周灵群
(1.南京航空航天大学经济与管理学院,江苏 南京 210008;2.江南大学食品学院,江苏 无锡 214122)
脱色是食用油精炼加工的关键环节。除脱除色素类物质,油脂脱色过程也是脱除油中微量金属、残留农药、磷、皂、过氧化物等物质的关键过程,对后续的脱臭过程和产品的质量保证均具有重要意义[1-2]。
目前,油脂的脱色方法主要有吸附脱色、光能脱色、热能脱色、酶脱色、超声辅助脱色和膜脱色等[3-5]。其中,吸附脱色因操作相对简单、实用性强,是当前油脂企业加工中最常用的油脂脱色方法;而该脱色方法涉及到吸附剂、甘油三酯、色素以及微量金属等多组元间的繁杂互作;因此选择合适的吸附剂是保证油脂脱色效果的前提条件。除活性炭外,常用的吸附脱色剂主要有两类:以蒙脱石为代表的Smectile族黏土矿物和以凹凸棒石为代表的Hormite族黏土矿物[6]。尤其是凹凸棒石,因具有独特的晶体结构而具有良好的吸附脱色能力,可用于脱除植物油中色素类物质[7-9]。目前国内外关于凹凸棒石的研究相对较少,多数是以应用为目的的研究,主要集中于改性凹凸棒石的结构性质、吸附效果以及脱色条件优化,确定凹凸棒石的最佳吸附参数,并对其吸附特征进行初步解析[10-13]。Tian Guangyan等[8]采用壳聚糖对凹凸棒石进行锻造改性,可有效改善棕榈油颜色。Boki等[14]研究发现,凹凸棒石吸附剂对菜籽油和大豆油中的色素吸附效率高达97%,其脱色效果明显优于其他合成类吸附剂。Min[15]、刘悦[7]等对油脂脱色的过程和机理进行了初步探讨,但对于凹凸棒石油脂脱色行为及吸附机制尚未有明确的定论。此外,食用油组分的多元性和脱色过程反应的复杂性致使凹凸棒石对油脂吸附脱色的研究仍停留于初期探索阶段,其脱色热力学、动力学特征以及脱色机理仍有待进一步探索。
本实验基于凹凸棒石吸附剂独特的物理特性,重点围绕凹凸棒石脱色过程的热力学以及吸附动力学进行研究,结合Freundlich热力学方程阐释其油脂脱色的热力学特征,建立吸附动力学模型描述其色素吸附的特征及规律,结合凹凸棒石性质以解析凹凸棒石油脂吸附脱色的机理,以期为凹凸棒石深度开发及其应用于油脂精炼建立理论依据和科学支撑。
凹凸棒石食品级吸附剂 无锡市欧佰特吸附材料有限公司;实验用大豆油 东海粮油工业有限公司;亚油酸(色谱纯) 美国Sigma公司;类胡萝卜素标准品 新昌思强生命营养品有限公司;磷脂(纯度>98%) 德固赛生物科技有限公司;叶绿素标准品(油溶性) 上海宁凤鸣叶绿素有限公司;其他化学试剂均为国产分析纯。
AB204-N型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;JJ-1型电动搅拌器、HH-4型恒温数显水浴锅 金坛市荣华仪器制造有限公司;循环水真空泵 上海申生科技有限公司;数显鼓风干燥箱上海跃进医疗器械厂;SDT Q600差示扫描量热-热重分析(differential scanning calorimeter-thermogravimetric analysis,DSC-TGA)仪 美国TA公司;D8S AXS型X射线衍射仪 德国Bruker公司;UV2000型紫外-可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司。
1.3.1 吸附热力学实验
