杜 杰，郭彩霞（.山西大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

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廢啤酒酵母菌對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附作用

杜 杰1，郭彩霞2,*
（1.山西大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

摘 要：以啤酒廠廢棄啤酒酵母菌為吸附劑，研究其對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附效果和機(jī)理。結(jié)果表明，廢啤酒酵母菌表面具有大量吸附展青霉素的基團(tuán)，吸附時(shí)間、溫度、pH值和展青霉素初始質(zhì)量濃度是影響吸附的重要因素，吸附過程在20 h達(dá)到平衡，pH值為4.0時(shí)，繼續(xù)增加pH值，吸附率變化不大；隨著溫度的升高，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附率呈上升趨勢(shì)；展青霉素的吸附率隨著展青霉素初始質(zhì)量濃度的增加而降低，且達(dá)到平衡時(shí)間變短。模型分析結(jié)果表明，Langmuir等溫吸附模型可以有效模擬廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附過程，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的最大吸附量在4、25、37 ℃分別為3.70、5.05、5.99 μg/g。廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，屬于自發(fā)的吸熱過程。

關(guān)鍵詞：展青霉素；廢啤酒酵母菌；吸附

引文格式：

杜杰,郭彩霞.廢啤酒酵母菌對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附作用[J].食品科學(xué),2016,37(5):56-61.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605011.http://www.spkx.net.cn

DU Jie,GUO Caixia.Adsorption of patulin from apple juice by waste beer yeast[J].Food Science,2016,37(5):56-61.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605011.http://www.spkx.net.cn

展青霉素（patulin）又叫棒曲霉素，是一種由青霉屬、曲霉屬及絲衣霉屬中多種微生物產(chǎn)生的真菌毒素，具有廣泛的生理及細(xì)胞毒性[1-2]。蘋果和蘋果制品受展青霉素污染最為嚴(yán)重，展青霉素在蘋果汁中穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)，80 ℃加熱10～20 min有50%殘留，果汁在60～90 ℃條件下巴氏殺菌處理10 s僅僅能降低18.8%展青霉素的含量[3]，故引入蘋果濃縮汁中的機(jī)率很大，人類飲食中的展青霉素主要來源于被霉菌污染的蘋果和蘋果汁[4-5]，展青霉素已成為判斷蘋果汁質(zhì)量安全性的一個(gè)重要指標(biāo)[6]。因此，2004年，美國(guó)食品藥品管理局（U.S.Food and DrugAdministration，F(xiàn)DA）規(guī)定濃縮蘋果汁和蘋果凊汁中展青霉素的限量標(biāo)準(zhǔn)為50 μg/L[7]。

目前，對(duì)于展青霉素的控制方法，主要有物理方法、化學(xué)方法以及生物方法。其中，物理方法主要采用揀選、清洗、澄清、過濾、吸附、電磁輻射、微波處理以及紫外照射等措施對(duì)原料果及受展青霉素污染的蘋果汁進(jìn)行處理[8-12]。這些方法雖然能夠有效降低展青霉素的含量，但不能完全杜絕。澄清、過濾等方法在去除展青霉素的同時(shí)，會(huì)引起果汁感官品質(zhì)和理化性質(zhì)的變化；而電磁輻射、微波處理以及紫外照射等手段，劑量低不足以完全降解展青霉素，劑量過高會(huì)引起果汁營(yíng)養(yǎng)成分的損失。常用的化學(xué)去除方法有氨化作用、高錳酸鉀氧化法、硫化處理、添加有機(jī)酸和維生素以及臭氧處理法等措施[13-17]。同樣，這些方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)展青霉素的降解，但存在效果不穩(wěn)定，化學(xué)物質(zhì)與展青霉素反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)后的降解產(chǎn)物不確定等缺點(diǎn)。而且在食品中添加化學(xué)添加劑是不被提倡的，在一定程度上影響了食品的天然性。生物控制方法主要有生物降解和生物吸附兩種。目前，對(duì)于展青霉素的降解，主要是酵母菌，而其余微生物如乳酸菌等未見報(bào)道。研究表明，酵母菌對(duì)展青霉素的降解有非常好的效果[18-19]，但這一方法僅局限于發(fā)酵產(chǎn)品中。生物吸附作為一種新興的展青霉素處理技術(shù)，其成本低廉、吸附特異性強(qiáng)、對(duì)目標(biāo)物去除效率高、且來源豐富，是一種發(fā)展前景十分廣闊的新興方法。已有研究表明，死體微生物吸附劑對(duì)蘋果汁中展青霉素具有很好的吸附效果[20-22]。本研究利用啤酒發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢棄啤酒酵母菌作為吸附劑，在研究了吸附時(shí)間、pH值、溫度、展青霉素初始質(zhì)量濃度等影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)吸附等溫線、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作了進(jìn)一步的研究，為廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素吸附性能和吸附機(jī)理的深入研究奠定基礎(chǔ)，也為開發(fā)新型廉價(jià)高效吸附材料提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

