張 鐘 汪 杰 李鳳霞

(茂名學(xué)院1,茂名 525000)(安徽科技學(xué)院2,鳳陽(yáng) 233100)

大孔樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素吸附性能的研究

張 鐘1汪 杰2李鳳霞2

(茂名學(xué)院1,茂名 525000)(安徽科技學(xué)院2,鳳陽(yáng) 233100)

在測(cè)定黑糯玉米芯色素吸收光譜的前提下,對(duì)純化前后的色價(jià)進(jìn)行了測(cè)定,并繪制了黑糯玉米芯色素的工作曲線。在靜態(tài)吸附試驗(yàn)中,通過(guò)比較 6種大孔樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離黑糯玉米芯色素的樹(shù)脂,并對(duì)大孔樹(shù)脂的解析率進(jìn)行了測(cè)定。同時(shí),對(duì)影響吸附和解吸的因素如pH和溫度對(duì)吸附的影響及乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解析的影響進(jìn)行分析,并且對(duì)樹(shù)脂的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究。在動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)中,對(duì)上樣液流速和濃度對(duì)吸附的影響及乙醇流速對(duì)解吸的影響進(jìn)行分析,并對(duì)樹(shù)脂的飽和吸附量及樹(shù)脂的重復(fù)使用性能進(jìn)行了測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn):X-5樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素不僅吸附量大而且解吸率高,適合用于黑糯玉米芯色素的分離和富集。X-5樹(shù)脂分離黑糯玉米芯的工藝參數(shù)為:上樣液質(zhì)量濃度 1.0 g/L,pH 3.0,流速 1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min的流速進(jìn)行洗脫。吸附 10 h可以完成吸附,純化前的色價(jià)為 16.5,純化后的色價(jià)為 40.1;X-5樹(shù)脂的飽和吸附量達(dá)到 16.9651 mg/g;回收率可達(dá)到89.16%,X-5樹(shù)脂重復(fù)使用性能良好。

大孔樹(shù)脂 黑糯玉米芯色素 吸附性能 解吸

目前分離富集色素的方法主要有有機(jī)溶劑萃取法、超濾法和吸附分離法,有機(jī)溶劑萃取法存在溶劑殘留和生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn),超濾法的產(chǎn)品質(zhì)量好,但是對(duì)設(shè)備的要求高、成本大、提取率低,而吸附分離法是中草藥有效成分分離的常用方法[1]。大孔樹(shù)脂具有物理化學(xué)穩(wěn)定性高,吸附選擇性強(qiáng),富集效果好,解吸條件溫和,再生簡(jiǎn)便,使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]。近年來(lái)已廣泛地應(yīng)用于色素的分離與純化。Dietmar等[3]使用聚合吸附樹(shù)脂從葡萄渣提取液提取花青素。很多研究者用NKA-Ⅱ等大孔吸附樹(shù)脂對(duì)紫菜薹、鹿心雪茶、葡萄籽原花青素、黑果枸杞、蘿卜紅、紅豆皮、火龍果等色素進(jìn)行分離純化,取得了較好的效果[4-12]。

有關(guān)黑糯玉米芯色素的分離和富集已經(jīng)有過(guò)報(bào)道[13],但是利用大孔樹(shù)脂對(duì)該色素進(jìn)行純化尚且未見(jiàn)報(bào)道。選用 6種大孔樹(shù)脂,通過(guò)比較其對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離富集該色素的樹(shù)脂,并對(duì)分離工藝條件進(jìn)行探討,希望能夠?qū)谂从衩仔旧氐墓I(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑糯玉米芯:由安徽省濉溪縣農(nóng)科所提供;H103、X-5、AB-8、NKA- Ⅱ、S-8、ADS-8大孔吸附樹(shù)脂:天津南開(kāi)和成科技有限公司。

儀器:HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋:國(guó)化電器有限公司;JSFL-100-II粉碎機(jī):上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 大孔樹(shù)脂的預(yù)處理

