黃艷,黃曉菲,吳琳珊,李燁,羅德赟
(1.武夷學院茶與食品學院,福建武夷山354300;2.福建農林大學食品科學學院,福建福州350002)
錐栗(Castanea henryi Rehd.et Wils.),別稱毛榛、尖栗、棒栗,山毛櫸目,殼斗科栗屬[1]。我國錐栗栽培已有1800多年歷史,栽培面積在不斷地擴大,主要分布于浙、贛、湘、閩等地區(qū),其中較為著名的當屬“名特優(yōu)經濟林錐栗之鄉(xiāng)”的福建建甌市[2-3],其栽培的品種、面積、產量均居全國首位[4-5]。據統(tǒng)計[6],目前建甌錐栗的年產量達3.3萬噸,產值達4.61億元,而每年由于錐栗果實加工產生的錐栗殼也逐年上漲,年產量達1.74萬噸。錐栗果實的開發(fā)利用一直備受關注,但錐栗殼廢棄物的利用研究較少,目前除被用作制造活性炭之外,大部分被作為廢渣焚燒或廢棄[7],不僅造成資源浪費,且對環(huán)境造成污染。錐栗殼中含有一定的色素物質,主要為棕色色素,筆者已應用恒溫-回流法從錐栗殼中提取色素,最佳得率可達17%左右[7]。伴隨我國錐栗種植面積的增加,錐栗殼廢棄物亦逐年增加,這為開發(fā)利用安全性高的錐栗殼天然棕色素提供原料保障。
目前采用有機溶劑提取、堿提等方法[8]獲得的天然色素普遍存在雜質多、色素純度較低的問題。大孔樹脂是一類不帶離子交換基團的多孔型交聯(lián)聚合物[9],具有良好的選擇吸附特性[10],經大孔樹脂處理后,可有效地去除粗提液中大量的糖類、蛋白質等成分,使色素成分高度富集而提高色素純度和品質[11]。近年來,應用大孔樹脂技術提取純化板栗、榛子等堅果類果殼色素的研究已見較多報道[12-16],但應用該技術吸附純化錐栗殼色素并未見相應報道。
以錐栗殼為原料,利用易回收、安全性高的乙醇溶液提取錐栗殼粗色素,應用大孔吸附樹脂進一步純化,篩選出最佳純化工藝,以期為錐栗殼天然色素的工業(yè)化分離純化提供理論依據。
錐栗殼:由福建省光祥食品有限公司提供。錐栗殼經篩選去除霉爛部分,清洗后先晾曬數天,去除貼殼的帶絨毛的果衣,再于烘箱中60℃烘干,粉碎后過100目篩,備用。
無水乙醇、95%乙醇、氫氧化鈉、石油醚、鹽酸、乙酸乙酯(分析純):國藥集團化學試劑有限公司。
大孔吸附樹脂(NKA-9、D4020、XAD-7、DA-201、AB-8、X-5、D101):均購于安徽三星樹脂有限公司,具體物理性能如表1所示。
PW80高速萬能粉碎機:天津市泰斯特儀器有限公司;SHB-III循環(huán)水式真空泵:鄭州長城科工貿有限公司;PB-10酸度計:上海多博科學儀器有限公司;TG16K-II高速離心機:衡陽東旺實驗儀器有限公司;DHG-9123電熱恒溫鼓風干燥箱:上海精宏實驗設備有限公司;Sartorius BSA2245型電子分析天平:北京賽多利斯科學儀器有限公司;島津UV-2550紫外可見分光光度計:北京京科瑞達科技有限公司;HH-S4數顯恒溫水浴鍋:河北中捷儀器制造有限公司;R-1001-VN旋轉蒸發(fā)儀:鄭州長城儀器有限公司;DZF-6050真空干燥箱:揚州市培英實驗儀器有限公司;SH2-82恒溫振蕩器:常州國華電器有限公司;BSZ-100-LCD自動部分收集器:上海琪特分析儀器有限公司;HL-2恒流泵、CXG-1電腦恒溫層析柜:上海滬西分析儀器廠有限公司。
表1 大孔樹脂物理性能Table 1 Physical properties of macroporous resin
色素提取工藝參照本課題組的方法進行[7]。提取純化工藝流程如下:
