亚硝酸钠(NaNO2)作为一种食品添加剂,具有抑菌、发色、抗氧化和改善风味的作用,广泛应用于肉制品的防腐和发色[1]。但亚硝酸钠进入人体后产生仲胺和叔胺,进一步与胃液结合生成N-亚硝基二甲胺,可诱发肠癌、食道癌等疾病,被称为国际公认的一级致癌物[2]。大量学者致力于寻找天然资源来吸附食品中的亚硝酸钠,以减少人体中亚硝胺的合成,保证消费者的身体健康[3]。
麦麸是小麦制粉过程中的副产物,约占小麦总质量的20%～30%,富含膳食纤维、蛋白质、酚类化合物、矿物质等营养物质,具有调节肠道菌群、延缓衰老、预防心血管疾病等功能[4-5]。膳食纤维中有大量的羟基、羧基等极性官能团,具有较强吸附和膨胀能力[6]。膳食纤维吸附亚硝酸钠后体积膨胀,促进肠道蠕动,最终将所吸附的亚硝酸钠带出体外[7-9]。麦麸富含了膳食纤维,前期研究已证实麦麸具有对亚硝酸钠的吸附能力[4],但其吸附机制尚不明确。
麦麸中脂肪酶、脂肪氧合酶等内源酶活性强,自身易发生水解酸败和氧化酸败,导致麦麸及其产品货架期短,常被用作动物饲料,利用价值低[10-11]。本课题组前期研究表明,高压脉冲电场可降低麦麸中脂肪酶、脂肪氧合酶等内源酶的活性,延长全麦粉的货架期,但有关高压脉冲电场对麦麸吸附亚硝酸钠特性的影响有待进一步研究。因此,本文利用高压脉冲电场对麦麸进行处理,解析麦麸吸附亚硝酸钠的动力学和热力学特性,探究麦麸对亚硝酸钠的吸附机制,为麦麸的综合利用提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
麦麸取自山西省运城市万荣县北里庄面粉加工厂,小麦品种为晋麦73号,种植地为山西省运城市万荣县,出粉率为70%;亚硝酸钠标准品,北京海岸鸿蒙标准物质技术责任有限公司;NaOH、KOH、乙酸等分析纯,天津市致远化学试剂有限公司。
ZKY-303超微粉碎机,北京中科浩宇科技发展有限公司;DMC-200高压脉冲电源、DTPEF-1507脉冲电场处理室,大连鼎通科技发展有限公司;SCIENTZ-18N型冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;HH-4恒温水浴锅,常州越新仪器制造有限公司;UV-1200紫外可见分光光度计,上海美谱达仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 麦麸制备
400 g取自面粉加工厂的原麦麸于超微粉碎机中,在碾轧频率9次/s的条件下粉碎30 min,平均粒径为26.51 μm[12]。
1.2.2 高压脉冲电场处理
麦麸与蒸馏水按比例混合,配成质量分数为20%的悬浊液。3 mL摇匀后的悬浊液置于高压脉冲电场处理室,设定电极板的间距1 cm,脉冲频率500 Hz,占空比25%,脉冲电压分别为10、20、30、40、50 kV,处理1 min(如图1所示)。悬浊液经液氮固定、真空冷冻干燥后于自封袋内备用。10、20、30、40、50 kV条件下制备的样品分别记为P1、P2、P3、P4、P5。未经电场处理的麦麸悬浊液为对照,记为P0。
图1 高压脉冲电场处理麦麸示意图
Fig.1 Schematic diagram of high-voltage pulsed electric field treatment of wheat bran
1.2.3 基本成分测定
水分的测定采用GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法;灰分的测定采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中的高温灼烧法;蛋白质的测定采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法;脂肪的测定采用GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法。
1.2.4 亚硝酸钠吸附动力学解析
以10 μg/mL的亚硝酸钠标准溶液作为吸附体系,0.1 g麦麸与10 mL亚硝酸钠标准溶液混合,调节溶液pH值至2.0,37 ℃分别振荡2.5、7.5、10、15、30、45、60、90、120、150、180、240、300 min,4 000 r/min 离心20 min后测上清液中亚硝酸钠的质量浓度(μg/mL)。对亚硝酸钠的单位吸附量和吸附率按式(1)和式(2)计算。
(1)
(2)
式中:qe,麦麸对亚硝酸钠的单位吸附量,mg/g;ρ0,所加亚硝酸钠标准溶液的质量浓度,μg/mL;ρ1,吸附后上清液中亚硝酸钠的质量浓度,μg/mL;V,所加亚硝酸钠溶液的体积,mL;m,称取麦麸的质量,g;η,麦麸对亚硝酸钠的吸附率,%。
经典的吸附动力学方程主要包括颗粒内扩散方程、准一级动力学方程和准二级动力学方程[13],分别如式(3)、(4)、(5)所示。
qt=kpt0.5+C
(3)
qt=qe-qee-k1t
(4)
(5)