大孔樹(shù)脂用 95%乙醇充分浸泡 24 h,接著用95%乙醇以 2 BV/h的流速 (1 BV為一個(gè)樹(shù)脂床體積)通過(guò)樹(shù)脂層,洗至流出液加蒸餾水不呈白色渾濁為止,再用蒸餾水以同樣的流速洗凈乙醇。然后用酸堿處理,即用 2 BV的 5%HCl溶液以 2 BV/h的速度通過(guò)樹(shù)脂層,并浸泡 3 h,而后用蒸餾水以同樣的流速洗至 pH為中性,接著用 2 BV的 2%NaOH溶液以 5 BV/h的流速通過(guò)樹(shù)脂層,并浸泡 3 h,而后用蒸餾水以同樣的流速洗至中性。以除去痕量的防腐劑和殘留的單體化合物。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黑糯玉米芯色素的提取方法工藝流程[13]

黑糯玉米→去皮,去須,去籽粒,留芯→烘干稱(chēng)重→搗碎→微波浸提→過(guò)濾→濾液→減壓濃縮→真空干燥→色素

1.3.2 黑糯玉米芯色素色價(jià)的測(cè)定及工作曲線的繪制

色價(jià) =A×r/w

式中:A為吸光度;r為稀釋倍數(shù);w為樣品質(zhì)。粗提色素色價(jià) =A×r/w=0.165×100/1.0=16.5

準(zhǔn)確稱(chēng)取該色素兩份,每份 0.5 g,分別用檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液 (pH 3.0)和 95%乙醇溶液稀釋到不同濃度,根據(jù)比爾定律繪制色素在兩種溶液中的工作曲線[7]。

Y=2.257 895x+0.114 316 R2=0.912 543(乙醇)

Y=1.927 978x-0.007 51 R2=0.998 806(緩沖液)

1.3.3 大孔樹(shù)脂吸附特性的比較

1.3.3.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔樹(shù)脂上的吸附準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)過(guò)處理的大孔樹(shù)脂 (去表面水,下同)若干份,每份 0.5 g,加入到 100 mL的具塞錐形瓶中,再各加入 50 mL用檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液 (pH 3.0)配制的色素溶液,放在恒溫振蕩器上振蕩 (30℃,150 r/min)直至吸附飽和 (當(dāng)流出液的吸光度與上樣液的吸光度基本接近時(shí),可以認(rèn)為樹(shù)脂對(duì)色素的吸附已達(dá)到飽和)[11]。吸附率及吸附量的計(jì)算如下:

吸附率 =[(Ao-A′)/Ao]×100%

式中:Ao為吸附前色素的吸光度;A′為吸附后色素的吸光度;

吸附量 =[(C0-C′)/m]×V

式中:C0為吸附前溶液的質(zhì)量濃度 /mg/L;C′為吸附后溶液的質(zhì)量濃度/mg/L;m為濕樹(shù)脂的質(zhì)量/g;V為吸附液體積 /L。

1.3.3.2 大孔樹(shù)脂解吸率的測(cè)定

取吸附飽和的大孔樹(shù)脂 (使用測(cè)定吸附率的大孔樹(shù)脂),加入50 mL 95%乙醇,置 30℃和 150 r/min恒溫振蕩器中振蕩 24 h,過(guò)濾,測(cè)定濾液中色素的吸光度,并按下式計(jì)算室溫下的解吸率[14]。

解吸率 =(解吸液質(zhì)量濃度 ×解吸液體積)/(樹(shù)脂質(zhì)量 ×吸附量)×100%

1.3.3.3 pH對(duì)吸附的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)處理的 X-5樹(shù)脂若干份,每份0.5 g分別加入 50 mL pH分別為 2.2、2.5、3.0、3.5、4.0的檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液,得到不同 pH的色素溶液,30℃150 r/min振蕩 60 min,靜置后測(cè)定色素在最大吸光波長(zhǎng)處的吸光度,計(jì)算吸附率[7]。

1.3.3.4 溫度對(duì)吸附的影響

分別稱(chēng)取 X-5樹(shù)脂若干份,每份 0.5 g,各加入用緩沖液配制的色素溶液 50 mL,在不同的溫度 (30、40、50℃)下恒溫振蕩 (150 r/min)吸附,每隔一定的時(shí)間測(cè)色素溶液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度,作吸附率隨時(shí)間的變化曲線[9]。

1.3.3.5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解吸的影響

分別稱(chēng)取 0.5 g經(jīng)吸附飽和的色素濕樹(shù)脂,加入50 mL體積分?jǐn)?shù)分別為 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%、100%的乙醇水溶液,在水浴振蕩器上振蕩 (30℃,150 r/min)30 min,使色素從樹(shù)脂上解吸,將解吸液稀釋到乙醇體積分?jǐn)?shù)為 20%,測(cè)定吸光度,再折合成相同體積的吸光度[9]。