添加0.50%~6.00%(油质量)凹凸棒石吸附剂于大豆油中,250 r/min转速条件下混合均匀,并置于不同温度(80、95、110 ℃)条件下脱色40 min。脱色结束后,取出反应物进行过滤即得脱色大豆油,并于475 nm波长处测定其吸光度,其中每个样品至少重复3 次。根据稀溶液理论计算实际吸附量,并将单位吸附剂上的色素吸附量(X/m)作为纵坐标轴,平衡时剩余色素物质的相对含量(Xe)作为横坐标轴绘制曲线,即为凹凸棒石的吸附等温线,确立油脂脱色等温方程并计算K值和N值[16],如式(1)~(3)所示。
式中:A0是脱色前植物油的吸光度;At是t时平衡吸光度;m是吸附剂质量/g;K值是溶质的吸附容量因子,间接体现吸附剂活性或脱色能力;N值代表吸附强度系数。
1.3.2 独立吸附动力学模型的建立
考虑到正己烷对微量组分的高溶解性和低破坏性,本实验选用正己烷纯溶剂体系考察凹凸棒石吸附剂对各种微量成分的吸附影响。具体操作如下:向含有微量成分(叶绿素、类胡萝卜素、磷脂或亚油酸)的正己烷溶液中分别加入精确称量的凹凸棒石吸附剂(质量分数1%),分别在温度20、40、60 ℃下磁力搅拌(转速为250 r/min)一定时间(20 s~120 min)。脱色结束后,对溶液进行冷却、抽滤并收集反应液,考察脱色温度和时间对正己烷体系中叶绿素、类胡萝卜素、磷脂或亚油酸含量的影响。脱色t时凹凸棒石对微量成分的相对吸附量表示为γ,按式(4)计算。
式中:ρA0表示开始时液相中色素类物质的初始质量浓度/(mg/L);ρA表示脱色t时液相中色素类物质的质量浓度/(mg/L)。
Bangham速率方程如式(5)所示。
式中:γ为t时刻相对吸附量;k为吸附速率常数;m为常数。
1.3.3 大豆油体系中吸附动力学实验
将1%(油质量)凹凸棒石吸附剂加入大豆油中,混合均匀,于250 r/min磁力搅拌,并在温度110 ℃下反应20 s~120 min,考察脱色时间对大豆油体系中叶绿素、类胡萝卜素、磷脂和游离脂肪酸含量的影响。
1.3.4 叶绿素含量测定
参照AOCS Off i cial Method Cc 13d-55方法测定叶绿素含量。
1.3.5 类胡萝卜素含量测定
参照GB/T 12291ü1990《水果、蔬菜汁 类胡萝卜素全量的测定》测定正己烷体系和大豆油体系中的类胡萝卜素含量,并按式(6)[17]进行计算。
式中:X是类胡萝卜素含量/(mg/1 000 g);y是所用提取液的使用量/mL;A是吸光度;是胡萝卜素分子平均吸收系数(2 500);m是分析样品的质量/g。
1.3.6 磷脂含量测定
参照AOCS Official Method Cc 12-55方法测定磷脂含量。
1.3.7 游离脂肪酸含量测定
参照AOCS Official Method Ca 5a-40方法测定游离脂肪酸含量。
图1 凹凸棒石吸附剂的显微结构(A)和孔径分布(B)[23]Fig.1 Scanning electron micrograph (A) and pore size distribution (B)of attapulgite[23]
凹凸棒石是一种晶质水合镁铝硅酸盐黏土矿物,具有特殊的矿物形态和针状、纤维状或纤维集合状的晶体结构[18-20]。由凹凸棒石的扫描电子显微镜图1A可知,该吸附剂由大小各异、形状不规则的纤维晶体构成,主要存在形式是短晶束和单晶体。此外,凹凸棒石的结构较为疏松,纤维状晶体堆积且排列杂乱,中间夹杂着大量的孔隙,且孔径大小不一。而由凹凸棒石吸附剂的孔径分布图1B可知,其孔径大小为0.5~20.0 nm,主要集中于1.5~10.0 nm的范围。孔径大小是决定非金属矿类吸附剂吸附效果的重要条件,而孔径为2.5~10.0 nm的孔道是吸附色素类物质的主要孔道区[21-23]。由此可见,凹凸棒石吸附剂孔径完全满足色素吸附的要求,表明该吸附剂孔径分布合理,具有良好的油脂脱色潜能。
