D201大孔吸附树脂对料酒中蛋白质的吸附平衡及热力学与动力学研究

马鹏程，郭 明，2，李博斌，姚烨岑

(1.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江杭州 311300；2.浙江农林大学理学院，浙江杭州 311300；3.绍兴市质量技术监督检测院，浙江绍兴 312000；4.浙江农林大学工程学院，浙江杭州 311300)

料酒是一种重要的调味食品，在人们的日常菜品与饮食中被广泛使用。然而，发酵型料酒在贮存及货架期内易产生沉淀，严重影响料酒的感官品质。已有的研究发现[1-4]，料酒沉淀中主要含有蛋白质、多酚、多糖和铁，其中蛋白质是最主要的成分，所占比例一般为30 %～40 %。因此，目前解决料酒沉淀难题大都集中在研究适当去除蛋白质的新技术上。

针对料酒酒体不稳定产生沉淀的因素，目前各料酒生产厂家普遍采用添加澄清剂去除料酒沉淀的方法，然而使用澄清剂存在一定的缺陷[5-7]，例如澄清剂的使用量很难把握，容易造成下胶过量，易导致料酒在陈酿和贮存过程中发生蛋白质凝聚反应，出现返浑和絮状沉淀等问题。离子交换法因具有操作方便、成本低、交换容量大、吸附选择性好等优点，从而受到普遍研究，在水处理、食品工业、制药工业、生物医学、气体工业等领域应用十分广泛。国内外对离子交换树脂的研究表明，可以用来吸附蛋白质的树脂种类有很多[8-11]，但从现有的文献报道来看，目前将离子交换树脂用于去除料酒中易引起沉淀的蛋白质的相关研究尚未见报道。

因此，本研究对料酒蛋白质在D201 大孔吸附树脂的吸附平衡、吸附热力学及动力学特性进行了初步研究，旨在为D201 大孔吸附树脂澄清料酒工业化提供理论借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

料酒：由湖州老恒和酿造有限公司提供；732强酸性阳离子交换树脂；724弱酸性阳离子交换树脂；D001 大孔强酸性阳离子交换树脂；D113 大孔弱酸性阳离子交换树脂；D201 大孔强碱性阴离子交换树脂；D311 大孔弱碱性阴离子交换树脂，以上树脂均购自天津波鸿树脂科技有限公司；考马斯亮蓝G250：国药集团化学试剂有限公司；磷酸：国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇：天津市永大化学试剂有限公司，以上试剂均为AR级。

仪器设备：HH-6系列恒温水浴锅，上海科辰实验设备有限公司；ZD-2 自动电位滴定仪，上海雷磁仪器厂；磁力搅拌器，上海凌科实业发展有限公司；BS-IEA 恒温水浴摇床，常州国华电器有限公司；Sartorius 电子分析天平，德国赛多利斯集团；UV-2550紫外可见分光光度计，岛津企业管理（中国）有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 树脂的筛选

分别称取6 种不同类型的树脂2.5 g 于250 mL锥形瓶中，分别加入料酒100 mL，置于恒温水浴摇床中，转速设定为150 r/min，时间为10 h，温度为30 ℃。吸附平衡后，根据式（1）计算不同类型树脂对蛋白质的平衡吸附量。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

C0——料酒中蛋白质的初始质量浓度（mg/mL）；

Ce——蛋白质吸附平衡质量浓度（mg/mL）；

m——树脂质量（g）；

v——料酒溶液的体积（mL）。

1.2.2 料酒中蛋白质吸附平衡试验

蛋白质吸附等温线分别在20 ℃、30 ℃、40 ℃下测定[12]，准确称取经预处理的树脂2.5 g于250 mL锥形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒温水浴摇床中，转速为150 r/min恒温振荡。通过测定料酒中蛋白质的浓度考察树脂平衡吸附量。

1.2.3 料酒中蛋白质吸附热力学试验

热力学静态吸附试验同样在20 ℃、30 ℃、40 ℃下测定，准确称取经预处理的树脂2.5 g 于250 mL 锥形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒温水浴摇床中，转速为150 r/min，时间为10 h。测定吸附后料酒中蛋白质的浓度，根据式（1）计算出平衡吸附量。

1.2.4 料酒中蛋白质吸附动力学试验

准确称取经预处理的树脂2.5 g于250 mL锥形瓶中，加入料酒100 mL，置于恒温水浴摇床中，进行吸附动力学试验。每隔一定时间取出一定量的样品，计算树脂吸附量。以时间t为横坐标，不同时间的吸附量为纵坐标，绘制动力学曲线。本文研究不同温度（20 ℃、30 ℃、40 ℃）对料酒中蛋白质吸附动力学的影响。

