃下绘制了吸附等温线,其中吸附效果最好的HPD722树脂的最大平衡吸附量为30 mg/g；黄卫文等[17]选用DA-201树脂对花生根中白藜芦醇进行静态吸附,在308 K(K=273.15 k+℃)下达到最大平衡吸附量12.658 mg/g。将本研究的平衡吸附量和以上文献进行对比,结果表明,本研究选用的中孔炭平衡吸附量明显高于文献中选用的吸附剂。

2.2 中孔炭的吸附动力学特性

分别在温度25,35,45 ℃条件下,用中孔炭对葡萄叶提取液中的白藜芦醇进行吸附,得到各个时刻下的吸附量(mg/g)。由图4可知,中孔炭对白藜芦醇的吸附为快速平衡型,在60 min基本已经达到平衡。即起始阶段吸附速率较快,40 min后吸附量增加变缓慢,而在60 min后吸附量随时间变化不大。

图4 中孔炭对葡萄叶中白藜芦醇吸附动力学曲线Fig.4 Adsorption kinetics of mesoporous carbon on resveratrol in grape leaves

分别对25,35,45 ℃条件下的静态吸附实验的结果进行一级动力学方程和二级动力学方程的拟合,结果见图5和图6,相应的动力学模型的参数见表2。

图5 25,35,45 ℃下的一级动力学拟合曲线Fig.5 First-order kinetic fit curves at 25,35,45 ℃

图6 25,35,45 ℃下的二级动力学拟合曲线Fig.6 Second-order kinetics fitting curves at 25,35,45 ℃

温度/℃一级动力学模型二级动力学模型k1/h-1qe/(mg·g-1)R2k2/(g·g-1·min-1)qe/(mg·g-1)R2250.042105.5770.9825.842×10-4129.8700.993350.03885.7990.9718.246×10-4129.8700.998450.03467.5600.8941.217×10-3136.9860.999 8

综合图5、图6可看出,在3个温度条件下,中孔炭对白藜芦醇的吸附均符合二级动力学模型,且表2中3个温度下二级动力学模型的R2均>0.99。因此可以得出,中孔炭对葡萄叶中的白藜芦醇符合二级动力学模型。

2.3 吸附过程控制机理探讨

采用Weber Morris模型考察25,35,45 ℃条件下静态吸附的控制机理,结果见图5。

图7 25,35,45 ℃时中孔炭对白藜芦醇 静态吸附Weber Morris模型拟合Fig.7 Static adsorption of resveratrol by mesoporous carbon at 25,35,45 ℃ by Weber Morris model

根据Weber Morris模型,如果qt与t1/2的曲线是线性的,并且通过原点,粒子内扩散是影响吸附速率的控制步骤；如果qt与t1/2的曲线的直线部分不通过原点,那么外扩散和粒子内扩散共同控制整个吸附过程。由图7可知,3个温度下qt与t1/2的曲线均不成直线关系,说明在25,35,45 ℃时,均是外扩散和粒子内扩散共同控制整个吸附过程。

2.4 中孔炭吸附的热力学探讨

根据焓变的计算公式,通过logCe对1/T作图得出ΔH,见图8。3种热力学参数ΔH、ΔG、ΔS的具体数据见表3。

图8 log Ce对1/T的关系Fig.8 log Ce vs 1/T

ΔH/(kJ·mol-1)ΔG/(kJ·mol-1)298 K308 K318 KΔS/[(J·(mol·K)-1]30.497-13.718-15.223-16.685148.397

由表3可知,ΔH值<40 kJ/mol且为正值,表示中孔炭对白藜芦醇的吸附过程为吸热和物理吸附过程；ΔG在298,308,318 K下均为负值,表明该吸附反应是自发过程；ΔS为正,表明固-液界面处混乱度的增加。

3 结论

通过研究中孔炭对葡萄叶中白藜芦醇的静态吸附实验,发现Langmuir和Freundlich方程均可以较好地表述中孔炭对白藜芦醇的吸附。吸附动力学研究表明,中孔炭对白藜芦醇的吸附较符合二级动力学模型(R2>0.99)。结合Weber Morris模型,外扩散和粒子内扩散共同控制中孔炭对白藜芦醇的吸附过程。中孔炭对白藜芦醇的热力学研究表明,吸附过程是自发进行的吸热反应。