廢啤酒酵母菌由山西朔州燕京啤酒廠提供；蘋果汁由市售新鮮蘋果直接壓榨過濾而成，經(jīng)高效液相色譜測(cè)定未含有展青霉素。

展青霉素標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%）、甲醇（色譜級(jí)）、乙腈（色譜級(jí)） 美國(guó)Sigma公司；乙酸乙酯、無水硫酸鈉、碳酸鈉等。

1.2儀器與設(shè)備

LC-2010AHT高效液相色譜儀、UV-2550紫外分光光度計(jì) 日本島津公司；PM180R冷凍離心機(jī) 德國(guó)SIM公司；NICOLET AVATAR傅里葉紅外光譜儀 美國(guó)Nicolet公司；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城儀器廠。

1.3方法

1.3.1廢啤酒酵母菌的制備及表征

將從啤酒廠獲得的廢啤酒酵母菌泥進(jìn)行高壓蒸汽滅菌15 min，經(jīng)3 600×g離心10 min收集菌體，并用蒸餾水清洗3 次，于60 ℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量，經(jīng)粉碎80 目過篩后，置于干燥器中備用。

將吸附前后的廢啤酒酵母菌烘干，研磨成粉狀，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的溴化鉀充分研磨混合，保持干燥，壓片，利用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定紅外吸附光譜圖。

1.3.2吸附實(shí)驗(yàn)

分別在50 mL含有一定質(zhì)量濃度展青霉素的蘋果汁（pH 4.0）中添加1.0 g廢啤酒酵母菌，隨后將蘋果汁置于恒溫?fù)u床中處理，轉(zhuǎn)速為120 r/min，處理時(shí)間為24 h，溫度為25 ℃。對(duì)照組為沒有添加廢啤酒酵母的蘋果汁，每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。處理結(jié)束之后使用高速冷凍離心機(jī)（3 600×g，15 min，4 ℃）對(duì)蘋果汁進(jìn)行離心，使廢啤酒酵母菌沉淀并與蘋果汁分離，收集上層蘋果汁進(jìn)行提取及檢測(cè)展青霉素的含量。展青霉素吸附率的計(jì)算公式如下：

式中：R為t時(shí)間時(shí)吸附劑對(duì)展青霉素的吸附率/%；ρ0為蘋果汁中展青霉素的初始質(zhì)量濃度/（μg/L）；ρt為吸附t時(shí)間后蘋果汁中剩余展青霉素的質(zhì)量濃度/（μg/L）。

1.3.3吸附時(shí)間對(duì)廢啤酒酵母菌吸附蘋果汁中展青霉素的影響

稱取廢啤酒酵母菌干粉1.0 g，添加到50 mL含有100 μg/L展青霉素的蘋果汁（pH 4.0）中。將裝有蘋果汁的三角瓶置于恒溫?fù)u床中處理，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，處理溫度為25 ℃。處理時(shí)間分別設(shè)置為 0、1、5、10、20、30、40 h。分別在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將樣品取出，冷凍離心（3 600×g，4 ℃）收集上清液，提取純化后檢測(cè)其中展青霉素的含量。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.4pH值對(duì)廢啤酒酵母菌吸附蘋果汁中展青霉素的影響

稱取廢啤酒酵母菌干粉1.0 g添加到50 mL含有100 μg/L展青霉素的蘋果汁中，調(diào)節(jié)pH值分別為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和5.5，將裝有蘋果汁的三角瓶置于恒溫?fù)u床中處理，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，處理溫度為25 ℃，處理時(shí)間為30 h。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將樣品取出，冷凍離心（3 600×g，4 ℃）收集上清液，提取純化后檢測(cè)其中展青霉素的含量。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.5溫度對(duì)廢啤酒酵母菌吸附蘋果汁中展青霉素的影響