2 结果与分析

2.1 树脂筛选结果

考察6 种不同类型的树脂对料酒中蛋白质的吸附情况，结果如图1所示。

图1 不同类型树脂对料酒中蛋白质的吸附量

由图1 可以看出，阴离子交换树脂对料酒中蛋白质的吸附量要高于阳离子交换树脂，原因可能是料酒中大部分蛋白质的等电点高于料酒和pH 值，高等电点蛋白质在阴离子交换树脂的吸附量大于阳离子交换树脂，因此吸附的作用可能是蛋白质表面电荷的性质和树脂的离子交换性质共同作用的结果。因此，料酒中蛋白质的吸附平衡和吸附动力学试验用D201树脂进行。

2.2 料酒中蛋白质吸附等温线

D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附等温线如图2 所示。由图2 可知，树脂的吸附量随着料酒中蛋白质含量的增加而增加，且随着温度的升高，树脂的吸附量也有所增加，这表明D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附是吸热过程，温度的升高有利于吸附的进行。

图2 D201树脂对料酒中蛋白质的吸附等温线

为考察蛋白质含量与树脂吸附量之间的定量关系[13-14]，采用常用于描述溶液中溶质的Langmuir和Freundlich模型对吸附等温线进行拟合。

Langmuir吸附等温线模型如式（2）所示。

式中：Qe——平衡吸附量（mg/g）；

Qm——饱和吸附量（mg/g）；

KL——Langmuir方程参数（L/g），与吸附自由能相关；

Ce——吸附平衡时蛋白质的质量浓度（g/L）。

Freundlich吸附等温线模型如式（3）所示。

式中：KF——Freundlich 常数（（mg/g）（L/g）1/n），表明吸附质的吸附能力；

n——Freundlich 指数，表明吸附质与吸附剂之间的亲和力，当n＞1（1/n＜1）表明该吸附过程是优惠型吸附过程。

采用Langmuir和Freundlich模型对料酒中蛋白质的吸附等温线实验数据进行拟合，通过非线性回归方程求出各模型的参数，并对结果进行分析，结果如表1所示。

省人医周边配套交通设施较为完善，门诊门口就有公交站台和出租车上下客点。但是这些交通配套设施的位置布局和管理还有待改善。由于医院周围有派出所、学校、公园等公共场所，导致在医院门口公交站上下车的人流更加频繁。另外，医院周边的出租车服务尚不完善，缺少内外衔接的出租车候客泊位和机动车临时上下客点，车辆只能在医院门诊门口沿街上下客，高峰期出租车违章占道停车现象严重，对医院及周边道路交通干扰很大，整体交通秩序还有待改善。

其中，Langmuir模型的回归方程依次为：

Freundlich模型的回归方程依次为：

由表1 拟合结果可以看出，Langmuir 模型能够更好地拟合不同温度下蛋白质在D201 树脂上的吸附等温线。料酒中蛋白质在D201 树脂上的吸附量随温度的升高而提高，表明蛋白质在树脂上的吸附是吸热过程[15-16]。由表1 Langmuir 模型可知，D201树脂对料酒中蛋白质最大吸附量为112.26 mg/g，Freundlich 模型的常数KF值随着温度的升高而增大，也表明树脂对蛋白质的吸附能力随着温度的升高而提高。此外，在不同温度下，Freundlich 模型指数1/n 值均小于1，表明蛋白质在D201 树脂上的吸附是优惠型吸附过程[17]。

表1 料酒中蛋白质的吸附平衡参数

2.3 树脂静态吸附热力学参数

从吸附热力学参数中可以反映温度对于吸附过程的影响，其中主要包含吸附焓变ΔH、吸附自由能变ΔG、吸附熵变ΔS[18-19]。对应热力学参数值的计算及相互间的计算方程如公式（4）—（6）所示。

式中，R——理想气体常数，8.314 J/mol·K；

T——绝对温度，K；

C——常数；

KL——Langmuir模型的平衡常数。

各热力学参数结果如表2所示。

表2 料酒中蛋白质在不同吸附量下的热力学参数

由表2 可知，焓变ΔH＞0，表明D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附过程为吸热过程，温度升高有利于吸附的进行，这与吸附等温线拟合的结果相同，同时，焓变ΔH 的绝对值均＜40 kJ/mol，表明该吸附过程为物理吸附过程[20-21]，吸附自由能变ΔG均为负值，表明该吸附过程可自发进行，吸附熵变ΔS＞0，表明料酒中蛋白质在D201 树脂上的吸附是熵增加的过程，这是由于在溶液中，溶质的吸附往往伴随着溶剂的脱附，同时由于吸附质的摩尔体积大于水的摩尔体积，大量的水分子会回到溶液中作自由运动，从而导致吸附质分子在树脂表面上的运动相较于在溶液中更加自由，所以吸附后熵增加，也加剧了整个体系的混乱程度[22]。

