薛秀園 ， 薛月圓

(1. 重慶市合川區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 重慶合川401520 ；2. 呂梁學院化學化工系， 山西呂梁 033000)

殼聚糖對油脂物質吸附性能和再生的研究

薛秀園1， 薛月圓2

(1. 重慶市合川區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 重慶合川401520 ；2. 呂梁學院化學化工系， 山西呂梁 033000)

本文利用殼聚糖優(yōu)異的吸附性能，以粗提花生油為吸附對象，研究殼聚糖(CS)對油脂的吸附性能．結果表明，當殼聚糖用量為0．1g時，在45℃、pH=2、油脂含量為20mL的條件下，殼聚糖對油脂的吸附量最大，最佳吸附時間為2h．

殼聚糖；介質條件；油脂吸附量

目前， 油污染嚴重威脅著環(huán)境， 因而油污染問題日益被人們所重視[1-3]. 現(xiàn)有處理油污染的方法都有缺點， 如二次污染[4]、耗時長、對環(huán)境條件要求嚴格或效果不理想等.

殼聚糖(chitosan,簡寫為CTS)又稱脫乙酰甲殼素， 化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖， 是天然多糖中唯一大量存在的堿性氨基多糖[5]. 殼聚糖因天然無毒、環(huán)境友好、可生物降解、化學性質穩(wěn)定等特點[6]， 其在醫(yī)藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫(yī)學工程等領域的應用研究取得了重大進展[3]， 特別是作為絮凝劑和鰲合吸附劑， 在環(huán)保水處理方面應用廣泛[7-10].

殼聚糖分子中含有羥基、乙酰氨基和氨基， 這決定了它具有特殊的吸附作用. 殼聚糖自身的氨基使其成為聚陽離子體， 與帶負電的脂肪酸產(chǎn)生靜電作用；溶脹后的殼聚糖大分子鏈充分舒展， 對脂肪發(fā)生包裹， 產(chǎn)生包裹作用；溶解或溶脹后的殼聚糖具有黏滯性， 可黏著油脂而對其產(chǎn)生黏滯作用. 在不同的環(huán)境條件下， 吸附油脂的機理不同， 殼聚糖表現(xiàn)出不同的脂肪吸附特征.

殼聚糖可以吸附其自身質量很多倍的油脂[11]. 殼聚糖處理油污的同時又能將其吸附的油脂進行回收利用， 這是一種解決油脂污染的較好的途徑. 因此， 研究影響殼聚糖吸附油脂能力的因素， 目的是通過控制環(huán)境條件來實現(xiàn)對油污高效快速的處理. 本實驗初步研究了殼聚糖對油脂的吸附和解吸附的條件， 為殼聚糖在油污處理中的應用提供參考.

1 材料與儀器

1.1 材料

殼聚糖(山海德貝海洋化工公司， 食品級， 米黃色粉末狀固體， 80目， 脫乙酰度85%)， 花生仁(用于粗提花生油)， 沸石， 石油醚.

1.2 儀器

索氏提取儀， 蒸餾裝置.

2 實驗方法

2.1 花生油的制備

稱取5g烘干粉碎后的花生仁， 裝入濾紙筒內(nèi)密封好， 放入索氏脂肪提取器內(nèi)， 調(diào)整濾紙筒的高度， 使其在抽提管的位置略低于虹吸管的上彎頭處. 向潔凈干燥的燒瓶內(nèi)加入65mL石油醚和幾粒沸石， 連接好裝置， 并接通冷凝水開始水浴加熱， 回流提取2～3h. 當最后一次提取器中的石油醚虹吸到燒瓶中時， 停止加熱. 冷卻后， 將提取裝置改成蒸餾裝置， 用電加熱套小心加熱回收石油醚. 待溫度計讀數(shù)明顯下降時停止加熱， 燒瓶中的殘留物為粗油脂. 待燒瓶中的油脂冷卻后， 放置待用.

2.2 油脂吸附量的測定

采用Czechowska-Biskup等[12]的實驗方法， 通過改變不同的介質條件， 測定殼聚糖對含油脂物質的吸附量， 確定其最佳吸附條件.

準確稱取0.1 g樣品于小燒杯中， 與20mL的花生油混合均勻， 加入pH為2.0的鹽酸水溶液10 mL， 25℃下恒溫攪拌2h后， 冷卻至室溫， 靜置. 待上層的油層與下層物質分開后， 小心移取上層油層， 于120 ℃烘箱中烘干2 h， 取出， 冷卻后稱量. 消耗部分為被吸附量， 計算每克樣品吸附油脂的質量. 脂肪吸附容量按下式計算.

式中， m1為所用油的質量， m2為游離油的質量， m3為樣品的質量.

2.3 不同pH條件下殼聚糖對油脂的解吸附

取0.1g殼聚糖， 在pH=2時吸附花生油達到飽和狀態(tài)， 棄去上層剩余油層后， 將下層物質烘干， 稱重. 分別加入不同pH的硫酸溶液和NaOH溶液， 勻速攪拌1h， 靜置. 將上層的油層與下層物質分開， 將下層剩余干物質稱重， 計算脫油率. 計算公式為

式中，m3為殼聚糖的初始質量，m4為吸油飽和的殼聚糖質量，m5為脫油后的殼聚糖質量.

3 結果與分析

3.1 pH對含油脂物質吸附性質的影響

圖1 殼聚糖的結構式

3.2 殼聚糖用量對含油脂物質吸附性質的影響

25℃條件下， 在20mL的花生油中分別加入0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g的殼聚糖， 吸附結果如圖2所示. 殼聚糖投入量較小時， 油脂吸附量較低， 隨殼聚糖的增加， 吸附量也在增大， 且增速較快. 當殼聚糖用量為0.1g時， 其對油脂的吸附量最大. 隨著殼聚糖投入量的增加， 吸附量又開始呈現(xiàn)下降趨勢. 這是因為在油脂含量一定時， 所需要的殼聚糖的量是有限度的， 當殼聚糖用量為0.1g時， 油脂與殼聚糖的結合比例是最好的.

