脱色是改善菜籽毛油色泽的主要工段，菜籽毛油中的色素主要由叶绿素和类胡萝卜素组成，其存在会影响油品的外观、色泽和透明度[1]。此外，叶绿素是一种光敏剂，可促进单线态氧的形成，引发脂肪酸的自由基反应，进而造成脂质氧化，降低油脂的稳定性[2]。目前，吸附脱色是油脂工业生产应用最广泛的脱色方法，吸附剂是决定油脂脱色效果的关键因素。工业上应用最多的吸附剂是活性白土，目前活性白土脱色的弊端日益突显[3]，即残油率高、废白土处理率低[4]等。随着材料科学的发展，新型高效的吸附材料，如石墨烯、金属有机骨架、纳米二氧化硅等新材料被开发应用于水体吸附净化领域，取得了突破性成果。但是，新型材料在油脂脱色领域的应用不足，故本实验选取超强吸附材料——石墨烯作为吸附剂，探索其在菜籽油脱色中的应用研究。石墨是碳原子按照sp2 杂化方式构成的单层蜂窝状晶格结构的二维纳米材料，是不同维度的碳材料的基本结构单元[5]。石墨烯具有超高的理论比表面积、高能接触位点、独特的有机化合物吸附能力，在污染物吸附领域有良好的应用前景[6]。故本研究选取氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）和石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets，GNP）作为吸附材料，通过扫描电子显微镜、拉曼光谱和X 衍射光电子能谱等仪器对两种石墨烯进行结构表征，在此基础上，探究石墨烯吸附剂对菜籽中和油中色素的吸附性能，并通过单因素优化实验，明确石墨烯材料对菜籽油中色素吸附效果和吸附工艺条件，为菜籽油脱色另辟蹊径，促进未来菜籽油工业绿色高效发展。
1 材料与方法
1.1 试剂与仪器
主要材料和试剂：菜籽中和油：重庆红蜻蜓油脂有限责任公司；氧化石墨烯粉体、石墨烯纳米片粉体：四川垦业科技发展有限公司。
主要仪器设备：紫外可见分光光度计：美国通用电气医疗集团；傅立叶红外光谱仪：美国Nicolet公司；显微共聚焦拉曼光谱仪：法国HORIBA Jobin Yvon S.A.S.公司；X 射线衍射仪：德国布鲁克AXS有限公司；扫描电子显微镜：美国FEI；透射电子显微镜JEM-2100F：日本电子株式会社；X 射线光电子能谱仪：美国ThermoFisher，ESCALAB Xi+；X 射线能谱仪：德国Bruker 公司。
1.2 实验方法
1.2.1 菜籽油吸附脱色实验与色素的测定方法
称取一定质量菜籽中和油于圆底烧瓶中，置于一定温度的恒温磁力搅拌器中，然后加入一定质量的石墨烯吸附剂，混合搅拌一定时间后，快速水浴冷却至室温，真空抽滤得到石墨烯脱色菜籽油。
胡萝卜素浓度的测定参照Tian 等[6]，即测定含有0.1 g 菜籽油的环己烷溶液在454 nm 处的吸光度值，代入标准曲线计算。菜籽油综合色泽采用分光光度计法表征[7]。叶绿素的测定方法参照AOCS Official Method Cc 13d-55。紫外可见分光光度计就绪后，将2.2.1 所得脱色油注入10 mm的石英比色皿中，以四氯化碳做参比，记录620～720 nm 波长内吸光度值，按照式（1）计算油脂中叶绿素含量。
式中，C 为叶绿素浓度，mg/kg；Amax、A630和A710 分别为测试部分吸光度的最大值、波长在630 处和710 处的吸光度值，L 为比色槽长度，E为常数。
1.2.2 石墨烯材料的结构表征
1.2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）分析 取少量的石墨烯样品用导电胶固定，测试前对其表面进行喷金处理，然后用扫描电镜观察石墨烯的微观形貌。将石墨烯样品均匀地分散在水或乙醇中，在铜网上滴入少量极稀的石墨烯溶液，干燥后用透射电镜进行形貌观察。
1.2.2.2 X 射线衍射仪（XRD）与拉曼光谱（Raman）分析 用D2 PHASER 型X 射线多晶衍射仪表征石墨烯材料晶体结构，以Cu Kα 射线为衍射源，波长设定为0.154 1 nm，以2°(2θ)/min的速度进行扫描，扫描范围为10°～70°。拉曼光谱分析即取少量干燥的粉末样品置于石英载玻片上压实，使用Ar+激光，在激发波长514 nm 处测试，连续扫描20 s 累积获得光谱。