錐栗殼粉→乙醇恒溫回流浸提→抽濾、離心→減壓濃縮→色素粗提液→加乙醇、乙酸乙酯及石油醚萃取除雜→減壓濃縮→真空干燥→粗提色素干品→按需配置成一定濃度的溶液→大孔吸附樹脂純化→乙醇解析→減壓濃縮→冷凍干燥→純化色素干品
根據此提取制備工藝,制得的粗提色素干品呈土棕色、粉末狀,觸摸有沙沙的顆粒感。
準確稱取0.005 g的錐栗殼粗提色素干品溶于適量的40%乙醇溶液中,并定容至100 mL。取5支試管,分別量取 1、2、3、4、5 mL 色素溶液,再分別加入 9、8、7、6、5 mL乙醇溶液,配置成不同濃度的色素溶液,在λmax=277 nm處(前期色素提取試驗測定得出)測定不同濃度的吸光度,繪制錐栗殼色素溶液的濃度C與吸光度A的標準曲線,如圖1所示。
圖1 錐栗殼色素溶液的標準曲線Fig.1 The standard curve of Castanea henryi shell pigment solution
錐栗殼色素在0.005 mg/mL~0.025 mg/mL范圍內,吸光度值與其濃度呈良好的線性關系,回歸方程如下:A=16.94C+0.0729,R2=0.9989,式中:A 為吸光度值;C為錐栗殼色素溶液濃度,mg/mL。
將1.1中所述的7種大孔樹脂分別用95%乙醇溶液浸泡24 h,再進行抽濾,用蒸餾水抽濾洗滌樹脂,至洗出液無乙醇味,流出的洗滌液澄清不渾濁;接著將大孔樹脂放入5%HCl溶液中浸泡5 h,用蒸餾水抽濾洗滌,直至pH試紙顯示流出的洗滌液呈中性,最后用5%NaOH溶液浸泡5 h,用蒸餾水抽濾洗滌,直至pH試紙顯示流出的洗滌液呈中性。將處理好的大孔樹脂置于蒸餾水中備用,以防微生物侵染。
用濾紙輕輕擦拭經預處理活化的大孔樹脂表面水分,分別準確稱取 2.0 g D101、X-5、XAD-7、D4020、DA-201、AB-8、NKA-9大孔樹脂于100 mL的錐形瓶中,加入10 mL錐栗殼色素溶液,測定吸光度A0。于恒溫振蕩箱(30℃,150 r/min)中充分振蕩 24 h,過濾,測定濾液吸光度A1,根據式(1)計算吸附率。
去除濾液,并抽濾水洗除去大孔樹脂表面的錐栗色素。將7種大孔樹脂分別裝于100 mL錐形瓶中,分別加入10 mL 80%乙醇溶液作為解吸液。設置恒溫振蕩箱溫度30℃,轉速150 r/min,充分振蕩24 h,再過濾溶液,測定濾液的吸光度A2,根據式(2)計算解吸率。
選取吸附率和解吸率綜合效果好的大孔樹脂進行后續(xù)純化工藝的研究。
1.3.5.1 靜態(tài)動力學吸附研究
準確稱取質量為1.0 g的大孔樹脂,置于50 mL錐形瓶中,再加入30 mL錐栗殼色素溶液,置于恒溫振蕩箱中,設置溫度30℃,轉速150 r/min,充分振蕩。每隔15 min從中快速移取1 mL溶液,用40%乙醇溶液準確定容至5 mL,測定吸光值,繪制靜態(tài)吸附動力學曲線。
1.3.5.2 色素溶液pH值對D101樹脂吸附效果的影響
準確稱取7份1.0 g大孔樹脂,分別置于7個50mL錐形瓶中,分別調節(jié)色素溶液pH值為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0,再分別加入 10 mL 色素溶液,置于恒溫振蕩箱中,設置溫度30℃,轉速150 r/min,充分振蕩120 min。過濾后測定色素溶液的吸光值A1,根據1.3.4中的式(1)計算不同pH值下樹脂的吸附率。
1.3.5.3 溫度對D101樹脂吸附效果的影響
準確稱取5份1.0g大孔樹脂,分別置于5個50mL錐形瓶中,再分別加入20 mL色素溶液,設置轉速150 r/min,分別于 20、30、40、50、60 ℃的恒溫振蕩箱中振蕩吸附,每隔20 min測定上層液的吸光值,繪制不同溫度下錐栗殼色素溶液的吸附曲線。