通過改變所處環(huán)境的溫度來考察溫度對(duì)廢啤酒酵母菌干粉吸附展青霉素的影響。將添加1.0 g廢啤酒酵母菌干粉的展青霉素蘋果汁溶液（50 mL，100 μg/L，pH 4.0）分別置于4、25、37 ℃條件下進(jìn)行恒溫?fù)u床處理，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，處理時(shí)間分別設(shè)置為0、1、5、10、20、30、40 h。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將蘋果汁樣品取出，冷凍離心（3 600×g，4 ℃）收集上清液，提取純化后檢測(cè)其中展青霉素的含量。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.6展青霉素初始質(zhì)量濃度對(duì)廢啤酒酵母菌吸附蘋果汁中展青霉素的影響

配制蘋果汁中展青霉素的初始質(zhì)量濃度分別為10、50、100、200、300 μg/L。將1.0 g廢啤酒酵母菌干粉分別添加于不同展青霉素初始質(zhì)量濃度的蘋果汁中（50 mL，pH 4.0），同樣將蘋果汁置于恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，處理溫度為25 ℃。處理時(shí)間分別設(shè)置為0、1、5、10、20、30、40 h。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將蘋果汁樣品取出，冷凍離心（3 600×g，4 ℃）收集上清液，提取純化后檢測(cè)其中展青霉素的含量。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.7蘋果汁中展青霉素的提取及測(cè)定

依據(jù)美國(guó)分析化學(xué)家協(xié)會(huì)（Association of Official Analytical Chemists，AOAC）標(biāo)準(zhǔn)[23]，將吸附前后的蘋果汁中展青霉素進(jìn)行提取、凈化及檢測(cè)操作。樣品中展青霉素含量利用高效液相色譜儀檢測(cè)，色譜條件為：紫外檢測(cè)器，檢測(cè)波長(zhǎng)276 nm；色譜柱為ODS C18反相柱（250mm×4.6mm，5μm）；流動(dòng)相：乙腈-水（10∶90，V/V）；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：20μL；柱溫：30 ℃。

1.3.8等溫吸附模型

等溫吸附方程是在恒溫的固液體系中，固體吸附劑和溶液達(dá)到平衡吸附動(dòng)態(tài)，用以描述吸附量與溶液平衡濃度之間關(guān)系的方程式。本研究中廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的吸附過程，采用Langmuir和Freundlich方程來線性表征吸附量qe（μg/g）和蘋果汁中展青霉素的平衡質(zhì)量濃度ρe（μg/L）之間的關(guān)系。

1.3.8.1Langmuir等溫吸附模型

Langmuir等溫模型描述固體吸附劑對(duì)吸附質(zhì)是單分子層吸附，表面上吸附位點(diǎn)分布均勻。

Langmuir方程式：

方程變形后Langmuir方程為線性形式：

式中：qm為吸附劑的最大吸附量/（μg/g）；Kc為L(zhǎng)angmuir常數(shù)/μg－1。

1.3.8.2Freundlich等溫吸附模型

Freundlich等溫模型用來描述吸附劑表面不均勻的非均相吸附體。

Freundlich方程式：

將方程兩端取對(duì)數(shù)，方程變形為線性形式：

式中：Kf為吸附常數(shù)/g－1；n為吸附常數(shù)。

1.3.9吸附熱力學(xué)模型

Gibbs計(jì)算方程：

上述兩方程合并后變形，得到線性方程為：

式中：Kc為吸附平衡常數(shù)；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol?K）；T為絕對(duì)溫度/K；ΔG°為吸附自由能/（kJ/mol）；ΔH°為吸附焓變/（kJ/mol）；ΔS°為吸附熵變/（J/（mol?K））。

1.3.10吸附動(dòng)力學(xué)模型

為研究廢啤酒酵母菌吸附展青霉素過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，將得到的數(shù)據(jù)采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合解釋。

1.3.10.1一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：qt為t時(shí)間時(shí)吸附劑對(duì)展青霉素的吸附量/（μg/g）；k1為一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)/min－1。

將t＝0，qt＝0和t＝t，qt＝qt代入方程積分再取對(duì)數(shù)后，方程變形為：

1.3.10.2二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：k2為二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)/（g/（μg·min））。方程變形后，線性方程為：