图2 凹凸棒石对大豆油中色素类物质的吸附热力学曲线Fig.2 Adsorption isotherms of attapulgite towards soybean oil pigments
从图2可以看出,在相同的脱色温度下,凹凸棒石的热力学吸附等温线形状符合“L型”等温线,前半段呈先上升趋势,吸附量逐渐增加,吸附饱和时达到顶点,而后半段的等温线逐渐向横坐标轴倾斜,吸附量趋于平缓。此外,凹凸棒石的色素吸附能力随温度升高而呈逐渐增强趋势,这可能是由于高温激活吸附剂的活性位点,促进其化学性吸附而提升其油脂脱色能力[1,24]。总体来看,温度的差异并没有改变等温吸附曲线的形状,间接表明脱色温度及其引导的相关变化不足以阐释凹凸棒石的色素吸附模式,仍需进行吸附行为学的研究。
图3 不同温度下凹凸棒石吸附色素类物质的Freundlich热力学吸附方程线性图Fig.3 Linear fi tting with Freundlich equation of attapulgite adsorption towards soybean oil pigments at different temperatures
表1 不同温度下凹凸棒石的Freundlich热力学吸附方程与相关参数Table1 Freundlich equation and its parameters at different temperatures
图3是80、95、110 ℃ 3 种脱色温度条件下凹凸棒石吸附色素的Freundlich热力学方程线性图,并对各个数据点进行线性拟合得到相关性较好的凹凸棒石油脂脱色体系Freundlich方程,结果见表1。在相同的吸附参数下,因脱色温度不同而得的Freundlich方程的K和N值的大小关系为:K(110 ℃)>K(80 ℃)>K(95 ℃),N(110 ℃)>N(80 ℃)>N(95 ℃)。在脱色温度110 ℃时,所得Freundlich方程的K值和N值均为最大值,这可能是高温导致以氢键为主的吸附增强以及部分化学吸附的发生所致[25]。而温度从80 ℃升高至110 ℃的吸附过程中,物理吸附依然处于主导地位,但凹凸棒石吸附剂中更多的活性点被活化,从而加速了化学性吸附,可能主要表现为熵趋动的过程[26-27]。
2.3.1 正己烷体系中凹凸棒石的吸附动力学分析
图4 不同脱色温度下的凹凸棒石吸附动力学曲线Fig.4 Adsorption kinetic curves of attapulgite towards chlorophyll at different temperatures
表2 正己烷体系中凹凸棒石对叶绿素和磷脂的吸附动力学模型参数Table2 Kinetic model parameters for adsorption of chlorophyll and phosphatide onto attapulgite in hexane
因为油脂脱色体系涉及多组元,且影响色素吸附和油品质的因素复杂,所以本研究建立了正己烷纯溶液体系模型用于深入研究凹凸棒石对叶绿素、类胡萝卜素、磷脂和亚油酸的吸附动力学行为。由图4A可知,凹凸棒石在1 min内迅速吸附正己烷溶液中叶绿素,之后吸附趋于平缓。采用Bangham方程对实验数据进行一元线性回归,描述吸附过程中叶绿素的瞬间吸附量与时间的关系(表2)。在温度20 ℃和40 ℃时,两者的吸附动力学曲线几乎重合且Bangham速率方程中k值相近,表明在此温度范围内,该吸附剂对叶绿素的吸附速率差异不显著;而当脱色温度为60 ℃时,吸附动力学曲线及k值均下降,叶绿素的吸附速率减缓,具体表现为平衡吸附量低于低温时的平衡吸附量。究其原因,可能是温度的升高使正己烷体系中凹凸棒石和色素之间发生解析现象,导致叶绿素吸附量下降。