1.3.5.4 乙醇濃度對D101樹脂解吸效果的影響
準確稱取7份1.0 g大孔樹脂,置于7個50 mL錐形瓶中,分別加入10 mL色素溶液。設置溫度30℃,轉速150 r/min,置于恒溫振蕩箱中充分振蕩120 min,待樹脂基本吸附飽和后,抽濾棄去濾液,留下吸附飽和的樹脂,分別加入10 mL濃度為50%、60%、70%、80%、90%、95%、100%的乙醇溶液,充分振蕩解吸24 h(溫度30℃,轉速150 r/min)。解析后測定濾液的吸光值,對比不同濃度的乙醇溶液對大孔樹脂的解吸效果。
1.3.6.1 吸附柱徑高比對吸附效果的影響
適宜的吸附柱徑高比有利于提高色素的分離效率[17]。將充分活化的大孔濕樹脂分別以 1∶7、1∶8、1∶9、1∶10的柱徑高比進行裝柱,配制適當濃度及pH 4.0的色素上樣液,調節(jié)層析柜溫度40℃,采用1.0 mL/min的流速進行上樣。每5 mL收集一管流出液,測定其吸光度。當流出液的吸光值達到上樣液吸光值的10%時,被稱作為泄露點,表明大孔樹脂已經吸附飽和,即可停止上樣,繪制不同柱徑高比對錐栗殼色素溶液的吸附曲線。
1.3.6.2 上樣流速對吸附效果的影響
用充分活化的大孔濕樹脂按1.3.6.1確定的最佳柱徑高比進行裝柱。配制0.100 mg/mL、pH 4.0的色素上樣液,調節(jié)層析柜溫度40℃,分別以0.5、1.0、1.5、2.0 mL/min流速流過樹脂,每5 mL收集一管流出液,測定其吸光度。同1.3.6.1待大孔樹脂吸附飽和后停止上樣,繪制不同上樣流速對錐栗殼色素溶液的吸附曲線。
1.3.6.3 上樣濃度對吸附效果的影響
用充分活化的大孔濕樹脂按1.3.6.1確定的最佳柱徑高比進行裝柱。配制濃度分別為0.075、0.100、0.125、0.150 mg/mL錐栗殼色素溶液,調節(jié)pH 4.0,以1.3.6.2確定的最佳流速上樣。每5 mL收集一管流出液,測定其吸光度。同1.3.6.1待大孔樹脂吸附飽和后停止上樣,繪制不同上樣濃度對錐栗殼色素溶液的吸附曲線。
1.3.6.4 洗脫流速對解吸效果的影響
用充分活化的大孔濕樹脂按1.3.6.1確定的最佳柱徑高比進行裝柱。配制pH 4.0的錐栗殼色素溶液,以1.3.6.2確定的最佳流速上樣,色素溶液流經大孔樹脂至其飽和。再用蒸餾水上樣,洗除樹脂外表面的殘留色素。洗滌完畢,待無蒸餾水流出,再用80%乙醇溶液分別以0.5、1.0、1.5、2.0 mL/min流速洗脫,每5 mL收集一管流出液,測定其吸光度。當吸光度為零時停止洗脫,繪制吸附飽和大孔樹脂在不同洗脫液流速下的解吸曲線。
1.3.6.5 D101大孔樹脂動態(tài)吸附的正交試驗
根據單因素試驗數據,以色素吸附率為評價指標,進行正交設計。正交試驗和因素水平見表2。
表2 正交試驗因素與水平Table 2 Orthogonal test factors and levels
分別對1.3.1即乙醇恒溫回流提取的色素干品和大孔樹脂純化后的色素液經濃縮、干燥處理得到的色素干品進行色價測定,具體操作為:分別準確稱取純化前后錐栗殼色素0.1 g,用蒸餾水定容至100 mL,從中移取10 mL,再定容至100 mL,用1 cm比色皿在最大吸收波長277 nm處測定錐栗殼色素的吸光值。色價計算公式如下:
式中:A為吸光度;R為100 mL溶液需稀釋至適合測定吸光值的倍數;M為100 mL溶液中所含色素干品的質量,g。
稱取相同質量的純化前后的錐栗殼色素,分別配成溶液,觀察它們的水溶性、色澤及穩(wěn)定性。