2.4 树脂静态吸附动力学曲线

在30 ℃下，D201 树脂对料酒中蛋白质的静态吸附曲线如图3 所示。由图3 可知，随着时间的延长，树脂对蛋白质的吸附量逐渐增加，当吸附时间在0～180 min 内，树脂对蛋白质的吸附量增加迅速，在180～300 min 内增加速度减慢，300 min 后树脂的吸附量趋于平衡。

图3 D201树脂对料酒中蛋白质的静态吸附曲线

为了考察料酒中蛋白质在D201 树脂上的吸附动力学特征及其吸附机理，将静态吸附数据进行动力学模型拟合分析，从而进一步描述静态吸附过程。拟一阶和拟二阶动力学模型基本上包含了吸附所有的过程，采用这两种动力学模型拟合实验数据可以真实揭露树脂对蛋白质的吸附机理[23-24]。为进一步了解吸附动力学过程，同时采用Weber-Morris 颗粒内扩散方程来描述和分析静态吸附过程。具体方程如公式（7）—（9）所示。

准一阶动力学模型如式（7）所示。

式中：k1——准一阶速率常数（min-1）；

Qe——吸附平衡时的蛋白质吸附量（mg/g）；

Qt——t时刻蛋白质的吸附量（mg/g）；

t——吸附所用时间（min）。

准二阶动力学模型如式（8）所示。

式中：k2为准二阶速率常数（g/mg·min）。

Weber-Morris颗粒内扩散方程如式（9）所示。

式中：ki为颗粒内扩散速率常数（mg·min1/2·g）；I为常数。

分别采用上述3 种动力学方程对静态吸附的实验结果进行拟合，得出各个模型的参数和相关系数，结果见表3。

表3 动力学模型拟合方程及参数

由表3 可知，3 个动力学模型的相关系数R2均大于0.95，可以较好的描述D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附过程。其中，拟二阶动力学模型的相关系数最大，且其拟合的平衡吸附量49.45 mg/g 与实测值49.7 mg/g 最为接近，说明拟二阶动力学模型方程能够更好的描述D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附行为，这说明此吸附过程中吸附质的吸附速率与其含量的二次方成正比，吸附过程可能涉及到吸附剂与吸附质之间的电子共用或转移，表明此吸附过程也受到化学吸附机理的控制[25]。采用Weber-Morris 颗粒内扩散方程来进一步分析不同阶段的吸附机理，结果表明，D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附行为分为薄膜扩散和颗粒内扩散两个阶段，表明整个吸附过程受到薄膜扩散和颗粒扩散作用的共同作用。

3 结论

通过静态吸附试验，本研究从6 种不同类型的树脂中筛选出了最合适的D201 大孔树脂用于料酒中蛋白质的吸附。等温吸附试验结果表明，D201树脂在20～40 ℃范围内对料酒中蛋白质的吸附随温度的升高而增加，此外，料酒中蛋白质的质量浓度在0.5～2.5 mg/mL 范围内。吸附平衡试验表明，Langmuir 模型可以更好地拟合蛋白质吸附等温线，料酒中蛋白质在树脂上的吸附量与温度成正比，即温度升高有利于蛋白质在树脂上的吸附。吸附热力学试验结果表明，D201 大孔吸附树脂对料酒中蛋白质的吸附是自发的吸热的物理吸附过程，这与等温吸附试验结果相一致。吸附动力学试验结果表明，蛋白质吸附动力学曲线符合拟二阶动力学模型，说明在此吸附过程中还包含化学吸附。

Weber-Morris 颗粒内扩散方程进一步表明，D201 树脂对料酒中蛋白质的吸附行为分为薄膜扩散和颗粒内扩散两个阶段，表明整个吸附过程受到薄膜扩散和颗粒扩散作用的共同作用。目前，离子交换树脂在酒类产品的生产中已被广泛的应用，尤其是在保证和提高酒类产品的质量方面起到了极其重要的作用，同时还具有操作简便、效率高等优点。本研究表明，D201 大孔吸附树脂对料酒中蛋白质的吸附量较大，可适用于发酵酒类中蛋白质类沉淀的去除。此外，本研究仅通过静态吸附试验筛选了适宜树脂以及测定其饱和吸附量，在实际应用中，由于动态平衡等原因，动态吸附量往往比静态吸附量小，因此需通过动态吸附试验测定树脂的实际饱和吸附量，以此作为树脂使用量的判断标准。