2　結(jié)果與分析

2.1廢啤酒酵母菌的表征

圖1為廢啤酒酵母菌吸附蘋果汁中展青霉素的紅外光譜圖，按照文獻(xiàn)[24]對(duì)吸收光譜進(jìn)行歸屬，對(duì)于吸附前廢啤酒酵母菌（圖1A），在3 419.50、2 926.24、2 855.94、1 742.66、1 650.19、1 543.96、1 460.53、1 376.53、1 050.28、655.37 cm－1處均有吸收峰。在3 419.50 cm－1處附近有一個(gè)強(qiáng)而寬的吸收峰，可歸結(jié)于O—H鍵和N—H鍵的伸縮振動(dòng)吸收；在2 926.24 cm－1和2 855.94 cm－1處出現(xiàn)了—CH2伸縮振動(dòng)的吸收峰；在1 742.66 cm－1處的吸收峰是C＝O鍵的振動(dòng)吸收；在1 650.19 cm－1處出現(xiàn)的吸收峰屬于蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶中C＝O鍵的伸縮振動(dòng)和C—N鍵的彎曲振動(dòng)；在1 543.96 cm－1處出現(xiàn)的吸收峰可歸屬于蛋白質(zhì)酰胺Ⅱ帶中N—H鍵的彎曲振動(dòng)和C—N鍵的伸縮振動(dòng)；在1 460.53cm－1處的吸收峰為C—H鍵引起的不對(duì)稱彎曲振動(dòng)或是來自于糖醛酸C—OH的伸縮振動(dòng)；在1 376.53cm－1處的吸收峰屬于蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ帶C—N鍵和N—H鍵的混合振動(dòng)峰；在1 050.28 cm－1處的吸收峰是歸屬于多糖骨架振動(dòng)引起的C＝O鍵伸縮振動(dòng)吸收；655.37 cm－1的吸收峰為酵母菌的特征吸收峰。在廢啤酒酵母吸附展青霉素后（圖1B），1 650.19、1 050.28 cm－1處吸收峰發(fā)生位移，分別移到1 635.62、1 076.34 cm－1；1 376.53 cm－1處的吸收峰幾乎消失。這說明羰基C＝O鍵，氨基—NH鍵以及糖類物質(zhì)中的C—OH在吸附過程中起到了一定作用。

圖1　吸附前后廢啤酒酵母菌紅外光譜Fig.1 FTIR spectra of waste beer yeast before and after biosorption

2.2吸附時(shí)間對(duì)吸附展青霉素的影響

吸附時(shí)間是影響展青霉素吸附的一個(gè)重要因素，本實(shí)驗(yàn)選取不同的吸附時(shí)間點(diǎn)取樣測(cè)定展青霉素的吸附率，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同吸附時(shí)間對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附效果Fig.2 Effect of adsorption time on the adsorption efficiency of patulin in apple juice

由圖2可知，在廢啤酒酵母菌的作用下，隨著吸附時(shí)間的增加，展青霉素的吸附率增加，吸附5 h后，其展青霉素的吸附率可達(dá)到39.61%，之后展青霉素的吸附率緩慢上升，直到20 h達(dá)到吸附平衡，吸附率可達(dá)64.33%。隨后展青霉素的吸附率變化不太明顯。這可能是因?yàn)樵谖介_始時(shí)，吸附位點(diǎn)比較充足，溶液中展青霉素能夠迅速與位點(diǎn)結(jié)合，隨著吸附時(shí)間的增加，吸附位點(diǎn)變少，吸附開始變得緩慢，最后當(dāng)吸附位點(diǎn)飽和時(shí)，吸附不再進(jìn)行。

2.3pH值對(duì)吸附展青霉素的影響

據(jù)報(bào)道，展青霉素在酸性條件（pH 2.5～5.5）下較穩(wěn)定，不易分解[25]。而廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的生物吸附很有可能是從多方面產(chǎn)生作用的，比如表面吸附，物質(zhì)螯合等。因此，蘋果汁本身的pH值對(duì)失活酵母吸附棒曲霉素起著至關(guān)重要的影響。圖3顯示了不同pH值對(duì)展青霉素吸附的影響。從圖中可以看出，廢啤酒酵母菌對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附率隨pH值的增加不斷升高。當(dāng)pH 2.5～3.0時(shí)，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附率較低，且變化不大；之后，隨著pH值的升高，展青霉素吸附不斷增加，當(dāng)pH值升高到4.0時(shí)，繼續(xù)增加pH值，吸附率變化不大。pH值對(duì)廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的不同吸附效果可能是因?yàn)槿芤褐衟H值的變化影響了廢啤酒酵母表面的功能集團(tuán)的電離，進(jìn)而影響了菌體對(duì)展青霉素吸附能力的變化。