1.2.2.3 傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X 射线光电子能谱（XPS）分析 将少量干燥的石墨烯样品与溴化钾混匀，置于玛瑙研钵中进行研磨，压片后放入红外光谱仪中进行测试。X 射线光电子能谱采用Al ka 射线（1 486.6 eV）为激发源测定，以284.80 eV 对C1s 结合能校正。
1.3 数据处理
所有实验重复3 次，结果以“平均值±标准差”表示，采用Excel 和SPSS19.0 软件进行数据整理和分析，采用Origin 8.0 进行图形绘制。
2 结果与分析
2.1 石墨烯吸附剂结构与表面性质分析
2.1.1 石墨烯吸附剂的表面形貌
采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对两种石墨烯吸附剂的表面形貌进行了表征，如图1 所示。由图1A 和图1B 可知GNP 呈不规则的片块状结构，表面相对平整并有一些典型的折痕，无孔，空间上层层堆叠。而GO呈现成团的纱状，呈高度的褶皱结构（图1C，图1D），这些褶皱可以帮助石墨烯维持自身的稳定，提供高能吸附位点[8]。
图1 石墨烯纳米片（GNP）和氧化石墨烯（GO）的表面形貌
Fig.1 Surface morphology of GNP and GO
注：扫描电子显微镜图（A，C）和透射电子显微镜图（B，D）。
Note: SEM (A, C) and TEM (B, D) images.
2.1.2 石墨烯吸附剂表面官能团分析
采用FTIR 和XPS 对两种石墨烯的表面官能团进行分析，结果如图2 所示。由图2 A 可知，羟基（—OH）在3 445 cm–1 处出现强烈的伸缩振动，C==C 骨架的振动峰在1 616 cm–1 处，除此之外，GO 的FTIR 图中还出现了羰基（C==O）、羧基（O==C—O）、环氧基（C—O—C）和烷氧基（C—O）的吸收峰，分别对应于图2A 中1 733、1 385、1 224 和1 056 cm–1 处[9]。可知，GO 表面富含极性官能团，具有较强的亲水性。由图2B的XPS 结果可知，GO 主要由62.9%的C、35.1%O和2%N 三种元素共同组成。通过对其进行C1s分峰拟合，可知在289.0、288.4、286.8、284.8和284.0 eV 结合能出现的峰分别对应为O==C—O、C==O、C—O 和C—C（sp3 杂化）和C—C（sp2杂化）的峰[10]。sp3 杂化碳原子的原子百分比（27.8%）高于sp2 杂化的碳原子（6.5%），说明GO 的缺陷结构较多，与图1 的结果吻合。GNP的FTIR 图中还出现了O==C—O 和C—O 官能团的伸缩振动，分别对应于图2A 中1 385 和1 056 cm–1 处的吸收峰。故与GO 相比，GNP 表面极性官能团较少，疏水性强于GO。根据图2B 的XPS结果，GNP 主要由96.3%的C 和3.7%的O 两种元素构成。对GNP 进行C1s 分峰拟，发现在288.8、284.1 和284.8 eV 结合能出现的峰分别对应为O==C—O、C—C（sp2 杂化）、C—C（sp3 杂化）的峰。sp3 杂化碳原子的原子百分比（10.5%）显著低于sp2 杂化的碳原子（74.7%），表明GNP 的缺陷结构较少，芳香性较强[11]。
图2 石墨烯纳米片（GNP）与氧化石墨烯（GO）的表面官能团分析
Fig.2 The surface functional group analysis of GNP and GO
注：傅立叶红外光谱图（A）、X 射线光电子能谱全谱图（B）和C1s 分谱图（C，D）。
Note: FTIR (A), XPS (B) and C1s spectrogram (C, D).
