王翼玮,王 栋,徐 岩,赵光鳌

(江南大学工业生物技术教育部重点实验室,食品安全与营养协同创新中心,江南大学生物工程学院酿造微生物及应用酶学研究室,江苏无锡 214122)

黄酒中氨基甲酸乙酯吸附去除的动力学和热力学研究

王翼玮,王 栋*,徐 岩*,赵光鳌

(江南大学工业生物技术教育部重点实验室,食品安全与营养协同创新中心,江南大学生物工程学院酿造微生物及应用酶学研究室,江苏无锡 214122)

有效控制黄酒中氨基甲酸乙酯含量(EC)对于黄酒食品安全和行业发展具有重要意义。本研究通过筛选得到能够有效吸附黄酒中EC的吸附树脂,对EC吸附去除率在70%以上,该树脂具有良好的吸附性能和再生能力。对其吸附动力学和热力学特性进行考察,结果表明该树脂吸附黄酒中EC的过程符合准二级动力学模型,树脂的表观吸附活化能Ea为8.89×103kJ/mol。热力学研究表明,该树脂吸附EC符合Freundlich方程,该吸附过程是自发地、熵增加的吸热过程。研究结果为高效、简便去除黄酒中EC的工业化应用提供了依据。

黄酒,氨基甲酸乙酯(EC),吸附树脂,动力学,热力学

氨基甲酸乙酯(Ethyl Carbamate,简称EC)存在于许多发酵食品和酒饮料中[1-2],研究表明EC具有一定的致癌作用[3]。黄酒酿造过程中,也会生成一定量的氨基甲酸乙酯[4],降低或去除黄酒中的氨基甲酸乙酯成为黄酒行业发展的必然要求。如何控制EC含量已成为目前黄酒行业研究的热点之一。

目前,国内外对发酵食品及酒精饮料中氨基甲酸乙酯的研究主要集中在EC产生机理与检测方法等方面,关于控制或降低氨基甲酸乙酯含量也提出了一些策略和方法[5]。这些方法多以控制EC形成的前体物质为主,直接降低产品中氨基甲酸乙酯含量的报道并不多见,而关于直接控制黄酒中氨基甲酸乙酯含量的报道相对更少。Park等人采用炭吸附方法可降低饮料酒中的氨基甲酸乙酯含量[6],但对酒的风味品质有一定的影响。本课题组前期使用特异性功能树脂静态处理黄酒可有效降低黄酒中的EC含量,并基本保持黄酒的品质[7];林文浩等人采用助剂产品对黄酒中的氨基甲酸乙酯进行处理也得到了较好的结果[5]。但是,上述方法对EC的处理效果仍须提高,仍存在着吸附材料的吸附机制尚不清楚,难以指导工业化放大等问题。

本研究通过进一步筛选,获得对黄酒中EC吸附效率更高的树脂吸附材料,并对其EC吸附的动力学与热力学进行研究,探讨吸附机理,为工业化应用提供理论依据,对尽快实现黄酒中氨基甲酸乙酯的控制和减除具有重要意义。

表1 树脂筛选结果Table 1 Adsorption result with different resin

注:*数据来源于相关产品使用说明。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黄酒样品 为得到不同EC含量的黄酒样品,将市售浙江地区黄酒(酒精度范围12.0%～15.0%(v/v),半干型,pH4.1～4.3)经高温(70℃)加热处理,得到EC含量范围约为250.00～650.00μg/L的不同样品。

氨基甲酸乙酯标准品、氨基甲酸丙酯标准品 Sigma-Aldrich公司;NaOH、盐酸、乙醇、甲醛溶液等 中国医药集团化学试剂有限公司;所用吸附树脂为市售大孔结构吸附树脂,包括:D202、D750、D890 杭州争光实业股份有限公司;201X7,DA-201 郑州勤实科技有限公司;D751 汇珠科技(上海)有限公司;XAD761、XAD7、XAD4 罗门哈斯公司。

固相微萃取PA萃取头、固相微萃取DVB/CAR/PDMS三相萃取头 美国Sigma-Aldrich公司;多功能进样系统(MPS2) 德国Gerstel公司;Agilent 6890N GC-5973 MS气相色谱质谱联用仪 美国Agilent公司;超声波清洗仪E60H 德国Elma公司;PB2002-N称量天平、AB204-E分析天平 瑞士Mettler-Toledo公司。