除主色素——叶绿素外,本实验还对正己烷纯体系中的类胡萝卜素吸附效率进行了评价(图4B)。总体而言,凹凸棒石对类胡萝卜素的吸附可分为3 个阶段:1)0~10 min为相对缓慢的初期吸附诱导阶段;2)10~40 min为较快速脱色的中间阶段;3)40 min之后为含量为常数的最终阶段。早期的类胡萝卜素吸附量近似于零,尤其是温度为20 ℃时最为明显,随后进入高吸附速率的中间期。一般而言,单纯的外表面吸附过程相对较为迅速,而类胡萝卜素在不同温度条件下需要30~40 min才能达到吸附平衡。该现象表明类胡萝卜素不单发生外表面吸附,同时存在内表面吸附和孔内吸附的过程。拟合数据并采用准一级Bangham速率方程描述其吸附过程,然而最大吸附量实验值和理论值间误差大,说明准一级速率方程无法真实描述凹凸棒石吸附类胡萝卜素的行为[28]。
由图4C可见,凹凸棒石迅速吸附正己烷溶液中磷脂并在2 min左右达到吸附平衡。拟合各数据点获得凹凸棒石吸附磷脂的Bangham速率方程,模型拟合度高(R2>93%)。从表2可以看出,k值与温度呈负相关关系,随温度升高,凹凸棒石对正己烷体系中的磷脂吸附速率减小,磷脂的平衡吸附量显著降低。这可能是因为高温降低正己烷纯溶液体系中磷脂的物理性吸附,致使吸附剂与吸附质间的范德华力下降,从而降低磷脂吸附的饱和度。
不同脱色温度下正己烷体系中亚油酸的吸附动力学曲线如图4D所示。与叶绿素的吸附曲线相似,凹凸棒石快速吸附正己烷体系中亚油酸,并在2 min左右达到吸附饱和或近饱和阶段。2 min后的亚油酸吸附量处于相对稳定阶段,其吸附量虽有所改变,但改变幅度不明显。温度对亚油酸的吸附作用明显,随温度升高,其在凹凸棒石上的吸附速度提高且平衡吸附量增加,这表明高温促进凹凸棒石吸附亚油酸。
2.3.2 正己烷和大豆油体系中凹凸棒石的吸附动力学比较分析
图5 正己烷体系(A)和大豆油体系(B)中微量成分吸附动力学曲线Fig.5 Adsorption kinetic curves of minor components onto attapulgite in hexane (A) and soybean oil (B)
从图5A中可以看出,当脱色温度固定为60 ℃时,凹凸棒石对正己烷体系中微量成分的吸附可分为两个主要阶段:快速吸附阶段和慢速吸附阶段。在快速吸附阶段,叶绿素、磷脂、亚油酸的初始吸附速度较高,在2 min内达到平衡吸附量,其中叶绿素的吸附速率最大。不同于其他3 种微量组分,凹凸棒石对类胡萝卜素的吸附效率明显变弱,反应进行40 min后才接近或达到吸附饱和状态。根据凹凸棒石对各微量组分的吸附速率排序:叶绿素>亚油酸>磷脂>类胡萝卜素。
图5B是凹凸棒石对大豆油体系中微量成分的吸附动力学曲线。热力学实验表明110 ℃脱色效果最佳,因此大豆油中凹凸棒石的吸附动力学实验温度为110 ℃。与正己烷体系的脱色温度相比,大豆油体系中的高温导致凹凸棒石吸附微量组分的平衡时间延长,其中叶绿素、磷脂和游离脂肪酸吸附平衡时间延长了10~20 min。根据吸附速率排序如下:叶绿素>类胡萝卜素>游离脂肪酸>磷脂。对比大豆油中的两种主色素可知,凹凸棒石对叶绿素的起始吸附效率明显优于其对类胡萝卜素的吸附速率,该脱色剂的吸附行为与Pohndorf[25]和Ribeiro[29]等的研究结果相类似。