1.3.3.6 大孔樹(shù)脂的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)特征

準(zhǔn)確稱(chēng)取預(yù)處理后的 X-5濕樹(shù)脂 1.0 g,置于250 mL的具塞錐形瓶中,各加入色素提取液 (1%)100 mL,置 30℃恒溫振蕩器中,150 r/min進(jìn)行振蕩,每隔一定時(shí)間移取 0.1 mL上清液,用 95%乙醇定容至 10 mL,測(cè)定吸光度,繪制靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線[14]。

1.3.3.7 上樣液流速對(duì)吸附的影響

將用 pH 3.0的檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液配置的色素溶液 200 mL(0.001 kg/L),自上而下通過(guò)X-5 樹(shù)脂 ,控制一定流 速 (分別為 1、4、10、15 mL/min),分段收集流出液,于 530 nm處測(cè)定其吸光度[7]。

1.3.3.8 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響

通過(guò)篩選將 X-5樹(shù)脂作為黑糯玉米芯色素的吸附劑。將質(zhì)量濃度分別為 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L的上樣液在動(dòng)態(tài)的條件下以 1 mL/min的流速通過(guò)樹(shù)脂柱并于 530 nm處測(cè)定其吸光度[7]。

1.3.3.9 乙醇流速對(duì)解吸的影響

將 pH 3.0的緩沖液配制的色素溶液流經(jīng) X-5樹(shù)脂直至達(dá)到飽和,然后用 95%乙醇洗脫,測(cè)定在不同洗脫流速下分段收集到的流出液的吸光度[7]。

1.3.3.10 樹(shù)脂的飽和吸附量的測(cè)定

用緩沖液配制的色素溶液,以 1 mL/min的流速通過(guò)樹(shù)脂柱,動(dòng)態(tài)檢測(cè)流出液的吸光度,當(dāng)流出液的吸光度與上樣液的吸光度基本相同時(shí)可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),然后用蒸餾水沖洗樹(shù)脂柱,再用 95%乙醇洗脫,收集洗脫液至無(wú)色為止,將洗脫液減壓濃縮、干燥得到粉末狀固體,計(jì)算樹(shù)脂的飽和吸附量[7]。

飽和吸附量 =色素質(zhì)量 /濕樹(shù)脂質(zhì)量

1.3.3.11 樹(shù)脂的重復(fù)使用性能

黑糯玉米芯色素在 X-5樹(shù)脂柱上進(jìn)行吸附;先以去離子水洗滌,然后用乙醇解吸,最后用去離子水洗至無(wú)醇味,進(jìn)行再生,如此 10次后計(jì)算吸附率[14]。

1.3.3.12 回收率的計(jì)算

預(yù)處理好的 X-5樹(shù)脂裝入直徑 1 cm、長(zhǎng) 30 cm的樹(shù)脂柱中,使 X-5樹(shù)脂高度為 15 cm進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附,將用 pH 3.0的緩沖液配制的質(zhì)量濃度為1.0 g/L的色素溶液 200 mL,以 1.0 mL/min的流速通過(guò)樹(shù)脂柱,直至吸附飽和;再用 95%乙醇洗脫,流速為 1.0 mL/min直至洗脫液接近無(wú)色。將洗脫液干燥至恒重,計(jì)算回收率。

回收率 =(實(shí)際回收色素質(zhì)量/理論回收色素質(zhì)量)×100%

1.5 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析方法

采用 SAS6.12軟件進(jìn)行結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹(shù)脂吸附特性的比較——靜態(tài)吸附試驗(yàn)

2.1.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔樹(shù)脂上的吸附及解吸率試驗(yàn)

由圖 1可知上述 6種樹(shù)脂中以 ADS-8、S-8、X-5的吸附率較高,AB-8、NKA-Ⅱ、H103次之,又由于生產(chǎn)上不僅要求樹(shù)脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保證有效成分更多的得到回收。在上述 6種樹(shù)脂中 X-5、AB-8的解吸率較高,而其余的 4種次之。綜合考慮選擇 X-5型大孔樹(shù)脂較好。