1.2 实验方法

1.2.1 树脂的预处理及再生 树脂预处理:100mL湿体积树脂,用含3%NaOH和7%NaCl的水溶液200mL浸泡12h,去离子水洗至pH呈中性;再用4%的盐酸溶液200mL浸泡12h,去离子水洗至pH呈中性;用95%乙醇溶液200mL浸泡12h,去离子水洗至无醇味。备用。

树脂再生:将吸附处理过的100mL湿体积树脂用含3%NaOH和7%NaCl的水溶液200mL浸泡12h,去离子水洗至pH呈中性;再用4%的盐酸溶液200mL浸泡12h,去离子水洗至pH呈中性,备用。

1.2.2 吸附材料的静态筛选 称取2.5～5mL预处理后的湿体积树脂置于150mL具塞磨口三角瓶中,加入黄酒50mL。在一定温度下、转速为150r/min的恒温震荡培养箱中震荡吸附24h。取黄酒上清液检测EC含量,根据物料衡算计算一定量树脂所吸附的EC的量[7]。

1.2.3 EC的检测 使用顶空-固相微萃取-气质联用技术测定黄酒中氨基甲酸乙酯含量[8]。

1.2.4 常规指标测定 酒精度、总酸、总糖、氨基酸态氮的测定参照GB/T 13662-2008 黄酒[9]。

1.2.5 静态吸附动力学特性的测定 取样点分为:20、40min,1、2、6、12、24、48、72、96h。检测黄酒中的EC含量直到达到吸附平衡[10]为止。动力学曲线中树脂在某一取样点的吸附去除率按式(1)计算:

式(1)

式中:X为吸附去除率;C0为黄酒中EC浓度(μg/L),Ce为吸附平衡后溶液中EC浓度(μg/L)[10]。

1.2.6 静态吸附等温线的测定 称取10mL预处理后的湿体积树脂于150mL具塞三角瓶中,加入50mL不同EC浓度(200、300、400、600、800、1200μg/L)的样品,分别在恒温283、293、303K下,150r/min的条件下吸附。达到平衡后,取液体检测EC浓度(Ce),计算出平衡吸附量(Qe),以平衡吸附量(Qe)对平衡浓度(Ce)作图即为静态吸附等温线[11]。

式(2)

式中:Qe为树脂的平衡吸附量(μg/mL),按湿树脂的重量计算;C0为黄酒的起始EC浓度(μg/L);Ce为溶液的平衡浓度(μg/L);V为溶液的体积(mL);w为树脂的湿体积(mL)。

2 结果与讨论

2.1 树脂的吸附及使用效果

2.1.1 树脂的吸附效果 本课题组前期研究表明,采用特定吸附树脂吸附去除黄酒中的EC可达到较好的效果,而且对黄酒品质也没有显著影响[7],但是对EC含量相对较高的黄酒样品处理效果不够理想。在此基础上,本研究针对EC含量相对较高(320μg/L)的黄酒样品,从相似类型的多种树脂中,进一步进行筛选,以期获得EC吸附效果更好的树脂。以5%树脂用量进行吸附处理,筛选结果如表1所示。

在30℃下,经比较,5号树脂的EC吸附效果优于其他吸附材料。使用10%该树脂进一步进行处理,吸附前后黄酒的主要理化指标结果如表2所示。

表3 不同EC初始浓度吸附结果Table 3 The adsorption rate of different initial concentration of EC

从表2看出,该树脂对于黄酒中EC的吸附去除率达到了74.01%,经过EC吸附的黄酒样品,各主要指标变化均不大。其中,变化较大的氨基酸态氮和总酸度,分别下降10%左右,但仍然符合黄酒的产品标准[12]。可以认为采用该树脂可以有效吸附黄酒中的EC,而对黄酒其他指标影响不大。综上所述,选择该吸附树脂进行进一步吸附去除与吸附机理研究。

2.1.2 树脂再生使用效果 树脂的再生使用可显著降低树脂使用成本。为此,对使用过的树脂进行多次再生处理,重复使用,考察其吸附效果的变化情况,在30℃下结果如图1所示。

