薛秀園 ， 薛月圓

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

殼聚糖對(duì)油脂物質(zhì)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(cè)站， 重慶合川401520 ；2. 呂梁學(xué)院化學(xué)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(duì)象，研究殼聚糖(CS)對(duì)油脂的吸附性能．結(jié)果表明，當(dāng)殼聚糖用量為0．1g時(shí)，在45℃、pH=2、油脂含量為20mL的條件下，殼聚糖對(duì)油脂的吸附量最大，最佳吸附時(shí)間為2h．

殼聚糖；介質(zhì)條件；油脂吸附量

目前， 油污染嚴(yán)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(diǎn)， 如二次污染[4]、耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)格或效果不理想等.

殼聚糖(chitosan,簡(jiǎn)寫為CTS)又稱脫乙酰甲殼素， 化學(xué)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)[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(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)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(yīng)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(fù)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(duì)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(duì)其產(chǎn)生黏滯作用. 在不同的環(huán)境條件下， 吸附油脂的機(jī)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(zhì)量很多倍的油脂[11]. 殼聚糖處理油污的同時(shí)又能將其吸附的油脂進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)油污高效快速的處理. 本實(shí)驗(yàn)初步研究了殼聚糖對(duì)油脂的吸附和解吸附的條件， 為殼聚糖在油污處理中的應(yīng)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(jí)， 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(shí)驗(yàn)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?jī)?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(dāng)最后一次提取器中的石油醚虹吸到燒瓶中時(shí)， 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(jì)讀數(shù)明顯下降時(shí)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(cè)定

采用Czechowska-Biskup等[12]的實(shí)驗(yàn)方法， 通過改變不同的介質(zhì)條件， 測(cè)定殼聚糖對(duì)含油脂物質(zhì)的吸附量， 確定其最佳吸附條件.

準(zhǔn)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?cái)嚢?h后， 冷卻至室溫， 靜置. 待上層的油層與下層物質(zhì)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(jì)算每克樣品吸附油脂的質(zhì)量. 脂肪吸附容量按下式計(jì)算.

式中， m1為所用油的質(zhì)量， m2為游離油的質(zhì)量， m3為樣品的質(zhì)量.

2.3 不同pH條件下殼聚糖對(duì)油脂的解吸附

取0.1g殼聚糖， 在pH=2時(shí)吸附花生油達(dá)到飽和狀態(tài)， 棄去上層剩余油層后， 將下層物質(zhì)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(zhì)分開， 將下層剩余干物質(zhì)稱重， 計(jì)算脫油率. 計(jì)算公式為

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

3 結(jié)果與分析

3.1 pH對(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)的影響

圖1 殼聚糖的結(jié)構(gòu)式

3.2 殼聚糖用量對(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)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(jié)果如圖2所示. 殼聚糖投入量較小時(shí)， 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(dāng)殼聚糖用量為0.1g時(shí)， 其對(duì)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(shì). 這是因?yàn)樵谟椭恳欢〞r(shí)， 所需要的殼聚糖的量是有限度的， 當(dāng)殼聚糖用量為0.1g時(shí)， 油脂與殼聚糖的結(jié)合比例是最好的.

圖2 殼聚糖分子內(nèi)氫鍵

3.3 溫度對(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)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(jié)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(shí)吸附量達(dá)到最大值， 為28.3190g/g. 殼聚糖對(duì)油脂的吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程， 溫度升高會(huì)使得整個(gè)體系的熱運(yùn)動(dòng)加快， 但是， 吸附反應(yīng)一般又是放熱反應(yīng)， 溫度升高不利于吸附. 對(duì)于殼聚糖， 45℃之前， 其吸附量隨溫度升高是持續(xù)增長(zhǎng)的. 這主要是因?yàn)殡S著溫度的增高， 油滴和殼聚糖粒子的布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象增強(qiáng)， 彼此之間相互碰撞的機(jī)會(huì)增加， 這樣使得絮凝物相對(duì)來說較易形成， 油脂去除率上升. 當(dāng)溫度>45℃時(shí)， 殼聚糖對(duì)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(dāng)溫度升高到一定程度， 殼聚糖的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)受到破壞， 由此帶來殼聚糖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化， 導(dǎo)致其吸附能力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì). 這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)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(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)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(jié)果如圖4所示. 在其他條件不變的情況下， 油脂用量為20mL時(shí)， 殼聚糖對(duì)油脂的吸附量達(dá)到最大值；油脂用量超過40mL后， 殼聚糖對(duì)油脂的吸附量呈下降趨勢(shì). 因?yàn)楫?dāng)油脂用量過大時(shí)， 油脂容易形成較大的液滴， 液滴之間趨向自我凝結(jié)的能力增加， 從而使得殼聚糖對(duì)油脂的吸附量下降.

圖4 花生油用量對(duì)油脂物質(zhì)吸附的影響

3.5 吸附時(shí)間對(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)的影響

溫度為25℃時(shí)， 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?cái)嚢?.5h、1h、1.5h、2h、2.5h后， 測(cè)定吸附量， 結(jié)果如圖5所示. 在吸附的開始階段， 因?yàn)槲綍r(shí)間較短， 殼聚糖對(duì)油脂的吸附量還不能達(dá)到最大， 隨著時(shí)間延長(zhǎng)， 殼聚糖對(duì)油脂的吸附會(huì)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(tuán)之間還可以形成氫鍵， 本身的相對(duì)分子質(zhì)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(jìn)而使大分子鏈?zhǔn)嬲剐枰欢ǖ臅r(shí)間， 隨著殼聚糖和溶劑之間的溶劑化作用的進(jìn)行， 大分子鏈能夠有一定程度的舒展， 和脂肪的接觸機(jī)會(huì)和作用面積大大增加， 尤其是適合形成離子化的基團(tuán)數(shù)量快速增多， 因而對(duì)油脂的吸附能力增加很快， 使得油脂吸附量迅速提高；當(dāng)吸附的時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)， 殼聚糖能夠充分地與溶劑進(jìn)行溶劑化作用， -NH2完全離子化， 此時(shí)殼聚糖對(duì)脂肪的吸附作用很強(qiáng)， 對(duì)脂肪的吸附量達(dá)到很高的水平， 一旦殼聚糖上的—NH2完全離子化后， 再延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)脂肪吸附量的影響不大.

圖5 吸附時(shí)間對(duì)含油脂物質(zhì)吸附性質(zhì)的影響

3.6 不同pH對(duì)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(dāng)殼聚糖吸附油脂達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)， 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(duì)殼聚糖解吸附油脂的影響

4 結(jié)論

殼聚糖對(duì)含油脂物質(zhì)的吸附能力的最佳吸附條件：當(dāng)殼聚糖用量為0.1g時(shí)， 在45℃、pH=2、油脂含量為20mL的條件下， 殼聚糖對(duì)油脂的吸附量最大， 最佳吸附時(shí)間為2h.

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[責(zé)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(hù).

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

TQ647．3

A

1009-4970(2017)08-0018-04