采用7種大孔樹脂對錐栗殼色素進行靜態(tài)吸附,其吸附和解析性能如表3所示。
表3 不同大孔樹脂的吸附和解吸性能比較Table 3 Comparison of adsorption and desorption capacity between different macroporous resins %
影響大孔樹脂吸附性能的因素較多,如樹脂的極性、樹脂的比表面積、樹脂孔徑等。通常樹脂的極性與被吸附分子的極性相同或者近似時效果較好;樹脂比表面積大時吸附效果較好;樹脂孔徑與被吸附分子大小是5倍關系時吸附性更佳[9],因此選擇樹脂要多因素綜合考慮。本研究選取了非極性、弱極性、中極性3種類型的不同比表面積及孔徑大小的樹脂進行靜態(tài)吸附試驗,由表3可知,在7種大孔樹脂中,D101吸附率最高,X-5和 XAD-7次之,DA-201、AB-8和 NKA-9吸附效果較差,吸附率均低于40%;DA-201雖解吸效果最佳,但其吸附率較低,D101的解吸效果次之,且與DA-201解析率比較接近。D101樹脂的比表面積較大,利于色素的擴散吸附與洗脫,且可能由于錐栗殼色素中主要成分的極性與D101樹脂的極性相似,因此D101樹脂對錐栗殼色素的吸附與解析效果均較好。綜合考慮,選取D101樹脂進行后續(xù)的靜態(tài)及動態(tài)的吸附和解吸試驗。
D101大孔樹脂靜態(tài)動力學吸附曲線如圖2所示。
由圖2可知,色素溶液的吸光值隨著D101樹脂吸附時間的延長呈下降趨勢。當吸附120 min后,吸光值隨時間增加變化不大,吸附曲線趨于平緩,說明此時樹脂基本達到吸附飽和平衡。
調整錐栗殼色素溶液的pH值,考察D101樹脂對色素吸附效果的影響,結果如圖3所示。
圖2 樹脂靜態(tài)動力學吸附曲線Fig.2 The curve of resin static kinetic adsorption
圖3 不同pH值下D101樹脂的吸附性能Fig.3 Adsorption capacity of D101 under different pH values
由圖3可看出,錐栗殼色素的吸附率隨著pH值升高呈先增加后降低的趨勢,當色素溶液pH值為4時,D101大孔樹脂對色素的吸附率最高,達到88.44%;當pH值低于4時,樹脂吸附率雖較高,但色素溶液顏色淺,顯色效果差,這是由于酸性的洗脫液使大孔樹脂呈一定程度的失水,從而增大樹脂孔徑,使得錐栗殼色素從樹脂孔中逃逸,且pH值過低會使大孔樹脂過度緊縮,阻礙了色素的逃逸,致使解析率降低[18];pH值較高,通常需要加酸,工業(yè)化生產中會增加對設備的腐蝕[19];當pH值超過4時,隨pH值的增加,吸附率逐漸降低,說明pH值越高,色素越不穩(wěn)定,pH值超過7后,吸附率變化趨于平緩。因此,樣液pH值選取4.0為宜。
吸附溫度對D101大孔樹脂吸附效果影響如圖4所示。
由圖4可知,在設定的溫度范圍內,隨著吸附時間的延長,D101型大孔樹脂對錐栗殼色素溶液的吸附率均呈明顯的上升趨勢。在吸附時間為100 min時,20、30、40℃對應的吸附率非常接近;隨著溫度升高,分子運動加劇導致分子與樹脂間形成的氫鍵易斷開,吸附率會下降[20],因此50、60℃最終的吸附率相較于40℃的低。因此,吸附溫度選取40℃為宜。
圖4 吸附溫度對大孔樹脂吸附效果的影響Fig.4 Influence of temperature on adsorption of macroporous resin
乙醇濃度對大孔樹脂解吸效果的影響如圖5所示。
