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        大孔吸附樹脂純化杏仁皮單寧工藝的研究

        2020-06-15 05:34:30杜凱馬養(yǎng)民郭林新雷瑞
        應(yīng)用化工 2020年5期
        關(guān)鍵詞:吸附平衡單寧杏仁

        杜凱,馬養(yǎng)民,2,郭林新,雷瑞

        (1.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710021;2.陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

        杏仁為薔薇科植物山杏Armeniacasibirica(L.) Lam.的種子,主要含有糖類、蛋白質(zhì)、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)成分[1]。杏仁產(chǎn)品已在食品、化妝品、潤(rùn)滑劑等行業(yè)大量生產(chǎn)。然而,杏仁皮作為杏仁加工過程中的副產(chǎn)品,通常被當(dāng)作固體廢物而丟棄。這不僅導(dǎo)致資源嚴(yán)重浪費(fèi)而且對(duì)環(huán)境造成一定的污染。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于杏仁皮的研究主要集中在油脂[2]、酚類[3]、維生素E[4]等方面,而關(guān)于杏仁皮單寧的研究報(bào)道較少。單寧是一類分子量為500~3 000 的多元酚類次生代謝產(chǎn)物。可以與多糖、蛋白質(zhì)、生物堿生成沉淀[5],且具有抗炎、抗癌、抗哮喘等藥理活性[6]。已被廣泛應(yīng)用于皮革、膠黏劑、飲料制造、動(dòng)物飼料等行業(yè)[7],其市場(chǎng)需求量逐年增加。

        常見的單寧純化方法有:大孔吸附樹脂法、膜分離法、萃取分離法、色譜法等。其中大孔吸附樹脂法有成本低、耗能小、綠色、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。大孔吸附樹脂根據(jù)其不同的型號(hào)規(guī)格,對(duì)欲分離物質(zhì)有不同的吸附解吸性能。所以本文選取不同型號(hào)的大孔吸附樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附及解吸的對(duì)比效果研究,找到適合純化杏仁皮單寧的大孔吸附樹脂,并考察上樣濃度、上樣流速、上樣量對(duì)吸附性能的影響,乙醇濃度、洗脫流速、洗脫液用量對(duì)解吸性能的影響。從而建立一條綠色、環(huán)保、高效、操作簡(jiǎn)便的杏仁皮單寧純化工藝路線,為杏仁皮單寧的后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與儀器

        杏仁皮,由陜西天壽杏仁食品有限公司提供;X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂均為優(yōu)級(jí)純;乙醇、醋酸鋅、氨水、鉻黑T、氯化銨、乙二胺四乙酸二鈉均為分析純。

        HF200型酶標(biāo)儀;R502B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器;DK-98Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋;SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵;HZQQ空氣恒溫振蕩器;BS2202S電子秤;BS224S型分析天平。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 杏仁皮單寧粗品的制備 取干燥的杏仁皮粗粉于提取瓶中,加入50%的乙醇溶液(料液比為1∶22 g/mL),在70 ℃下回流提取90 min,過濾,重復(fù)提取3次,合并濾液,將其真空濃縮后備用(單寧粗品純度為9.97%)。

        1.2.2 單寧含量的測(cè)定 采用絡(luò)合法測(cè)定單寧含量[8]。將樣品加水約至60 mL于35 ℃水浴溫?zé)?5 min。精密移取4.00 mL 1.000 mol/L醋酸鋅溶液于100 mL容量瓶中,加入2.80 mL氨水,搖勻使白色沉淀溶解,緩慢加入已預(yù)熱的待測(cè)濃縮液,邊加邊搖,加完后繼續(xù)振搖1 min,置原水浴保溫30 min,間歇振搖數(shù)次,待反應(yīng)完畢,冷卻至室溫,定容,混勻后過濾,精密移取濾液10.00 mL于錐形瓶中,并加入150 mL水、12.5 mL pH=10的NH3-NH4Cl緩沖溶液和3滴鉻黑T指示劑。以0.026 31 mol/L EDTA·2Na滴定至溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色。單寧含量按下式計(jì)算:

        單寧含量=

        其中,0.155 6指每毫升1 mol/L的醋酸鋅溶液平均消耗單寧0.155 6 g;VZn為移取鋅離子體積量,mL;CZn為鋅離子物質(zhì)的量濃度,mol/L;VEDTA為EDTA消耗體積,mL;CEDTA為EDTA濃度,mol/L;W為樣品的質(zhì)量,g。

        1.2.3 大孔吸附樹脂的預(yù)處理[9]稱取適量X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂,加入95%乙醇浸泡過夜,充分溶脹后,過濾,以大量蒸餾水沖洗至溶液無明顯的白色渾濁且無醇味,加入5%HCl溶液浸泡8 h,過濾,用蒸餾水沖洗至溶液為中性,加入5%NaOH溶液浸泡8 h后用蒸餾水沖洗至溶液為中性,過濾,用蒸餾水浸泡保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.4 大孔吸附樹脂的篩選[9-10]分別稱取1.0 g預(yù)處理好的5種大孔吸附樹脂于100 mL錐形瓶中,移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中,置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)24 h吸附平衡后,測(cè)定溶液?jiǎn)螌幒辛?。過濾吸附液,用蒸餾水洗滌樹脂2次,加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸24 h,測(cè)定解吸液?jiǎn)螌幒辛?。分別按式(1)~(3)計(jì)算吸附量、吸附率和解吸率。

        (1)

        (2)

        (3)

        式中Co——吸附前溶液的單寧含有量,g;

        Ce——吸附平衡后溶液的單寧含有量,g;

        Cd——解吸液的單寧含有量,g;

        m——大孔吸附樹脂的質(zhì)量,g。

        1.2.5 吸附與解吸動(dòng)力學(xué) 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中,移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中,置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)吸附12 h,平行24份,每隔1 h取1份測(cè)定溶液?jiǎn)螌幒辛?,過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次,加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸12 h,每隔1 h取1份測(cè)定解吸液?jiǎn)螌幒辛?。繪制大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附與解吸動(dòng)力學(xué)曲線。

        1.2.6 上樣濃度對(duì)吸附的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中,移取20 mL不同單寧濃度(0.41,0.83,1.20,1.59,2.01 mg/mL)樣液加入其中,置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h,測(cè)定溶液?jiǎn)螌幒辛俊?/p>

        1.2.7 乙醇濃度對(duì)解吸的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中,移取20 mL 1.20 mg/mL單寧溶液加入其中,置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h,過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次,加入30 mL不同乙醇濃度(40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%)解吸液振蕩解吸3 h,測(cè)定解吸液?jiǎn)螌幒辛俊?/p>

        1.2.8 上樣流速對(duì)吸附的影響 稱取HP-20型樹脂10.0 g,濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm),取3 BV 1.20 mg/mL單寧溶液分別以不同流速(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 BV/h)上樣,收集流出液測(cè)定單寧含有量。

        1.2.9 洗脫流速對(duì)洗脫的影響 按1.2.8節(jié)下吸附平衡后,取2 BV蒸餾水沖洗柱子,加入3 BV 70%乙醇溶液以不同流速(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 BV/h)洗脫柱子,收集流出液測(cè)定單寧含有量。

        1.2.10 泄露曲線及洗脫曲線的繪制 稱取HP-20型樹脂10.0 g,濕法裝入層析柱(1 cm×40 cm),加入5 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速流過玻璃柱。每流出0.5 BV收集溶液并測(cè)定單寧濃度。當(dāng)洗脫溶液的單寧濃度是初始單寧濃度的1/10時(shí),說明樹脂已經(jīng)達(dá)到吸附平衡[11-12]。平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子,用70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h洗脫。每流出0.5 BV收集洗脫液并測(cè)定單寧濃度。當(dāng)洗脫液?jiǎn)螌帩舛然静蛔儠r(shí),說明洗脫完畢。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 大孔吸附樹脂的篩選

        為了篩選出適合杏仁皮單寧純化的大孔吸附樹脂,選擇了5種型號(hào)的大孔吸附樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附及解吸實(shí)驗(yàn)。通常大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率越高,證明其吸附和解吸效果越好,越適合用于分離物質(zhì)的純化。

        表1 5種大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附及解吸結(jié)果Table 1 Results of static adsorption and desorption offive macroporous resins