圖3　不同pH值對(duì)蘋果汁中展青霉素的吸附效果Fig.3 Effect of pH on the adsorption efficiency of patulin in apple juice

2.4溫度對(duì)吸附展青霉素的影響

當(dāng)溫度分別為4、25、37 ℃時(shí)，使用相同劑量的廢啤酒酵母菌對(duì)初始質(zhì)量濃度相同的展青霉素進(jìn)行處理，考察溫度對(duì)展青霉素吸附的影響，結(jié)果如圖4所示。不同溫度對(duì)于展青霉素在廢啤酒酵母菌上的生物吸附有顯著的影響（P＜0.05）。隨著溫度的升高，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附能力增加，說明該吸附過程是吸熱過程，低溫不利于展青霉素的吸附。而25 ℃和37 ℃條件下展青霉素的吸附率差異不是特別大，從實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)方面考慮，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的生物吸附適宜在常溫下進(jìn)行。

圖4　溫度對(duì)蘋果汁中展青霉素吸附的影響Fig.4 Effect of temperature on the adsorption efficiency of patulin in apple juice

2.5展青霉素初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附展青霉素的影響

使用相同劑量的廢啤酒酵母菌對(duì)初始質(zhì)量濃度不相同的展青霉素進(jìn)行處理，考察展青霉素初始質(zhì)量濃度對(duì)展青霉素吸附的影響，結(jié)果如圖5所示。隨著展青霉素初始質(zhì)量濃度的增加，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附率明顯降低，相反地，隨著展青霉素初始質(zhì)量濃度的升高，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附量呈上升趨勢(shì)，并且展青霉素質(zhì)量濃度越高，其達(dá)到吸附平衡的時(shí)間越短。另外，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附平衡量是隨著展青霉素初始質(zhì)量濃度的增加而增加的，直至達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。這種變化趨勢(shì)，主要是因?yàn)樘O果汁中的廢啤酒酵母菌添加量一定，即吸附位點(diǎn)的總量一定，隨著展青霉素初始質(zhì)量濃度增大，被結(jié)合掉的吸附位點(diǎn)也增多，當(dāng)吸附達(dá)到一定質(zhì)量濃度時(shí)，溶液中已有的吸附位點(diǎn)基本結(jié)合完全，即使再增加展青霉素初始的質(zhì)量濃度，吸附劑對(duì)展青霉素的吸附總量也無法有太大改變。

圖5　展青霉素初始質(zhì)量濃度對(duì)蘋果汁中展青霉素吸附的影響Fig.5 Effect of initial patulin concentration on the adsorption efficiency of patulin in apple juice

2.6吸附等溫線

在4、25、37℃3個(gè)不同溫度下，將廢啤酒酵母菌吸附展青霉素平衡時(shí)的數(shù)據(jù)分別采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。Langmuir等溫吸附模型的R2大于Freundlich等溫吸附模型的R2，這說明采用Langmuir等溫吸附模型更適合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。采用Langmuir等溫吸附模型擬合得到的參數(shù)中，Kc用來表示廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附穩(wěn)定性，模型擬合得到的Kc值（1.034、1.122、1.147μg－1）都很小，表明這種吸附的穩(wěn)定性很強(qiáng)。由Langmuir等溫吸附模型擬合得到的理論最大吸附量qm（3.70、5.05、5.99μg/g）隨著溫度的升高而增加，說明廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的過程是一個(gè)單層吸熱的過程。

表1　廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的等溫吸附參數(shù)Table 1 Adsorption isotherm parameters of waste beer yeast for patulin

2.7熱力學(xué)模型

由Langmuir等溫吸附模型擬合得到的參數(shù)Kc，再根據(jù)熱力學(xué)模型擬合出廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素吸附的熱力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2　吸附熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters for patulin adsorption

在不同溫度下廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附自由能（ΔG°）均為負(fù)值，說明該吸附過程是自發(fā)進(jìn)行的；吸附焓（ΔH°）為正值表明吸附過程是吸熱過程，溫度的升高有利于吸附的進(jìn)行；而吸附熵（ΔS°）為正值，表明在吸附過程中增加了固相液相表面之間的無序性。

