玉米芯活性炭的制备表征及其在番茄汁脱色中的应用研究

《Applied Food Research》：Production and characterization of activated carbon from corn cobs for color removal in tomato juice

本研究针对食品工业中番茄汁的色泽问题，创新性地利用农业废弃物玉米芯制备活性炭(AC)。研究人员通过优化ZnCl2浓度(0-75%)和活化温度(500-700°C)等参数，成功制备出具有发达孔隙结构的高性能活性炭。结果表明，在50% ZnCl2和600°C条件下获得的活性炭表现最佳，其比表面积达1203.89 m2/g，对番茄汁的脱色效率达80.4%。该研究为农业废弃物高值化利用和食品加工提质增效提供了新思路。

　　

在全球食品工业快速发展的背景下，番茄汁作为广受欢迎的饮品，其感官品质特别是色泽稳定性成为生产过程中的关键指标。然而，传统的加工工艺往往面临色素残留、异味物质去除不彻底等技术瓶颈，直接影响产品的市场竞争力。与此同时，农业废弃物的处理问题日益突出，其中玉米芯作为玉米加工的副产物，通常被焚烧或丢弃，不仅造成资源浪费，还带来环境压力。

正是在这样的背景下，来自巴赫达尔大学化学与食品工程系的Zemenu Tadesse Adimas开展了一项创新性研究，探索将玉米芯转化为高性能活性炭(Activated Carbon, AC)并应用于番茄汁脱色的可行性。该研究发表于《Applied Food Research》，为农业废弃物高值化利用和食品工业提质增效提供了新思路。

研究人员采用化学活化法，以氯化锌(ZnCl₂)为活化剂，系统考察了不同活化条件对玉米芯活性炭理化性质的影响。关键技术方法包括：通过完全随机设计(CRD)实验方案，设置ZnCl₂浓度(0%、25%、50%、75%)和活化温度(500°C、600°C、700°C)两个变量因素；采用工业分析(proximate analysis)测定样品的含水量、灰分、挥发分和固定碳含量；通过BET比表面积分析仪表征材料的孔隙结构参数；使用紫外-可见分光光度计在420nm波长下测定番茄汁脱色效率。

3.1 玉米芯的特性分析

研究首先对原料玉米芯进行了全面表征，发现其具有高挥发分含量(83.02±2.72%)和低灰分含量(0.90±0.01%)的特点，这种组成特征使其成为制备活性炭的理想前驱体。高挥发分含量有利于活化过程中孔隙结构的形成，而低灰分含量则确保了最终产品中杂质含量较低。

3.2 制备吸附剂的表征

在活化过程中，ZnCl₂浓度和活化温度对活性炭的理化性质产生了显著影响。随着活化条件的强化，样品的水分含量从4.53%(Zn₀T₁)降至1.88%(Zn₃T₃)，固定碳含量则从78.03%增加至82.92%。特别值得注意的是，适度提高活化强度有利于降低灰分含量，其中Zn₁T₁处理组的灰分含量最低(2.50%)。

3.3 制备吸附剂的物理表征

活性炭的堆密度随活化强度增加而增大，从0.17g/mL(Zn₀T₁)升至0.28g/mL(Zn₂T₂)。在脱色性能方面，ZnCl₂的引入显著提升了活性炭的效率，其中Zn₃T₃处理组达到了80.4%的最佳脱色效果，明显优于未使用活化剂的对照组(62.98%)。研究还发现，活化得率与活化条件呈负相关，最高得率(50.20%)出现在Zn₃T₁处理组。

3.4 ZnCl₂浓度和温度对活性炭织构参数的影响

织构分析结果显示，Zn₂T₂处理组(50% ZnCl₂、600°C)获得了最优的孔隙结构参数：比表面积1203.89m²/g，孔容0.85cm³/g，微孔体积0.65cm³/g。进一步提高活化强度会导致孔隙扩大，平均孔径从2.70nm(对照组)增至4.57nm(Zn₃T₃)，表明过度活化可能引起微孔结构的坍塌。

研究结论表明，通过精确调控ZnCl₂浓度和活化温度，可以成功将玉米芯转化为高性能活性炭。最优工艺条件(50% ZnCl₂、600°C)下制备的活性炭具有发达的孔隙结构和优异的吸附性能，对番茄汁的脱色效率达80.4%。该研究不仅为农业废弃物资源化利用提供了技术路径，也为食品工业提供了一种经济高效的脱色剂选择，在促进循环经济和可持续发展方面具有重要意义。值得注意的是，该研究还发现制备的活性炭同时具备脱臭功能，能够有效去除番茄汁中的异味物质，展现出多功能的应用潜力。