式中:t,吸附时间,min;qt,吸附t时间后麦麸对亚硝酸钠的单位吸附量,mg/g;kp颗粒内扩散速率常数,mg/(g·min0.5);C,常数,与边界层厚度有关;k1,常数,准一级反应速率,min-1;k2,常数,准二级反应速率,g/(mg·min)。
1.2.5 亚硝酸钠吸附热力学解析
分别以1、2.5、5、7.5、10、15、20、50 μg/mL的亚硝酸钠标准溶液作为吸附体系,0.1 g麦麸与10 mL亚硝酸钠标准溶液混合,调节溶液pH值至2.0,分别于25、37、50 ℃振荡2 h,4 000 r/min离心20 min后测上清液中亚硝酸钠的质量浓度(μg/mL),按式(2)和式(3)计算qe和η。选用Langmuir(L)、Freundlich(F)、Dubinin-Radushkevich(D-R)3种吸附等温模型对单位吸附量与平衡浓度的关系进行拟合,以探究麦麸对亚硝酸钠的吸附热力学特性[14-15]。L、F、D-R模型的线性方程分别如式(6)、(7)、(8)所示。
(6)
(7)
lnqe=lnqmax-βε2
(8)
式中:qe,麦麸对亚硝酸钠的单位吸附量,mg/g;qmax,麦麸的最大吸附量,mg/g;KL,L模型中与吸附强度有关的吸附常数;Ce,平衡吸附量,mg/kg;KF,F模型中与吸附量有关的常数;n,F模型中与吸附强度有关的常数;β,与吸附量相关的系数,mol2·kJ2;ε,电势,等于RTln(1+1/Ce)。
同时,计算反应麦麸与亚硝酸钠之间作用力类型以及作用能量变化的热力学参数[15],计算公式如式(9)和式(10)所示。
ΔG=-RTlnKL
(9)
ΔG=ΔH-TΔS
(10)
式中:R,理想气体常数,8.314 J/(mol·K);KL,L模型中与吸附强度有关的吸附常数;T,绝对温度,K。
1.3 数据分析
所有实验结果均平行测定3次,实验结果用平均值±标准差表示。Excel 2010整理数据,SPSS 17.0进行Duncan’s差异性分析(P<0.05),Origin 2022绘图。
2 结果与分析
2.1 脉冲电场处理对麦麸基本成分的影响
由表1可知,随电场强度由10 kV/cm增加至50 kV/cm,麦麸的水分、粗蛋白和灰分含量不存在显著差异(P<0.05);粗脂肪的含量由5.43%降低至4.52%。这是由于水分子在脉冲电场作用下发生电化学反应产生超氧阴离子、单线态氧、过氧化氢基团、O3等活性基团,这些活性基团促进脂肪氧化,导致脂肪含量下降[16]。
表1 脉冲电场处理对麦麸基本成分的影响
Table 1 Effects of pulsed electric field treatment on the basic components of wheat bran
成分P0P1P2P3P4P5水分/%4.40±0.11a4.31±0.02a4.27±0.08a4.34±0.05a4.27±0.09a4.31±0.09a粗脂肪/%5.43±0.11a5.35±0.13a5.26±0.12a4.86±0.12b4.75±0.06b4.52±0.10c粗蛋白/%15.52±0.15a15.33±0.11a15.26±0.12a15.31±0.09a15.45±0.16a15.20±0.19a灰分/%2.71±0.05a2.45±0.11b2.49±0.08b2.43±0.09b2.49±0.08b2.41±0.18b
注:同行不同小写字母表示麦麸样品间差异显著(P<0.05),下同。
2.2 脉冲电场处理对麦麸吸附亚硝酸钠动力学的影响
2.2.1 动力学模型的选择
为分析高压脉冲电场对麦麸亚硝酸钠吸附动力学的影响,本研究首先以未经电场处理的麦麸为对象,测定了麦麸不同吸附时间后对亚硝酸钠的吸附量(qt)和吸附率(η),并用颗粒内扩散模型、准一级动力学方程、准二级动力学方程对吸附过程进行拟合,结果如图2、3和表2所示。由图2可以看出,随吸附时间由0 min增加至120 min,麦麸的qt和η呈上升趋势。当吸附时间达到120 min后,麦麸的qt和η趋于平稳,说明在该吸附条件下,麦麸吸附120 min后达到吸附平衡。
表2 麦麸吸附亚硝酸钠的动力学模型参数
Table 2 Kinetic model parameters of wheat bran adsorption of sodium nitrite
方程名称kqeCR2准一级动力学方程0.131 00.508 9-0.995 5准二级动力学方程0.442 40.539 0-0.999 7颗粒内扩散模型0.022 8-0.240 60.643 3
图2 吸附时间对亚硝酸钠吸附量和吸附率的影响
Fig.2 Effects of adsorption time on the adsorption capacity and adsorption rate of sodium nitrite
为探究麦麸吸附亚硝酸钠的限速步骤,本研究使用颗粒内扩散模型对麦麸吸附亚硝酸的过程进行拟合。由图3可以看出,麦麸吸附亚硝酸钠的过程分为3步:首先,少量亚硝酸钠与麦麸表面的活性基团接触,此阶段吸附速率较快;其次,亚硝酸钠进入麦麸颗粒内部,与羟基、羧基、氨基等活性基团结合,此阶段吸附速率较慢;最后,亚硝酸钠与颗粒内部的功能性成分结合、反应,直至吸附平衡,此阶段吸附速率较缓慢。这与米糠不溶性膳食纤维对Pb2+的吸附过程相类似[15]。