图1 树脂再生对吸附效果的影响Fig.1 The influence of resin regenerations注:黄酒初始EC浓度为320.25μg/L。

结果表明,经过7次再生的树脂,吸附黄酒中EC的性能没有明显变化。经过吸附处理后,黄酒中EC浓度下降情况相似,EC吸附去除率均在75%左右,表明树脂的再生处理效果是稳定的。树脂的反复再生使用,提高了树脂的利用效率,降低了黄酒企业的生产成本,提高了工业化的可行性。

2.1.3 不同EC浓度黄酒的吸附去除效果 使用该树脂进一步对不同初始EC浓度的黄酒样品进行吸附去除,对该树脂的吸附特性进行考察,比较吸附效果,在30℃下的结果如表3。

通过对不同EC初始浓度黄酒的吸附实验,该树脂吸附黄酒中EC的吸附去除率为59.71%～75.00%。从吸附结果看,采用此吸附树脂可以有效降低黄酒中的EC浓度,对于初始EC浓度在400μg/L以下的黄酒,树脂吸附去除率可达到70%以上。对于初始EC浓度600μg/L的黄酒,树脂吸附去除率也可维持在60%左右。所以,该吸附树脂对于黄酒中氨基甲酸乙酯有较好的吸附去除作用,对于不同初始EC浓度的黄酒,都能有较好的去除效果。

2.2 树脂材料吸附黄酒中EC的动力学研究

2.2.1 树脂吸附EC的平衡吸附曲线 为了对树脂吸附黄酒中EC的动力学进行研究,首先考察了不同温度下树脂吸附黄酒中EC的平衡吸附情况,绘制相应的平衡吸附曲线,283、293、303K三个温度下的平衡吸附曲线如图2所示。

图2 树脂吸附EC的平衡吸附曲线Fig.2 The equilibrium adsorption curve at different temperature注:黄酒初始EC浓度为399.25μg/L。

由图2可知,该树脂材料在三个温度下对EC的吸附在50h左右均达到吸附平衡。其中在吸附进行的前12h吸附速度较快。经计算,各温度下吸附作用的前2h,吸附量就达到了平衡吸附量的41.60%～64.94%;吸附进行12h,吸附量达到平衡吸附量的84.32%～85.12%。可以认为该树脂能够在较短的时间内对于黄酒中的EC进行吸附,可有效提高处理效率,对于实际工业应用具有处理速度较快,处理时间较短的优势。

2.2.2 吸附动力学模型 对于吸附过程一般使用准一级或准二级动力学模型进行拟合[13]。采用准一级与准二级动力学方程对293K温度下树脂吸附黄酒中EC进行拟合,经计算,结果如表4所示:

表4 准一级与准二级动力学方程拟合结果Table 4 Fitting result of pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models

注:Qe为树脂在达到吸附平衡时的吸附量(μg/mL),k为速率常数。

通过对比可以看出,准二级动力学模型很好地拟合了该树脂吸附EC的静态吸附过程,R2值达到了0.9995,此条件下Qe=1.41μg/mL,k=0.39。表明在此条件下的树脂平衡吸附量为1.41μg/mL,速率常数为0.39。

在283、303K温度下,树脂同样符合准二级动力学模型(数据略),相关模型参数的拟合结果如表4所示。与2.2.1中实测平衡吸附量1.39μg/mL接近,说明采用准二级动力学模型可以对该树脂吸附EC的静态吸附动力学进行准确的拟合。

表5 不同温度下准二级动力学参数Table 5 Parameters of pseudo-second order kinetic at different temperature

从表5得知,温度升高,平衡吸附量Qe升高。表明在一定温度范围内升温有利于树脂对黄酒中氨基甲酸乙酯的吸附。

由于吸附过程符合准二级反应动力学,根据Arrhenius方程,由反应常数k与T的关系[14],可计算得到该树脂吸附EC的表观活化能Ea约为8.89×103kJ/mol。活化能的大小代表反应阻力的大小,也反映出温度对反应速度的影响程度。此反应活化能较高,说明该吸附过程对温度的改变较为敏感,升高温度有利于提高该树脂对于黄酒中氨基甲酸乙酯的吸附去除率。

2.3 树脂材料吸附EC的热力学研究

2.3.1 树脂吸附EC的吸附等温曲线 在不同温度下,考察了树脂对不同EC浓度样品的平衡吸附效果。在283、293、303K三个温度下,树脂对氨基甲酸乙酯的吸附等温线如图3所示。