2.8動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)不同溫度條件下得到的廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。在不同溫度下模擬得到的動(dòng)力學(xué)模型，相比較而言，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型具有較高的相關(guān)系數(shù)R2，且根據(jù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得到的平衡吸附量比二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出的平衡吸附量更接近實(shí)驗(yàn)得到的平衡吸附量qe。這表明采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠很好的模擬整個(gè)吸附過程，展青霉素是從液體溶液中轉(zhuǎn)移到吸附劑表面的。

表3　一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 3 Parameters of adsorption kinetic equations

3　結(jié) 論

紅外分析結(jié)果表明，廢啤酒酵母菌表面含有大量的功能基團(tuán)，這些基團(tuán)參與了廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附過程，而且羰基C＝O鍵，氨基—NH鍵以及糖類物質(zhì)中的C—OH在吸附過程中起到了主要作用。研究不同吸附條件對(duì)廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的影響。結(jié)果表明：隨著吸附時(shí)間的增加，展青霉素的吸附率增加，吸附在20 h達(dá)到吸附平衡；隨著pH值的升高，展青霉素吸附不斷增加，當(dāng)pH值升高到4.0時(shí)，繼續(xù)增加pH值，吸附率變化不大；隨著溫度的升高，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的吸附率呈上升趨勢(shì)。在4、25、37 ℃條件下，廢啤酒酵母菌吸附展青霉素均可以用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型來擬合，但相比較而言，Langmuir等溫吸附模型的R2大于Freundlich等溫吸附模型，這說明采用Langmuir等溫吸附模型更適合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。根據(jù)Langmuir等溫吸附方程，廢啤酒酵母菌對(duì)展青霉素的最大吸附量分別為3.70、5.05、5.99 μg/g。由吸附熱力學(xué)結(jié)果可知，該吸附過程為自發(fā)的吸熱過程。在吸附過程中固相液相表面之間的無序性增加了。廢啤酒酵母菌吸附展青霉素的吸附動(dòng)力學(xué)行為研究表明，吸附過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，展青霉素是從液體溶液中轉(zhuǎn)移到吸附劑表面的。

綜上所述，廢棄的啤酒酵母菌對(duì)吸附蘋果汁中展青霉素而言是一種高效廉價(jià)的生物吸附劑。與傳統(tǒng)展青霉素去除方法相比較，利用廢啤酒酵母菌去除蘋果汁中展青霉素的方法，不僅具有原料來源豐富、成本低、易操作、吸附效率高的優(yōu)點(diǎn)；還可保護(hù)環(huán)境，充分利用環(huán)境資源，具有很好的研究意義和應(yīng)用前景。

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Adsorption of Patulin from Apple Juice by Waste Beer Yeast

DU Jie1,GUO Caixia2,*
(1.School of Physical Education,Shanxi University,Taiyuan 030006,China; 2.College of Life Science,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Abstract:Adsorption of patulin from apple juice by using waste beer yeast was investigated in this work.The results showed that a large number of function groups able to adsorb patulin existed on the surface of waste beer yeast cells.Temperature,incubation time,pH and initial patulin concentration were important parameters affecting adsorption effi ciency.The adsorption reached equilibrium after 2 h.With increasing pH,the adsorption ratio reached a plateau at pH 4.0.Patulin adsorption ratio increased with increasing temperature,and decreased with increasing initial concentration of patulin,shortening the equilibration time.The adsorption equilibrium could be described by the Langmuir model.The maximum uptake capacities(qmax)obtained by the Langmuir model were 3.70,5.05 and 5.99 μg/g at 4,25 and 37 ℃,respectively.The adsorption kinetics of patulin by waste beer yeast was best described using a fi rst-order kinetic model.The adsorption process was spontaneous and endothermic in nature.

Key words:patulin; waste beer yeast; adsorption

中圖分類號(hào)：TS201.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6630（2016）05-0056-06

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605011

*通信作者：郭彩霞（1984—），女，講師，博士，研究方向?yàn)槭称钒踩c生物技術(shù)。E-mail：guocx@sxu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：杜杰（1985—），男，講師，博士，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)與營(yíng)養(yǎng)安全。E-mail：sdwushu@sxu.edu.cn

基金項(xiàng)目：山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015021139）

收稿日期：2015-04-26