吸附材料0108丨广西大学李凯教授CEJ论文：胺官能化大豆蛋白/石墨烯氧化物气凝胶高效去除多种糖源污染物：全生命周期探索与相互作用模拟

2024年11月，国际期刊《Chemical Engineering Journal》正式刊出了广西大学李凯教授团队题为“Amine-functionalized soy protein/graphene oxide aerogel for efficient removal of multiple sugar-derived contaminants (SDCs): Full life cycle exploration and interaction simulation”的研究性论文。该工作利用胺修饰大豆蛋白（SPI）和石墨烯氧化物（GO），合成了可持续气凝胶（PSPI/PGO），高效去除多种SDC，PSPI/PGO的全生命周期探索（包括土壤掩埋退化测试、废水处理以及水培实验）强调了其显著的生物相容性和工业应用潜力。

糖源污染物（SDCs）对环境与安全构成严重威胁，其治理已成为一项紧迫课题。本研究通过胺修饰大豆蛋白（SPI）与氧化石墨烯（GO）复合，制备出一种环保型气凝胶材料（PSPI/PGO），可高效去除多种SDC。该材料对美拉德反应产物、焦糖及糖精的平衡吸附容量分别达到1124.2、291.1和399.3 mg/g，性能优于以往报道的材料。一系列表征与实验表明，多孔PSPI/PGO具有良好的亲水性、无毒性、优异的热稳定性及可持续的捕获性能。结合新兴动态模型（如AOAS、EXT-INT和LF-PC-AS）与多种量子化学计算（包括ESPL、ALIE、FMO、IGMH和HSA），进一步揭示了PSPI/PGO捕获各类SDC的主要作用机制：电荷相互作用为主导，氢键与分子间作用为辅。PSPI/PGO在吸附过程中主要作为氢键受体发挥作用。此外，研究也验证了该材料在实际废水处理中的适用性。通过对PSPI/PGO进行全生命周期评估——包括土壤掩埋降解实验、废水处理应用以及基于吸附饱和材料的植物水培试验——结果突显了其优异的生物相容性与工业应用潜力。

研究背景

糖业作为食品与农业领域的重要产业，对许多国家的经济发展具有重要贡献。然而，在糖及其衍生替代品（即人工甜味剂，AST）的生产过程中，会产生一系列有色或无色的污染物（统称为糖源污染物，SDCs），这些污染物可能对产品质量、生态环境及人类健康造成不利影响。其中，焦糖（CAR）和褪色素（MLD）作为典型的有色SDCs，广泛存在于工业废水与生活污水中，因其分子量高、气味刺鼻且难以降解，被视为难处理的持久性污染物。作为糖的替代品，AST具有甜度高、热量低的特点，在食品工业中应用广泛，全球消费量巨大。目前，全球AST的年消费量已超过38,000吨。然而，由于其在环境中的持久性及潜在风险，AST近年也被认定为新兴污染物。特别是糖精（SAC）的大量使用，已有研究表明其可能与癌症风险相关，对人体健康构成潜在威胁。因此，开发绿色、高效的技术以去除水体中的SDCs，已成为当前环境治理与食品安全领域的重要课题。

研究亮点

• 基于植物蛋白的气凝胶（PSPI/PGO）高效去除多个SDC。
• 通过MDS解析了PSPI/PGO中可调节亲水性的机制。
• SDC的捕获主要归因于电荷相互作用和氢键。
• PSPI/PGO的全生命周期探索强调了其显著的生物相容性和实际应用潜力。

图文导读

本研究合成了一种胺类功能化的大豆蛋白/去氧气凝胶（PSPI/PGO），研究表明，经过与GO/PGO的层插后，蛋白纤维和PEI被有效整合，气凝胶呈现出发达三维网络结构。特别是，PSPI/PGO呈现出更为多样的层叠形态，其独特的多孔特性有利于捕获污染物。

图1 （a）PSPI/PGO在吸附MLD、CAR和SAC前后的照片。（b）–（g）FESEM图。（h）元素映射图像。（i）压缩测试。（j） EDAX合成材料的结果。（k）累积汞侵入体积图，以及（l）孔径分布图。