圖 1 色素在不同大孔樹(shù)脂上的吸附及解吸率

2.1.2 pH對(duì)吸附的影響

圖 2是 X-5樹(shù)脂在 pH分別為 2.2、2.6、3.0、3.6、4.0條件下對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率圖。當(dāng)pH 3.0時(shí) X-5樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率最高,選用 pH 3.0作為吸附條件。

圖 2 pH對(duì)吸附的影響

2.1.3 溫度對(duì)吸附的影響

由圖 3可知在相同的吸附時(shí)間下,溫度越高,樹(shù)脂對(duì)色素的吸附率越高,在合適的溫度下可以提高樹(shù)脂對(duì)色素的吸附速率。但是溫度對(duì)吸附的影響并不十分明顯。

圖 3 溫度對(duì)吸附的影響

2.1.4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解吸的影響

由圖 4可知乙醇的體積分?jǐn)?shù)對(duì)解吸是有一定的影響,一般情況下乙醇體積分?jǐn)?shù)越高對(duì)色素的解吸越好。本試驗(yàn)中使用體積分?jǐn)?shù)為 100%的乙醇解吸率最高。但是95%和100%的乙醇對(duì)色素的解吸效果相差并不顯著,在試驗(yàn)中采用 95%的乙醇作為洗脫液。

圖 4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解吸的影響

2.1.5 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)特征曲線

圖 5為 X-5樹(shù)脂的靜態(tài)吸附特征曲線,由圖 5可知當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到 10 h以上時(shí),色素的濃度就變得很低了,色素基本被吸附。

圖 5 X-5靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)特征曲線

2.2 大孔樹(shù)脂吸附特性的比較——?jiǎng)討B(tài)試驗(yàn)

2.2.1 上樣液流速對(duì)吸附的影響

由圖 6可知,隨著上樣液流速的增大,從樹(shù)脂柱中泄漏出的液體的吸光度也在增大,樹(shù)脂對(duì)色素的吸附量在減小。這是由于色素液流速過(guò)大時(shí),色素來(lái)不及與樹(shù)脂充分接觸就隨著上樣液一起泄漏。試驗(yàn)中流速為 1 mL/min吸附量最大,泄漏量最小;流速為 15 mL/min時(shí)吸附量最小,泄漏量最大。因此,上樣液最佳流速為 1 mL/min。

圖 6 上樣液流速對(duì)吸附的影響

2.2.2 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響

由圖 7可以看出,上樣液的質(zhì)量濃度過(guò)大和過(guò)小都不利于吸附,這主要是由于上樣液質(zhì)量濃度過(guò)大時(shí),樹(shù)脂在達(dá)到吸附飽和后就不能再吸附更多的色素,而造成色素的泄露,吸附率下降。上樣液質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí),樹(shù)脂雖不能吸附飽和,但是由于上樣液的流動(dòng)仍然有一定量的色素隨上樣液而泄露,降低了樹(shù)脂的使用效率。另外,質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)容易發(fā)生絮凝和沉淀。本試驗(yàn)得出上樣液最佳質(zhì)量濃度為1.0 g/L至 1.5 g/L時(shí)吸附率較高,綜合考慮選取上樣液質(zhì)量濃度為 1.0 g/L為宜。

圖 7 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響

2.2.3 乙醇流速對(duì)解吸的影響

用不同流速的洗脫液進(jìn)行洗脫,其結(jié)果見(jiàn)圖 8所示。隨著稀釋液流速的增大,解吸效果逐漸下降,本試驗(yàn)中以 1mL/min的洗脫流速效果最佳。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)吸附柱的大小、色素的吸附量等因素綜合考慮,優(yōu)化洗脫液的流速,以求達(dá)到最佳工藝效果。

圖 8 乙醇流速對(duì)解吸的影響

2.2.4 樹(shù)脂的飽和吸附量測(cè)定

經(jīng)計(jì)算樹(shù)脂的飽和吸附量為 16.9651 mg/g。

2.2.5 純化后色素的色價(jià)

純化后的色素色價(jià)為 40.1。

2.2.6 大孔樹(shù)脂的重復(fù)使用性能

由圖 9可知 X-5樹(shù)脂在反復(fù) 10次的使用過(guò)程中,對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率不會(huì)發(fā)生明顯的下降,其重復(fù)使用性能良好。再生過(guò)程也不復(fù)雜。