2.1.3 石墨烯吸附剂表面缺陷程度、晶体类型和层间结构分析
采用Raman 光谱来表征GNP 和GO 的表面缺陷程度，如图3A 所示。在1 320 cm–1 和1 552 cm–1附近出现的两个特征振动峰分别是石墨烯的D 峰和G 峰，它们分别来源石墨烯sp3 杂化碳原子和sp2 杂化碳原子的伸缩振动。GNP 的D 峰和G 峰的强度比ID/IG 值为0.81，小于GO 的ID/IG 值（0.95），这与图2 中两种石墨烯中sp3 杂化碳原子和sp2 杂化碳原子的原子百分比差异结果相吻合。由此可知，GNP 的表面缺陷密度低于GO，褶皱更少，符合图1 的表征结果。此外，GNP 的G 峰和2D 峰强度比为1.1，GO 无明显的2D 峰，说明两种石墨烯都是多层结构[12]。采用XRD 技术分析两种石墨烯的晶体类型和层间结构。由其衍射峰的2θ 值可以计算出石墨烯层间距的变化，结果如图3B 所示，GNP 在13°出现弥散的衍射峰，可能是在制备时晶型被破坏导致的。26°左右出现强衍射峰，峰位与石墨的特征衍射峰（26.5°）几乎重合，属于（002）晶面，说明GO 片层之间间距小，形成堆叠现象。GO 在10.6 左右出现强衍射峰，属于（001）晶面，26°左右无石墨的特征衍射峰，表明材料氧化完全，片层间的含氧官能团和褶皱结构使得GO 片层距离被拉开，呈现图1 中高度的褶皱结构[13]。
图3 石墨烯纳米片（GNP）与氧化石墨烯（GO）表面缺陷程度、晶体类型和层间结构分析
Fig.3 Analysis of GNP and GO surface defect extent, crystal type and interlayer structure
注：Raman 光谱（A）与X 射线衍射（B）结果。
Note: Raman spectra (A) and XRD patterns (B) of GNP and GO.
2.2 石墨烯吸附剂用于食用油脱色单因素实验分析
2.2.1 石墨烯吸附剂类型对菜籽油脱色的影响
采用本体态和氧化态两种不同形态的石墨烯作为吸附剂，以菜籽油中叶绿素和胡萝卜素的含量以及光谱扫描法测得的色泽面积来评价石墨烯的综合脱色效果，如图4 所示。菜籽中和油经过两种石墨烯脱色后，其色泽峰面积显著降低，GNP脱色菜籽油的色泽峰面积显著低于空白组和GO脱色组。此外，GNP 可以降低菜籽油中56.9%的叶绿素和30.0%的胡萝卜素，GO 可脱除油中1.4%的叶绿素和22.7%的胡萝卜素。故GNP 对叶绿素的脱除效果显著高于胡萝卜素，GO 对胡萝卜素的脱除能力高于叶绿素。GO 的脱色效果整体上低于GNP，这种现象可能归因于GO 中富含大量的含氧官能团，疏水性差，但油脂中的色素大多为脂溶性色素，故 GO 对色素的吸附能力低于GNP。因此，后续实验以本体态的GNP 为吸附剂，以菜籽油中叶绿素的含量为脱色指标，探究不同反应因素对GNP 脱色效果的影响。
图4 石墨烯纳米片（GNP）和氧化石墨烯（GO）对菜籽油脱色的影响
Fig.4 Effect of GNP and GO on the decolorization of rapeseed oil
注：反应条件：105 ℃，石墨烯吸附剂添加量1 wt.%，-0.1 MPa，30 min，1 200 r/min。不同大小写字母代表各组之间存在显著性差异（P<0.05）。
Note: Reaction conditions: 105 ℃, graphene loading 1 wt.%,-0.1 MPa, 30 min, 1 200 r/min. Different uppercase and lowercase letters represent significant differences between groups (P <0.05).
2.2.2 压力和吸附剂添加量对石墨烯纳米片脱色效果的影响
为了减少油脂氧化，提高油脂的脱色效率，工业上油脂脱色一般在负压条件下进行，压力对GNP 脱色效果的影响如图5 所示。在相同条件下，常压和负压（–0.1 Mpa）脱色对油脂中叶绿素含量的影响无显著性差异。故本实验选择在常压条件进行。在105 ℃，反应时间30 min，1 200 r/min的条件下，GNP 添加量对菜籽油中叶绿素浓度的影响结果如图5B 所示。随着GNP 添加量由0 wt%增加至 2 wt%，菜籽油体系中叶绿素含量由（8.5±0.04） mg/kg 降至（1.5±0.03） mg/kg，脱除率高达82.0%，这是由于吸附剂量的增加可显著增加色素在GNP 的吸附位点，进而增加叶绿素的吸附效率。当GNP 添加量高于2 wt%时，叶绿素的含量略有上升，但是差异不显著。故选取GNP添加量2 wt%进行后续研究。
图5 真空度（A）和石墨烯纳米片添加量（B）对菜籽油脱色效果的影响
Fig.5 Effect of vacuum value (A) and graphene loading (B) on the decolorization of rapeseed oil
注：反应条件：105 ℃，30 min，1 200 r/min。不同字母代表数据存在显著性差异（P <0.05），下同。
Note: Reaction conditions: 105 ℃, 30 min, 1 200 r/min. Different letters represent significant differences in data (P <0.05), same as below.