图3 不同温度下的吸附等温线Fig.3 The adsorption isotherms at different temperature

分别采用Langmuir与Freundlich方程描述吸附平衡关系[10]。拟合结果如表6所示。

由拟合结果可知,用Freundlich方程拟合树脂吸附EC的结果更好[14],R2值都在0.99以上。所以,该树脂吸附EC符合Freundlich方程。表明此树脂吸附氨基甲酸乙酯是非定位多分子层吸附,吸附作用力以氢键、范德华力为主。

表6 Langmuir与Freundlich方程拟合结果Table 6 The fitting result of Langmuir and Freundlich Model

2.3.2 吸附过程热力学相关参数 根据树脂的吸附平衡浓度可计算出分配比D。根据van’t Hoff方程:

式(3)

式中R为气体常数,8.314J/(mol·K),T为温度(K),由不同温度T与对应的分配比D,可作图计算得到ΔH和ΔS[15]。再由吉布斯方程:

ΔG=ΔH-TΔS

式(4)

可计算出一定温度下的ΔG。计算结果如表7所示。

表7 热力学参数值Table 7 Thermodynamic parameters

结果表明,在树脂吸附EC的过程中,ΔH>0,说明该吸附过程为吸热反应,升温有利于吸附进行;ΔS>0,说明吸附过程是一个熵增加的过程;ΔG<0,说明该吸附过程为自发过程。

由上述可知,该树脂吸附黄酒中EC的过程较为复杂,且是一个升温有利于吸附的自发进行的吸附过程。理论上可以在一定范围内将吸附时的温度提高来促进吸附过程的进行,而低温不利于该树脂对EC的吸附去除。

3 结论

通过筛选得到一种大孔结构树脂能够较好地吸附减除黄酒中的氨基甲酸乙酯(EC)。在静态吸附条件下,对EC吸附去除率在70%以上,且对黄酒的主要理化指标没有显著影响。树脂再生7次后,吸附性能基本没有变化,表明该树脂具有良好的吸附性能和再生能力。对于EC初始浓度较高(EC含量大于600μg/L)的黄酒样品,EC吸附去除率也可达到60%左右。

该树脂吸附EC的动力学研究表明,该树脂对黄酒中EC的吸附过程符合准二级动力学模型,树脂的表观吸附活化能Ea为8.89×103kJ/mol。热力学研究表明,该树脂吸附EC符合Freundlich方程,293K时,该过程的焓变ΔH为414.44J/mol,熵变ΔS为94.13J/mol,吉布斯自由能变ΔG为-28.107kJ/mol,该吸附过程是自发地、熵增加的吸热过程。结果表明,低温不利于该树脂对黄酒EC的吸附去除,适当提高温度可促进吸附效果。

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Kinetics and thermodynamics for adsorption removal of ethyl carbamate in Chinese rice wine

WANG Yi-wei,WANG Dong*,XU Yan*,ZHAO Guang-ao

(The Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition,Lab of Brewing Microbiology and Applied Enzymology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The effective control of ethyl carbamate(EC)in Chinese rice wine was very important for the food safety and development of the rice wine industry. In this work,adsorption materials were screened for removing EC from Chinese rice wine,and an adsorption resin was obtained with a removal rate of more than 70% for EC. It was also showed good reusability. The adsorption process of the resin could be described by the pseudo-second order kinetic model. The activation energy of adsorption(Ea)was 8.89×103kJ/mol. The adsorption isotherm of EC on the resin could be described with the equation of Freundlich,and it was a spontaneous,entropy increasing and endothermic process. These results were helpful for efficiently and conveniently reducing EC content in Chinese rice wine in industrial scale.

Chinese rice wine;ethyl carbamate;adsorption resin;kinetics;thermodynamics

2014-04-08

王翼玮(1988-),男,硕士,主要从事黄酒中氨基甲酸乙酯去除的研究。

*通讯作者:王栋(1971-),男,博士,副教授,主要从事酿酒科学与技术研究。 徐岩(1962-),男,博士,教授,主要从事酿酒科学与工程研究。

国家高技术研究发展计划(863计划,2013AA102108);国家十二五科技支撑计划课题(2012BAK17B11);江苏省高校优势学科建设工程资助项目。

TS264.2

A

1002-0306(2015)01-0130-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.019