图2 （a） GO、PGO 和 PSPI/PGO 的制备原理图。（b） XRD图谱，（c） FTIR光谱，（d）热降解曲线，以及（e）合成样品的N1s光谱。

具有卓越亲水性的吸附剂有助于与废水中的SDC快速接触，从而提升质量传递速度和去除效率。研究测量气凝胶的水接触角（WCA），以评估其亲水性以及PEI和PGO调控其亲水性或疏水性。同时，利用MDS定量和可视化样品与水分子之间的相互作用，进一步阐明了PEI和PGO对SPI的可调节亲水性/疏水性。PSPI/PGO的WCA在落水水滴后3秒内降至0°，表现出适中的亲水性。与此同时，PSPI/PGO保持高度发达的孔隙结构和稳定的蛋白质-气凝胶骨架，受益于PGO调控亲水性和疏水性的卓越能力。

图3 （a） SPI和PSPI/PGO中水分子迁移行为的差异（0–100纳秒;粉色代表水分子，蓝色代表每个样品）。（b）氢键衰变，（c）氢键数，（d）氢键力距离，以及（e） SPI、PSPI 和 PSPI/PGO 水的润湿性随时间的变化。

借助多种新兴吸附动力学模型，外部-内部扩散阻力（EXT-INT）混合模型、活性位点吸附（AOAS）模型以及李文-韦伟吸附传质混合模型（LF-PC-AS模型），已被用来全面解释PSPI/PGO去除各种污染物的宏观过程。

图 4（a）O_LFA, O_PCA，和O_AAS在CAR、MLD和SAC被PSPI/PGO吸收过程中变化规律。（b）利用LAN、FRE和MLA模型对PSPI/PGO的CAR、MLD和SAC吸附描述。（c）由 LF-PC-AS 模型拟合的实验数据。（d）吸附质转移步骤示意图。

PSPI/PGO 对各种污染物的分子吸附机制通过理论量子化学计算确定。计算了静电势（ESPL）和平均局部电离能（ALIE），以确定分子尺寸层面吸附剂/吸附物的表面电荷特性。通过前沿分子轨道（FMO）、独立梯度模型（IGMH）和赫希菲尔德表面分析（HSA）进一步解析了PSPI/PGO对各种污染物的分子吸附机制。

图 5 （a）CAR、SAC 和 MLDALIE极值， H/白色、N/蓝色、O/红色和 C/青色。（b） EPPD下的表面会为不同的吸附配置着色。（c）不同吸附构型的HOMO和LUMO。

采用固定床实验进行了真实系统吸附实验（来自当地糖厂）评估PSPI/PGO在实际工业应用中的可使用性。研究表明，随着填充柱深度增加（20至120毫米），突破时间（360–2820分钟）和耗尽时间（1200–5280分钟）显著增加。结果表明，合成的PSPI/PGO可以有效用于消除实际废水系统中的污染物。

图6 （a）固定床实验的示意图。（b）Yoon–Nelson模型，（c） Thomas，以及MDR模型拟合曲线。（d）不同填充深度废水的PSPI/PGO处理渗透曲线。（e）实物图像，以及（f）不同时间间隔的废水三维荧光光谱图。（h）再生周期对SDC去除的影响。（i）不同水质对SDC移除影响。

总结展望

通过胺修饰SPI与GO合成了一种环保气凝胶（PSPI/PGO），高效去除多种SDCs，吸附能力为CAR吸附能力为291.1 mg/g，MLD吸附能力为1124.2 mg/g，SAC吸附能力为399.3 mg/g。PSPI/PGO展现出卓越的选择性、抗干扰能力、pH适应性和再生性能。PSPI/PGO的巨大潜力通过其高效去除多种水基质（天然水、自来水和湖水）中的多个SDC以及其在使用实际废水进行连续填充柱实验中的优异表现得到了验证。通过整合多种表征分析、新型动力学模型（AOAS、EXT-INT 和 LF-PC-AS）以及多种量子化学理论计算（ESPL、ALIE、FMO、IGMH 和 HSA），阐明了 PSPI/PGO 在 SDC 中的捕获机制，重点关注电荷、氢键和分子间相互作用。PSPI/PGO 的全生命周期探索（包括土壤掩埋降解测试、真实废水处理以及利用耗尽 PSPI/PGO 进行的大蒜水培实验）凸显了其显著的生物相容性和工业应用的可用性。总体而言，PSPI/PGO被认为是实际情况下SDC处理的有效潜在吸附材料，为减少水污染和推动气凝胶水处理技术的应用提供了可行的解决方案。