圖5 不同乙醇濃度條件下D101大孔樹脂的解吸率Fig.5 Desorption rate of D101 resin under different ethanol concentration
由圖5可知,乙醇溶液對D101大孔樹脂有較好的解吸效果,解析率隨著乙醇濃度的增大而增大。當乙醇溶液濃度為80%時,解吸率達85.11%,繼續(xù)增加乙醇濃度,解吸率變化不大,趨于平緩。因此,從解吸效果以及節(jié)省乙醇考慮,乙醇洗脫濃度選取80%為宜。
柱徑高比對D101樹脂吸附效果的影響如圖6所示。
圖6 柱徑高比對色素吸附效果的影響Fig.6 The impact of mean-diameter blade length ratio on the adsorption effcct
由圖6所示,當柱徑高比為1∶7時,在第21管出現泄漏點,達到泄露點時間過早,色素吸附量較少;當柱徑高比為1∶10時,在第29管出現泄漏點,達到泄漏點的時間過久。在實際生產中,會導致生產周期過長和工作效率低下等問題,不利于規(guī)模生產;當柱徑高比為1∶8時,在第23管出現泄漏點;當柱徑高比為1∶9時,在第25管出現泄漏點,達到泄漏點的時間適宜。因此,柱徑高比選擇1∶9為宜。
上樣流速對D101樹脂吸附效果的影響如圖7所示。
圖7 上樣流速對色素吸附效果的影響Fig.7 The impact of sample velocity on the adsorption result
上樣流速差異,導致色素分子在D101大孔樹脂內部的擴散作用差異,因此樣液的上柱流速對吸附效果影響較大。當上樣濃度相同時,流速越快,色素分子還未擴散到樹脂內部而直接流走,容易造成泄漏現象,通常以泄漏點最遲出現的吸附流速為最佳控制流速[16]。
由圖7所示,當上樣液流速為2 mL/min時,在第21管出現泄漏點。這是由于流速快,色素分子與樹脂作用時間太短,因此樹脂無法有效吸附色素,一方面降低吸附效率,另一方面造成色素浪費;當流速為0.5 mL/min時,達到泄漏點的時間過久,延長生產周期,降低工作效率,不利于實際生產;當流速為1、1.5 mL/min時,分別在第25管、22管出現泄漏點。因此,吸附流速選擇1 mL/min為宜。
上樣濃度對D101樹脂吸附效果的影響如圖8所示。
圖8 上樣濃度對色素吸附效果的影響Fig.8 The impact of sample concentration on the adsorption effect
由圖8所示,當上樣液濃度為0.15 mg/mL和0.125 mg/mL時,分別在第16管和第19根管出現泄漏點。由于上樣液濃度過高,在短時間內,樹脂吸附已達到飽和狀態(tài),樹脂無法繼續(xù)吸附色素,造成色素流出;當濃度為0.075 mg/mL時,在第28管出現泄漏點,時間過長且色素的吸附量少;當濃度0.100 mg/mL時,在第25根管出現泄漏點。因此,選擇吸附濃度0.100 mg/mL為宜。
洗脫液流速對D101樹脂解吸效果的影響如圖9所示。
圖9 洗脫液流速對解吸效果的影響Fig.9 The impact of eluent flow rate on the desorption effect
由圖9所知,吸附飽和的大孔樹脂隨著洗脫的進行,洗出液的吸光值逐漸增加,現象觀察發(fā)現樹脂顏色由棕色逐漸變淺,流出液的顏色不斷變深,說明洗出液中的色素不斷增多;當吸光值達到頂峰時,隨即迅速下降,最終解吸液變清澈透明狀態(tài),說明洗脫完成。與吸附原理類似,流速為2.0 mL/min時,洗脫液與樹脂的作用時間過短,色素洗脫不完全,富集獲得的色素較少;流速為0.5 mL/min與1.0 mL/min的洗脫效果相似,但大規(guī)模生產時,采用1.0 mL/min的洗脫流速,生產效率和富集效果更佳。