比较正己烷和大豆油体系,发现两种体系中凹凸棒石对叶绿素的吸附速率最高,而其他3 种组分的吸附速率各有差别。分析原因,主要有以下3 点:1)正己烷溶液和大豆油极性的差异,在不同的溶剂相中的凹凸棒石选择性吸附进而展现出不同的吸附性能[12];2)吸附操作温度的差异,大豆油体系的脱色温度为110 ℃,而考虑到正己烷的低沸点特性,其吸附操作温度为60 ℃;3)大豆油体系是多种组分共存的复杂体系,组分间存在一定的竞争性吸附。
图6 凹凸棒石吸附剂的差示扫描量热-热重分析曲线(A)和X射线衍射图(B)Fig.6 Differential scanning calorimeter-thermogravimetric analysis prof i les (A) and X-ray diffraction patterns (B) of attapulgite
凹凸棒石吸附剂随温度的升高出现了明显的质量损失现象,在50~150 ℃范围内,质量损失3.21%,出现热吸收峰,此过程可能是高温致使凹凸棒土结构内部的羟基发生部分解离或破坏,但其基本晶形结构仍较为完整(图6)。而大豆油中的叶绿素和类胡萝卜素则是良好的电子供体和受体,与高温下的凹凸棒石以氢键的形式相结合,从而达到氢键吸附色素的目的。
此外,根据上述脱色热力学结果可知,凹凸棒石油脂吸附主要依赖于色素孔道吸附,并包括部分氢键吸附和化学性吸附。据报道,大豆油中两种主体色素——叶绿素和类胡萝卜素的最佳吸收孔径范围分别是6.0~7.5 nm和3.5~15.5 nm[30]。而凹凸棒石具有孔径与比表面积大的特点,因此推断两种色素可部分或全部进入孔径为2~20 nm的孔道(图7)。结合吸附动力学曲线,叶绿素和类胡萝卜素在凹凸棒石上吸附达到平衡的时间并未随温度的升高而缩短,反而吸附饱和所需的时间延长,这说明高温引起的化学吸附并未占据吸附主导地位。在大豆油脱色体系中,凹凸棒石对叶绿素和类胡萝卜素的吸附速率最高,表明在吸附过程中除色素孔道吸附外,同时伴随着化学性吸附的发生。
综上所述,凹凸棒石的孔径可以完全满足对主体色素(类胡萝卜素和叶绿素)的孔道填充吸附,大范围的孔道分布和丰富的孔道数量推动了其脱色大豆油的进程与效果。凹凸棒石油脂吸附脱色的机理主要表现为孔道填充吸附,高温时可能伴随化学吸附的发生,其中典型的是类胡萝卜素的吸附过程,涉及到部分氢键吸附。
图7 凹凸棒石吸附色素的孔道内填充示意图Fig.7 Schematic representation of pigment adsorption into attapulgite pores and channels
本研究以凹凸棒石为油脂脱色的吸附剂,基于其比表面积大、孔径分布幅度广等优点,重点对其吸附热力学和吸附动力学进行分析,描述凹凸棒石吸附剂的色素吸附特征与规律,进而探讨凹凸棒石的吸附脱色机理。主要结论如下:
凹凸棒石吸附剂主晶型是短晶束和单晶体,其孔径分布集中于1.5~10.0 nm的范围内,可用于油脂精炼过程。
脱色热力学分析表明,凹凸棒石的热力学吸附等温曲线符合“L型”等温线,其色素吸附能力随脱色温度升高而增强,但温度的差异并没有改变其对色素类物质的作用模式。
吸附动力学分析表明,叶绿素、类胡萝卜素等微量成分在凹凸棒石上的吸附过程可划分为:快速吸附阶段和慢速吸附阶段。在单组分独立吸附动力学模型中,叶绿素的吸附速率>亚油酸的吸附速率>磷脂的吸附速率>类胡萝卜素的吸附速率;在大豆油复杂体系中,叶绿素的吸附速率>类胡萝卜素的吸附速率>游离脂肪酸的吸附速率>磷脂的吸附速率。此外,温度的升高延长了微量成分在凹凸棒石上达到吸附饱和所需的时间。
凹凸棒石的吸附模式主要是孔径填充吸附,而其对类胡萝卜素的吸附伴随有部分氢键吸附和化学吸附。