2.2.3 反应温度对石墨烯纳米片脱色效果的影响
本实验研究了温度对GNP 脱色效果的影响，结果如图6 所示。随着反应温度由35 ℃升至45 ℃，GNP 对菜籽油中叶绿素的脱除率提升了2.3%，继续提高反应温度至85 ℃，油中叶绿素的含量无显著性变化，当温度从 85 ℃提升至105 ℃时，叶绿素的脱除率提升了2.5%，当温度由105 ℃升至125 ℃后叶绿素含量趋于稳定。可知，GNP 对油脂中叶绿素的吸附效率受温度影响幅度较小，可在低温45 ℃实现80%的叶绿素脱除率，该温度显著低于活性炭、活性白土和凹凸棒土的脱色温度（105～110 ℃）[14]。较低的脱色温度可以减少油脂氧化和油脂中热敏性物质的损失，同时可以节约能量消耗，降低生产成本。
图6 反应温度对石墨烯脱色效果的影响
Fig.6 Effect of temperatures on the decolorization effect of graphene
注：反应条件：石墨烯纳米片添加量2 wt%，30 min，1 200 r/min。
Note: Reaction condition: graphene nanoplatelets loading 2 wt%, 30 min, 1 200 r/min.
2.2.4 吸附时间对石墨烯纳米片脱色效果的影响
在温度45 ℃，GNP 添加量2 wt%，转速1 200 r/min 的条件下，研究吸附时间对GNP 脱色效果的影响，结果如图7 所示。在脱色前5 min，菜籽油中叶绿素含量从8.6 mg/kg 降至1.6 mg/kg，叶绿素脱除率由68.7%升至80.6%；在5 min 后GNP 对叶绿素吸附率趋于平缓，叶绿素含量无显著变化。因此，GNP 对菜籽油中的叶绿素的吸附作用在5 min 即可达到平衡，可知GNP 在油脂体系对叶绿素有着较高的吸附效率。在相同条件下，将GNP 脱除叶绿素的效果与传统吸附剂活性炭、活性白土和凹凸棒土的效果进行对比。结果发现，GNP 对菜籽油中叶绿素的脱除率（80.6%）显著高于凹凸棒土（20.3%）、活性白土（40.2%）和活性炭（73.0%）对叶绿素的脱除率。并且，根据Abdi[15]等的报道，计算GNP 吸附叶绿素后的残油率为15.1%±2.3%，显著低于活性白土的一般残油率20%～30%，由此体现出GNP 用于菜籽油脱色的优越性。此外，根据DAS[16]等和Ramakrishna[17]等的报道，叶绿素a 在乙醇体系中可以通π-π 堆石墨烯分子结合，并且可在甲醇溶剂中通过氢键、π-π 堆积和疏水相互作用在化学还原石墨烯上发生超分子组装。因此，GNP 在菜籽油体系中表现出较强的叶绿素吸附能力理论上是可行的，具体吸附剂机理需要进一步研究。
图7 反应时间对石墨烯纳米片脱色效果的影响
Fig.7 Effect of reaction time on the decolorization effect of graphene
注：反应条件：45 ℃，石墨烯纳米片添加量2 wt%，1 200 r/min。
Note: reaction condition: 45 ℃, graphene nanoplatelefs addition amount 2wt%, 1 200 r/min
4 结论
本实验创新性的将两种不同形态的石墨烯用于菜籽油的脱色，并通过材料表征，明确了两种石墨烯的结构特征。结果发现，本体态的石墨烯纳米片（GNP）对菜籽油的脱色效果显著高于氧化石墨烯（GO），且GNP 对菜籽油中的叶绿素的脱除率是对胡萝卜素脱除率的2 倍。单因素实验结果发现，在GNP 添加量2.0 wt%，温度45 ℃，转速1 200 r/min 的优化条件下，GNP 在菜籽油体系中吸附5 min，可以吸附油中80.6%的叶绿素。与传统吸附剂相比，GNP 做吸附剂用于油脂脱色具有反应温度低、吸附时间短的优势，为促进菜籽油的低温适度加工提供新思路。
[1] YAO Y, XUAN P, XIONG W, et al. Chlorophylls, lutein and β-carotene play great but different roles in colour of rapeseed oil[J]. Coloration Technology, 2022, 138(6): 660-673.