正交試驗結果見表4。
表4 正交試驗結果分析Table 4 Orthogonal experiment result analysis
續(xù)表4 正交試驗結果分析Continue table 4 Orthogonal experiment result analysis
表5 色素吸附率方差分析Table 5 Variance analysis of pigment adsorption rate
通過極差分析可知3個因素對錐栗殼色素吸附純化效果影響的大小順序為:上樣濃度>上樣流速>柱徑高比。方差分析結果表明,C為主要影響因素,具有顯著性差異(P<0.05),A、B因素均無顯著性差異(P>0.05)。根據正交試驗結果確定錐栗殼色素的最佳動態(tài)吸附純化工藝為:A3B2C2,即柱徑高比為1∶10,上樣流速為1.5mL/min,上樣濃度為0.100mg/mL。在此工藝條件下進行驗證試驗,錐栗殼色素的吸附率達到92.88%,高于表4中正交設計各組試驗的結果,因此確定其為錐栗殼色素動態(tài)吸附純化的最佳工藝條件。
錐栗殼色素純化前后的性質對比見表6。
表6 色素純化前后性質對比Table 6 Properties contrast of pigment before and after purification
由表6可知,經D101大孔樹脂的吸附純化,錐栗殼色素的色價由31.2變?yōu)?4.3,純度提高1.38倍,說明D101樹脂對錐栗殼色素的純化效果較佳;純化后色素的水溶性較前者佳,溶液呈深紅棕色、澄清透亮、穩(wěn)定性好。與劉平等[14]得出的板栗殼色素純化前后性質類似,但本研究中粗提色素及純化色素的色價均高于相應的板栗殼色素,且錐栗殼純化色素的色價較粗提色素的增加幅度也高于板栗殼色素。
在選用的7種大孔樹脂中,以吸附率和解吸率為考察指標,發(fā)現D101的綜合效果最佳,篩選D101進行后續(xù)的靜態(tài)和動態(tài)吸附實驗。靜態(tài)吸附實驗結果表明:當錐栗殼色素溶液pH為4時,D101樹脂吸附效果最佳;吸附時間延長,溫度升高,吸附率下降,考慮生產成本,選用40℃為最佳吸附溫度;從解吸效果以及節(jié)省乙醇考慮,選取乙醇溶液濃度80%作為最佳解吸濃度,對應解吸率達85.11%。動態(tài)吸附正交試驗結果表明:上樣濃度是影響吸附效果的最主要因素,確定D101大孔樹脂對錐栗殼色素吸附純化的最佳工藝條件為:柱徑高比1∶10,上樣流速1.5 mL/min,上樣濃度0.100 mg/mL。在此工藝條件下進行驗證試驗,錐栗殼色素的吸附率達到92.88%。洗脫流速以1.0 mL/min為佳。經D101大孔樹脂純化,錐栗殼色素的色價由31.2提高至74.3,純度提高1.38倍,表明D101大孔樹脂對錐栗殼色素的純化效果較好。純化后色素的溶解性較純化前佳,溶液呈深紅棕色、澄清透亮、穩(wěn)定性好。
本試驗操作較簡單,成本較低,經濟環(huán)保且能達到較好的分離純化效果,因此D101樹脂用于錐栗殼色素的分離純化具有推廣應用的價值。后續(xù)研究可對大孔樹脂分離純化法得到的純化色素與傳統(tǒng)純化方法如醇沉法、酸沉法等得到的純化色素進行比較,測定其色價是否高于傳統(tǒng)純化方法,并進行D101型樹脂的再生性實驗。
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