基于柠檬酸和碳酸氢钠的协同改性作用，研究椰壳炭去除嘌呤的机制及其应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigation on the mechanism and application of purine removal by coconut shell carbon based on the synergistic modification of citric acid and sodium bicarbonate

　　

王静怡|吴雅梅|郑文霞|郭宗林|徐晓燕|田星国

华南农业大学食品科学学院国家精密加工与畜禽产品安全联合工程研究中心，中国5106S42

摘要

椰壳炭（CSC）作为一种由废弃椰壳制成的生物质碳材料，因其独特的孔结构和表面性质而备受关注。为了开发一种能够高效去除食品中嘌呤的生物质吸附剂，本研究通过使用柠檬酸和小苏打对椰壳炭进行协同改性，成功制备出了改性椰壳炭（CA-SB-CSC）。利用一系列表征工具系统地分析了改性前后材料的结构和化学性质。结果表明，CA-SB-CSC对嘌呤的去除效率提高了26.64%（从62.68%提高到89.32%），显示出优异的吸附性能。FT-IR、XRD和XPS的表征结果显示，协同改性显著增强了表面含氧官能团的种类和数量，并改善了结构有序性，从而提供了更多的活性位点。对吸附机制的研究表明，CA-SB-CSC对嘌呤的吸附主要是化学吸附；这是一个自发的吸热过程，涉及熵的增加，并发生在非均匀表面上。在莲根汤和猪肋汤中进行的质量对比实验表明，CA-SB-CSC的嘌呤去除率为41.51%，同时保持了其安全性，但也会损失一些风味化合物。本研究不仅阐明了CA-SB-CSC高效吸附嘌呤的内在机制，还为食品工业中新型嘌呤去除材料的发展提供了有力支持。

引言

嘌呤是核酸的基本组成单元[1]，其在人体内的代谢终产物是尿酸[2]。过量摄入高嘌呤食物（如海鲜、动物内脏等）是导致高尿酸血症[3]、[4]的主要外源性因素，进而可能引发痛风[5]、[6]。近年来，随着全球人口饮食结构的变化，高尿酸血症和痛风的发病率持续上升，且发病年龄趋于年轻[5]、[6]。在中国，痛风已成为仅次于糖尿病的第二大代谢性疾病[7]，对公共卫生构成了严重威胁。因此，开发能够有效降低食品中嘌呤含量的技术对于疾病预防和提升国民健康具有重要意义。

目前，常见的嘌呤去除方法主要包括工艺改进、盐析法和酶法[8]。然而，每种方法都有其局限性。例如，工艺改进方法的效果往往有限，并且会牺牲食品的可食用性；盐析法（使用高盐和热处理）会严重损害食品的营养价值；虽然酶法环保且高效，但其高昂的成本和苛刻的工艺条件限制了其大规模应用。显然，迫切需要一种高效、经济且安全的通用嘌呤去除技术，而现有方法难以满足这一综合要求。

在这种情况下，吸附方法由于操作简便且条件温和，显示出巨大的应用潜力，这得益于嘌呤的基本结构和极性官能团[9]、[10]。理论上，通过选择合适的吸附剂可以直接捕获并去除嘌呤分子。然而，将吸附从理论转化为可行的工业技术的核心挑战在于吸附剂的选择。传统的吸附剂如树脂、沸石、硅胶和壳聚糖[11]、[12]、[13]由于合成成本高、工艺复杂[14]，或者由于有机单体渗出带来的安全隐患[15]，或者由于机械强度低和直接使用效率低[16]，难以直接应用于食品系统。因此，寻找一种天然来源、安全、无毒、成本低廉且性能优异的吸附剂材料是推动吸附方法应用的关键瓶颈。

生物质炭，特别是由椰壳制成的椰壳炭（CSC）[17]、[18]（食品加工的副产品），为解决上述瓶颈提供了理想的解决方案。椰壳炭是一种可持续且低成本的材料[19]，具有发达的孔结构[20]和优异的化学稳定性[21]，使其成为极具前景的吸附剂基底。然而，原始椰壳炭有限的活性位点和固有的吸附能力远远不足以满足食品加工中对嘌呤去除效率的严格要求，这极大地限制了其直接应用。因此，对椰壳炭进行改性以激发其吸附潜力是实现其高价值应用的关键步骤。

为了提高吸附性能，大多数现有研究采用了超声波改性[22]、微波改性[23]、酸改性[24]和碱改性[25]来处理生物质炭。Bian等人[26]使用高锰酸钾改性的椰壳生物炭处理含有Cd(II)和Ni(II)的多金属废水，结果显示改性椰壳生物炭对Cd(II)的去除能力为54.82 mg/g，Cd/Ni的选择性系数α为2.68。Ji等人[27]使用三种不同的表面活性剂改性椰壳炭，并用其去除花生油中的多环芳烃（PAHs），结果表明改性椰壳活性炭不仅去除了花生油中超过90%的PAHs，还确保了处理后的花生油具有较低的细胞毒性。然而，这些单一改性策略在提高嘌呤类似物的吸附性能方面仍存在局限性。为了突破这一瓶颈，本研究提出了一种新的环保且高效的协同改性方法。以椰壳炭为前驱体，通过柠檬酸引入含氧官能团，并利用小苏打作为原位孔形成剂，制备了一种新型椰壳炭吸附剂。系统研究了该材料对四种典型嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤、次黄嘌呤和黄嘌呤）的吸附动力学、吸附等温线和热力学行为，并通过一系列表征手段深入探讨了潜在的吸附机制，旨在开发一种高效去除嘌呤的新材料。随后，评估了该材料对莲根汤和猪肋汤质量的影响，为其在食品中的应用提供了研究基础。

章节摘录

材料

食品级椰壳炭购自河南利泽环保科技有限公司（中国郑州）。柠檬酸（分析级）和小苏打（分析级）由广州化学试剂厂（中国广州）提供。腺嘌呤、鸟嘌呤、次黄嘌呤和黄嘌呤（色谱级）由上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）提供。甲醇（HPLC级）购自天津凯米化学试剂有限公司（天津）。

BET分析

CSC和CA-SB-CSC的氮吸附曲线如图1A所示。CSC和CA-SB-CSC都属于IV型等温吸附模型，表明它们都是介孔生物炭衍生物[34]。与CSC相比，CA-SB-CSC的比表面积和孔体积略有下降（表1），这可能是由于在柠檬酸改性过程中椰壳表面引入了大量羧基[35]，以及...

结论

本研究使用柠檬酸和小苏打对椰壳炭进行了协同改性，成功制备出了CA-SB-CSC。一系列表征分析（如BET、SEM、XRD、FT-IR和XPS）表明，改性显著增加了材料表面的含氧官能团数量并优化了其孔结构，这是提高嘌呤吸附性能的关键原因。吸附动力学模型已进行拟合...

CRediT作者贡献声明

王静怡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，数据管理，概念化。田星国：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。徐晓燕：监督，资源获取，资金获取，概念化。郭宗林：资源获取，资金获取，概念化。郑文霞：方法学，研究。吴雅梅：方法学，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢广东省重点领域研究与发展计划项目（2025B0202130001）、国家重点研发计划（2023YFF11042）、广东省现代农业产业技术体系禽类创新团队（2024CXTD20）、广东省农村科技专家团队（KTP20240198）、广东省自然科学基金基础与应用基础研究（2024A1515010433）以及国家...