图3 麦麸吸附亚硝酸钠的颗粒内扩散模型
Fig.3 Particle diffusion model of wheat bran adsorbing sodium nitrite
由表2可知,准二级方程的相关系数最高(R2=0.999 7),说明准二级动动力学方程能更好地描述麦麸对亚硝酸钠的吸附过程,表明该吸附过程伴有化学吸附。
2.2.2 脉冲电场对麦麸吸附亚硝酸钠动力学参数的影响
以未经电场处理的麦麸为对照组,使用准二级动力学方程对脉冲电场处理后麦麸吸附亚硝酸钠的过程进行拟合,所得参数见表3。准二级方程的相关系数(R2)均大于0.99,说明该模型很好地表征了麦麸吸附亚硝酸钠的过程。与P0相比,P1、P2、P3、P4、P5的k2和qe较高,说明脉冲电场处理提高了麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率。这是由于麦麸中膳食纤维在脉冲电场作用下,部分糖苷键断裂,分子质量减小,转化为可溶性膳食纤维,与亚硝酸钠的接触面积增加,提高了麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率[17]。随电场强度由10 kV/cm增加至40 kV/cm,麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率分别增加10.91%、12.82%。这是由于水分子发生电化学反应,产生的羟自由基攻击膳食纤维分子间的α-1,4、α-1,6糖苷键,膳食纤维分子质量减小,暴露出更多的活性基团,使得麦麸对亚硝酸钠的吸附能力增强[18]。MA等[17]也曾经报道,脉冲电场通过破坏果胶分子间的α-1,4和α-1,6糖苷键,使得果胶分子的分子质量下降。但当电场强度由40 kV/cm增加至50 kV/cm,麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率分别下降7.46%、16.45%。这是由于高强度的脉冲电场会促进蛋白中的—NH2和多糖中的—C
O发生接枝反应,形成结构有序的蛋白-多糖轭合物[19]。除此,高强度的脉冲电场下,多糖还可与脂质形成复合物[20],减少了多糖与亚硝酸钠的接触,导致麦麸对亚硝酸钠的吸附能力下降。
表3 麦麸吸附亚硝酸钠的准二级动力学模型参数
Table 3 Quasi second order kinetic model parameters for wheat bran adsorption of sodium nitrite
样品k2/[g/(mg·min)]qe/(mg/g)R2P00.442 40.539 00.999 7P10.463 20.589 60.995 3P20.473 20.598 90.993 6P30.503 60.632 50.996 5P40.522 60.653 90.995 8P50.483 60.546 30.990 8
2.3 脉冲电场处理对麦麸吸附亚硝酸钠热力学的影响
2.3.1 热力学模型的选择
为分析高压脉冲电场对麦麸吸附亚硝酸钠热力学的影响,本研究首先以未经电场处理的麦麸为对象,测定了不同吸附温度下麦麸对亚硝酸钠的吸附量,并用Langmuir模型、Freundlich模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型对吸附过程进行拟合,结果如图4和表4、5所示。由图4可以看出,随亚硝酸钠初始质量浓度的增加,麦麸的qe逐渐增加。这是由于亚硝酸钠溶度的增加提高了麦麸吸附反应的推动力,使得qe增加。当亚硝酸钠的质量浓度>20 μg/mL后,qe随亚硝酸钠质量浓度增加趋于平缓。另外,吸附温度由25 ℃增加至50 ℃,麦麸的qe呈上升趋势,说明升高温度有利于麦麸吸附亚硝酸钠。
表4 不同温度下麦麸吸附亚硝酸钠3种模型的拟合参数
Table 4 Fitting parameters of three models for wheat bran adsorption of sodium nitrite at different temperatures
温度/℃Langmuir参数Freundlich参数D-R参数qmaxKLR2nKFR2qmaxER2250.648 00.148 90.895 51.514 70.083 70.933 20.461 7-0.50.586 2370.734 90.145 20.894 31.548 50.098 30.938 10.510 1-0.50.608 8500.776 30.151 70.916 11.566 40.106 70.955 60.541 9-0.50.610 0
注:其中,E=(2β)-1/2。
图4 不同温度下麦麸对亚硝酸钠的吸附等温线
Fig.4 Adsorption isotherms of wheat bran on sodium nitrite at different temperatures