圖 9 大孔樹(shù)脂的重復(fù)使用性能

2.2.7 回收率的計(jì)算

經(jīng)計(jì)算回收率為 89.16%。

3 討論

生產(chǎn)上不僅要求樹(shù)脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保證有效成分更多的得到回收。當(dāng)吸附時(shí)間相同時(shí),溫度越高,吸附越快,在實(shí)際生產(chǎn)中適當(dāng)升高溫度可縮短達(dá)到飽和的時(shí)間,提高效率[11],因此,溫度要適當(dāng)。上樣液的 pH值是影響色素穩(wěn)定性的重要因素,色素在吸附時(shí)首先性質(zhì)要保持穩(wěn)定,另外,不同大孔樹(shù)脂在吸附時(shí)所要求的最適 pH值也有所區(qū)別,DM-130吸附銀杏葉黃酮最適為 pH值5.02[11],AB-8吸附紫甘薯色素最適 pH值為2.5[9],X-5吸附黑果枸杞色素最適 pH值為 3.0[7]。

大孔吸附樹(shù)脂一般存在樹(shù)脂中毒的現(xiàn)象,在重復(fù)使用多次以后,其吸附能力都會(huì)明顯減弱,引起中毒的原因有蛋白質(zhì)中毒、多糖中毒等[9]。本試驗(yàn)中使用 X-5樹(shù)脂循環(huán)使用 10次后總體吸附能力無(wú)明顯的下降,可能是由于本試驗(yàn)采用酸性乙醇提取黑糯玉米芯色素,所含雜質(zhì)少的原因。

4 結(jié)論

通過(guò)比較 6種大孔樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離黑糯玉米芯色素的樹(shù)脂。結(jié)果表明,X-5樹(shù)脂對(duì)黑糯玉米芯色素不僅吸附量大而且解吸率高,適合黑糯玉米芯色素的分離和富集。X-5樹(shù)脂分離黑糯玉米芯的工藝參數(shù)為:上樣液質(zhì)量濃度為 1.0 g/L,pH 3.0,流速為1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min流速進(jìn)行洗脫,可將黑糯玉米芯色素從樹(shù)脂柱上解吸下來(lái)。經(jīng)大孔樹(shù)脂處理色素的色價(jià)提高了 143%,回收率達(dá)到89.16%,經(jīng)計(jì)算樹(shù)脂的飽和吸附量為 16.965 1 mg/g。

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Adsorption ofMacroporous Resins to Black Glutinous Corncob Pigment

Zhang Zhong1Wang jie2Li Fengxia2
(College of Chemistry and Life Science,Maoming University1,Maoming 525000)
(Anhui Science and TechnologyUniversity2,Fengyang 233100)

In the condition of measuring absorption spectrum of black glutinous corncob pigment(BGCP),the color price of the pigment before and afterpurification wasmeasured and the standard curve wasmade.In a static ex2 periment,the bestmacroporous resin forBGCP was selected through comparing the rates of adsorption and desorption of six macroporous resins to BGCP.The desorption rate of the bestmacroporous resinwasmeasured.The effectsofpH and temperature on the adsorption and desorption,and the effect of ethanol concentration on the desorption were ana2 lyzed.Dynamics studywas conducted on the static adsorption of the resin.In a dynamic experi ment,the effectsof ex2 tracting solution speed and concentration on the adsorption and the effect of ethanol speed on the desorption were ana2 lyzed.The adsorption capacity of the resin and its performance in repeat using were studied.Results:X-5 resin is excellent with high adsorption and desorption rate,and is the most suitable adsorbent among the sixmacroporous res2 ins selected forBGCP separation and concentration.The optimal separation conditions are liquid concentration 0.001 kg/L,pH 3.0,and flow rate 1 mL/min,and using 95%ethanol as effluent at 1 mL/min speed.The adsorption is completed in 10 h;the pigment colour price is 16.5 before purification and 40.1 after purification.The adsorption capacity of the resin is deter mined to be 16.965 1 mg/g resin and BGCP recovery rate is up to 89.16%.X-5 resin has good performance in repeat using.It is proved that X-5 resin is an excellent adsorbent.

macroporous resin,black glutinous corncob pigment,adsorption perfor mance,desorption

TS201.1

A

1003-0174(2010)01-0013-06

安徽省教育廳項(xiàng)目(2006KJ200B),廣東省高等學(xué)校人才引進(jìn)項(xiàng)目(201192)

2009-02-12

張鐘,男,1962年出生,教授,農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工