论文引用

Yan-Shu Xiong, Ming-Xing Li, Mei Li, Hai-Qin Lu, Yang Liu, Wei Wei, Yan-Hong Wei, Wen Li*, Kai Li*,Amine-functionalized soy protein/graphene oxide aerogel for efficient removal of multiplesugar-derived contaminants (SDCs): Full life cycle exploration and interaction simulation,Chemical Engineering Journal,2024,156479,ISSN 1385-8947,https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156479.

《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2025年12月论文发布时的影响因子为13.3，主要刊登化学领域高水平的研究成果，属于化学类Top期刊与中科院1区期刊。

第一作者：熊艳舒

通讯作者：李文，李凯

通讯单位：广西大学，广西民族大学

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156479

作者简介

熊艳舒（第一作者），广西大学轻工与食品工程学院2022级博士研究生。研究方向为糖料副产物综合利用与制糖过程强化研究。以第一/共一作者在CEJ、CP、FC、JMS等TOP期刊发表论文10篇（高被引1篇），总影响因子达100，共发表SCI论文17篇（高被引文章3篇），被引频次超400。主持省级博士研究生创新项目、省级大学生研创计划项目各一项。获“芙蓉学子·学术科研奖”省级个人荣誉称号，获广西大学“甜蜜之家·研究生学术奖学金”荣誉称号，获广西大学研究生优秀学生（学术科技类），获国际会议学术汇报一等奖，在中国“互联网+”大学生创新创业大赛获省级及以上奖项6项。

李文（通讯作者），博士/博士后，广西民族大学化学化工学院专任教师，副教授，硕士研究生导师。研究方向为制糖过程强化理论与技术，主持完成/在研国家自然科学基金青年科学基金项目、广西自然科学基金青年科学基金项目、广西自然科学基金面上项目和广西高等教育本科教学改革工程项目，以第一作者或通讯作者于Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Separation and Purification Technology及Food Control等SCI刊源上发表论文20余篇，以第一作者或通讯作者于食品科学、化工学报及环境科学学报等国内知名期刊上发表论文10余篇，以第一发明人获得授权发明专利9项。作为第三获奖人，获省部级科技进步奖（三等奖）1项。

李凯（通讯作者），广西大学教授/博士生导师，教育部糖业及综合利用工程研究中心主任，兼广西甘蔗与制糖产业学院执行院长、国家现代农业糖料产业技术体系加工研究室主任/糖料资源绿色高质化利用岗位科学家、蔗糖产业省部共建协同创新中心首席科学家、广西制糖学会理事长、广西绿色制糖工程技术研究中心主任、广西甘蔗产业绿色高值化发展工程研究中心主任、中国糖业协会专家委员、国家糖业标准委员、各高水平编委等职。主要从事绿色农产加工、甘蔗资源多元高值化利用、农业副产物生物利用等领域的理论基础、技术开发及推广应用等研究。近年来主持国家自然科学基金、科技支撑计划项目、重点研发计划及广西创新驱动等项目10多项。近年获授权发明专利65件、实用新型专利10件，发表学术论文260多篇（其中SCI收录110多篇），编著本科教材2部。多项科研成果或专利技术转让（超500万元）并已在广西、云南、广东等近100家企业推广应用，显著促进产业技术进步。获广西科技进步奖二等奖（主持）、中国轻工联合会科技进步二等奖（主持）、“十三五”及 “十二五”全国轻工业科技创新先进个人、广西“创新争先科技星”、“广西教育系统优秀共产党员”等荣誉称号。