圖2 殼聚糖分子內(nèi)氫鍵

3.3 溫度對含油脂物質吸附性質的影響

在溫度分別為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃的條件下， 在20mL的花生油中加入0.1g的殼聚糖， 吸附結果如圖3所示. 殼聚糖的吸附量隨溫度的增加先增加后減少， 在45℃時吸附量達到最大值， 為28.3190g/g. 殼聚糖對油脂的吸附是一個動態(tài)過程， 溫度升高會使得整個體系的熱運動加快， 但是， 吸附反應一般又是放熱反應， 溫度升高不利于吸附. 對于殼聚糖， 45℃之前， 其吸附量隨溫度升高是持續(xù)增長的. 這主要是因為隨著溫度的增高， 油滴和殼聚糖粒子的布朗運動現(xiàn)象增強， 彼此之間相互碰撞的機會增加， 這樣使得絮凝物相對來說較易形成， 油脂去除率上升. 當溫度>45℃時， 殼聚糖對油脂的吸附量開始下降. 其原因可能是溫度上升破壞了殼聚糖與油脂之間的作用力， 當溫度升高到一定程度， 殼聚糖的晶體結構就會受到破壞， 由此帶來殼聚糖內(nèi)部結構的變化， 導致其吸附能力呈現(xiàn)下降的趨勢. 這一點與前人的研究結果是一致的[13-14].

圖3 殼聚糖分子間氫鍵

3.4 花生油用量對含油脂物質吸附性質的影響

殼聚糖0.1g， 溫度25℃， 分別加入10mL、20mL、30mL、40mL、50mL的花生油， 吸附結果如圖4所示. 在其他條件不變的情況下， 油脂用量為20mL時， 殼聚糖對油脂的吸附量達到最大值；油脂用量超過40mL后， 殼聚糖對油脂的吸附量呈下降趨勢. 因為當油脂用量過大時， 油脂容易形成較大的液滴， 液滴之間趨向自我凝結的能力增加， 從而使得殼聚糖對油脂的吸附量下降.

圖4 花生油用量對油脂物質吸附的影響

3.5 吸附時間對含油脂物質吸附性質的影響

溫度為25℃時， 在20mL的花生油中加入0.1g殼聚糖， 10mL的鹽酸生理水溶液， 分別恒溫攪拌0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h后， 測定吸附量， 結果如圖5所示. 在吸附的開始階段， 因為吸附時間較短， 殼聚糖對油脂的吸附量還不能達到最大， 隨著時間延長， 殼聚糖對油脂的吸附會有所增加， 而吸附2h后， 吸附量的增加趨于平緩. 這主要是由于殼聚糖是直鏈多糖， 相鄰糖基上基團之間還可以形成氫鍵， 本身的相對分子質量又很大， 所以其發(fā)生溶解化的過程緩慢， 與溶劑分子之間產(chǎn)生溶劑化作用進而使大分子鏈舒展需要一定的時間， 隨著殼聚糖和溶劑之間的溶劑化作用的進行， 大分子鏈能夠有一定程度的舒展， 和脂肪的接觸機會和作用面積大大增加， 尤其是適合形成離子化的基團數(shù)量快速增多， 因而對油脂的吸附能力增加很快， 使得油脂吸附量迅速提高；當吸附的時間足夠長時， 殼聚糖能夠充分地與溶劑進行溶劑化作用， -NH2完全離子化， 此時殼聚糖對脂肪的吸附作用很強， 對脂肪的吸附量達到很高的水平， 一旦殼聚糖上的—NH2完全離子化后， 再延長時間對脂肪吸附量的影響不大.

圖5 吸附時間對含油脂物質吸附性質的影響

3.6 不同pH對殼聚糖脫油的影響

表1是在不同pH條件下殼聚糖的脫油率. 當殼聚糖吸附油脂達到飽和狀態(tài)時， 通過改變?nèi)芤旱膒H值又能讓油脂解吸附， 而且堿性條件解吸附能力比酸性條件要大.

表1 不同pH對殼聚糖解吸附油脂的影響

4 結論

殼聚糖對含油脂物質的吸附能力的最佳吸附條件：當殼聚糖用量為0.1g時， 在45℃、pH=2、油脂含量為20mL的條件下， 殼聚糖對油脂的吸附量最大， 最佳吸附時間為2h.

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[責任編輯 王保玉]

The Study on Chitosan Adsorption and Regeneration of Fat

XUE Xiu-yuan1, XUE Yue-yuan2

(1. Environmental Monitor Station of Chongqing Hechuan, Chongqing 401520, China; 2. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Lvliang University, Lvliang 033000, China)

Based on the Chitosan adsorption capacity, this research selects peanut oil as adsorption object to study the Chitosan (CS) adsorption of fat. When oil content is 20 mL, the results show that the Chitosan adsorption amount of fat (FBC) is the best under the condition of Chitosan dosage for 0.1 g, 45 ℃, hydrochloric acid solution pH=2. And the best adsorption time is 2 hours.

Chitosan; medium conditions; adsorption amount of fat

2017-02-08

薛秀園(1980—)， 女， 山西呂梁人， 碩士研究生. 研究方向：環(huán)境保護.

薛月圓(1978—)， 女， 山西呂梁人,碩士， 副教授. 研究方向：分析化學.

TQ647．3

A

1009-4970(2017)08-0018-04