由表4可知,Freundlich模型拟合方程的相关系数(R2)均大于Langmuir模型和D-R模型的R2,且R2>0.93,说明麦麸对亚硝酸钠的等温吸附更符合Freundlich模型。麦麸颗粒表面粗糙,对亚硝酸钠的吸附过程属于多层吸附,即物理吸附和化学吸附共存,这与动力学模型结果一致。Freundlich模型中,参数KF表示材料的吸附能力,n为平衡参数,当0.1<1/n<0.5时,表明材料的吸附能力较高,1/n>1时,表明材料的吸附能力较弱[21-22]。经计算,麦麸吸附亚硝酸钠的1/n均大于0.5,但小于1,表明麦麸吸附亚硝酸钠的能力适中[21-22]。
由表5可知,不同温度下的ΔG均>0,说明麦麸吸附亚硝酸钠的反应为非自发进行。ΔS<0,说明随吸附时间的增加,固-液反应体系的混乱程度降低,推测麦麸吸附亚硝酸钠后结构发生一定的变化[23]。ΔH<0,说明麦麸吸附亚硝酸钠的反应为吸热反应,升高温度有利于麦麸对亚硝酸钠的吸附。
表5 不同温度下麦麸吸附亚硝酸钠的热力学参数
Table 5 Thermodynamic parameters of wheat bran adsorption of sodium nitrite at different temperatures
温度/℃ΔG/(kJ/mol)ΔS/[kJ/(mol·K)]ΔH/(kJ/mol)254.720 7374.976 6505.066 1-0.013 70.661 3
2.3.2 脉冲电场处理对麦麸吸附亚硝酸钠热力学参数的影响
以未经电场处理的麦麸为对照组,使用Freundlich模型对脉冲电场处理后麦麸在不同温度下对亚硝酸钠的吸附量进行拟合,所得的参数如表6所示。由表6可知,Freundlich模型的相关系数(R2)均大于0.90,说明该模型适用于表征麦麸吸附亚硝酸钠的热力学行为。随温度由27 ℃增加至50 ℃,P0、P1、P2、P3、P4、P5的n和KF均呈上升趋势,说明升高温度麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率均增加。这是由于麦麸对亚硝酸的吸附反应为非自发进行,升高温度有利于吸附反应的进行。
表6 麦麸吸附亚硝酸钠的Freundlich模型参数
Table 6 Freundlich model parameters for wheat bran adsorption of sodium nitrite
样品温度/℃253750nKFR2nKFR2nKFR2P01.514 70.083 70.933 21.548 50.098 30.938 11.566 40.106 70.955 6P11.532 60.091 30.953 61.566 50.105 10.943 11.582 30.112 90.963 5P21.548 40.098 60.921 21.583 60.112 60.901 21.600 10.120 10.912 6P31.576 80.108 70.965 61.608 90.121 20.935 61.624 50.127 80.925 4P41.685 30.136 50.942 31.720 30.151 60.912 31.739 70.158 40.923 6P51.543 60.096 50.915 61.579 80.106 20.953 61.592 70.112 40.948 7
3 结论
麦麸对亚硝酸钠的吸附过程在120 min后,吸附量和吸附率趋于平稳,达到吸附平衡。利用颗粒内扩散模型、准一级动力学方程、准二级动力学方程对麦麸吸附亚硝酸钠的过程进行拟合发现,准二级动动力学方程(R2=0.999 7)能更好地描述该吸附过程,说明该吸附过程存在化学吸附。利用Langmuir模型、Freundlich模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型对等温吸附过程进行拟合发现,Freundlich模型(R2>0.93)能更好地描述该吸附过程,说明该吸附过程中物理吸附和化学吸附共存。通过计算麦麸吸附亚硝酸钠的热力学参数发现,麦麸对亚硝酸的吸附反应为非自发进行,温度升高后麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率均增加,有利于提高麦麸对亚硝酸钠的吸附能力。随电场强度由10 kV/cm增加至40 kV/cm,麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率分别增加10.91%、12.82%。但当电场强度由40 kV/cm增加至50 kV/cm,麦麸对亚硝酸钠的吸附量和吸附速率分别下降7.46%、16.45%。因此,40 kV/cm的脉冲电场可应用于提高麦麸对亚硝酸钠的吸附能力,该结果为麦麸的综合利用提供理论指导。后续将对麦麸吸附亚硝酸钠过程中涉及的各种作用力和化学键展开进一步研究。
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