[2] LI X, YANG R, LV C, et al. Effect of chlorophyll on lipid oxidation of rapeseed oil[J]. European Journal of Lipid Science and Technology, 2018, 121(4): 1800078
[3] ICYER N C, DURAK M Z. Ultrasound-assisted bleaching of canola oil: Improve the bleaching process by central composite design[J]. LWT-Food Science and Technology, 2018, 97: 640-647.
[4] 王朝晖, 姚永佳, 詹亚名. 油脂精炼厂废白土不落地自动装车方式改进实践. 中国油脂[J]. 2022, 47(9): 153-154.WANG Z H, YAO Y J, ZHAN Y M. Improvement practice of non-landing automatic loading method of waste white soil in oil refinery. Chinese Grease[J]. 2022, 47(9): 153-154.
[5] YANG K, WANG J, CHEN X, et al. Application of graphenebased materials in water purification: from the nanoscale to specific devices[J]. Environmental Science: Nano, 2018, 5(6):1264-1297.
[6] YAP P L, NINE M J, HASSAN K, et al. Graphene-based sorbents for multipollutants removal in water: A Review of Recent Progress[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 31(9):2007356.
[7] TIAN R, LIU Y, CAO D, et al. Preparation of highly efficient p-doped porous camellia shell-based activated carbon and its adsorption of carotenoids in camellia oil[J]. Frontiers Nutr, 2022,9: 1058025.
[8] 付元元, 毕艳兰, 彭丹, 等. 分光光度法测定一级大豆油色泽的研究[J]. 河南工业大学学报(自然科学版), 2014, 35(4):32-38.FU Y Y, BI Y L, PENG D, et al. Color determination of firstgrade bean oil by spectrophotometry[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2014, 35(4): 32-38.
[9] FASOLINO A, LOS J H, KATSNELSON M I. Intrinsic ripples in graphene[J]. Nat Mater, 2007, 6(11): 858-61.
[10] KORUCU H, MOHAMED A I, YARTAS A, et al. The detailed characterization of graphene oxide[J]. Chemical Papers, 2023,77(10): 5787-5806.
[11] AL-GAASHANI R, NAJJAR A, ZAKARIA Y, et al. XPS and structural studies of high quality graphene oxide and reduced graphene oxide prepared by different chemical oxidation methods[J].Ceramics International, 2019, 45(11): 14439-14448.
[12] 王骏. 石墨烯纳米片层的结构调控及其对有机污染物的吸附性能和作用机理[D]. 浙江大学, 2017.WANG J. Adsorption propeties and mechanisms of organic pollutants onto structure-controlled graphene nanosheets[D].Zhejiang University, 2017.
[13] 黄丹. 磁性石墨烯复合材料的制备及其对有机污染物的去除性能与机理[D]. 浙江大学, 2020.HUANG D. Preparation of magnetic graphene composites for organic pollutants removal: properties and mechanisms[D].Zhejiang University, 2020.
[14] 张文龙, 黄成义, 赵晨伟, 等. 植物油中的色素及吸附脱色研究进展[J]. 中国油脂, 2022, 47(6): 21-28.ZHANG W L, HUANG C Y, ZHAO C W, et al. Progress on pigment and adsorption bleaching of vegetable oil[J]. China Oil and Fats, 2022, 47(6): 21-28.
[15] ABDI M G M. Investigation of using egg shell powder for bleaching of soybean oil[J]. LWT-Food Science & Technology,2021, 140(1): 110859.
[16] DAS D, SARKAR MANNA J, MATRA M K. Electron donating chlorophyll-a on graphene: a way toward tuning fermi velocity in an extended molecular framework of graphene/chlorophyll-a nanohybrid[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2015,119(13): 6939-6946.
[17] RAMAKRISHNA T R B, MATHESH M, LIU Z, et al. Solvent effect on supramolecular self-assembly of chlorophylls a on chemically reduced graphene oxide[J]. Langmuir, 2020, 36(45):13575-13582.