        由表1可知,S-8型大孔吸附樹脂的吸附效果最好,吸附量達(dá)14.09 mg/g,吸附率達(dá)84.9%。其次是HP-20型大孔吸附樹脂,吸附量為13.88 mg/g,吸附率為83.6%。但S-8型大孔吸附樹脂的解吸率較差,只有60.8%;HP-20型大孔吸附樹脂解吸率最好,達(dá)到90.7%。綜合考慮,選擇HP-20型大孔吸附樹脂用于后續(xù)的杏仁皮單寧純化實(shí)驗(yàn)。

        2.2 靜態(tài)吸附及解吸動(dòng)力學(xué)

        吸附速度是大孔吸附樹脂吸附性能的一個(gè)重要參考指標(biāo)[13]。

        圖1 HP-20型樹脂靜態(tài)吸附及解吸曲線Fig.1 Static adsorption and desorptioncurves of HP-20 resins

        由圖1可知,HP-20型樹脂在1 h之內(nèi)吸附量迅速增加,之后緩慢增加。經(jīng)過4 h的吸附,吸附量趨于穩(wěn)定,吸附達(dá)到平衡,所以最佳靜態(tài)吸附時(shí)間為 4 h。HP-20型樹脂在1 h之內(nèi)解吸率急劇增加,3 h后解吸基本達(dá)到平衡,解吸率達(dá)到90.2%。因此,最佳靜態(tài)解吸時(shí)間為3 h。

        2.3 上樣濃度對(duì)吸附的影響

        由圖2可知,單寧濃度對(duì)大孔吸附樹脂吸附性能影響較大。隨著單寧濃度的增加,吸附率先上升后下降。在杏仁皮單寧濃度為0.41 mg/mL時(shí),吸附率僅為73.6%;當(dāng)單寧濃度為1.20 mg/mL時(shí),吸附率達(dá)到92.7%;當(dāng)單寧濃度>1.20 mg/mL后,吸附率迅速下降。這是因?yàn)楫?dāng)上樣液的單寧濃度增加時(shí),單寧分子增多,這有助于單寧分子擴(kuò)散到樹脂中,達(dá)到吸附率上升的效果;但當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí),超過了樹脂吸附能力,從而使得吸附率降低。所以,上樣液?jiǎn)螌帩舛冗x擇1.20 mg/mL為宜。

        圖2 單寧濃度對(duì)HP-20型樹脂吸附率的影響Fig.2 Effect of tannins concentration onadsorption ratio of HP-20 resins

        2.4 乙醇濃度對(duì)解吸的影響

        由圖3可知,當(dāng)洗脫液的乙醇濃度為40%~70%時(shí),解吸率隨乙醇濃度的增大而升高;乙醇濃度為70%時(shí),解吸率達(dá)到最高,為91.3%;乙醇濃度>70%時(shí),解吸率有降低趨勢(shì)。綜合考慮,選擇70%乙醇溶液作為洗脫液。

        圖3 乙醇濃度對(duì)HP-20型樹脂解吸率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on desorptionratio of HP-20 resins

        2.5 流速對(duì)吸附及解吸的影響

        由圖4可知,上樣流速越快,吸附率越低。當(dāng)上樣流速為0.5~1.0 BV/h時(shí),吸附率均較高;當(dāng)上樣流速>1.0 BV/h時(shí),吸附率急劇下降。因此,選擇 1 BV/h作為上樣流速。當(dāng)洗脫液流速<1.5 BV/h時(shí),解吸率均在90%以上,且變化不大;當(dāng)洗脫液流速>1.5 BV/h時(shí),解吸率迅速下降。綜合考慮,選擇1.5 BV/h作為洗脫液流速。

        圖4 流速對(duì)HP-20型樹脂吸附及解吸率的影響Fig.4 Adsorption and desorption ratios ofHP-20 resin at different flow rates

        2.6 泄露及洗脫曲線的繪制

        由圖5可知,在泄露曲線中,當(dāng)上樣量為4 BV時(shí),流出液的單寧濃度為0.12 mg/mL,是上樣濃度的1/10,表明此時(shí)達(dá)到了動(dòng)態(tài)吸附平衡。從洗脫曲線中可知,單寧主要集中在0~2 BV的流出液,3 BV洗脫液就可以將樹脂洗脫完畢。因此,上樣量確定為4 BV,洗脫液用量確定為3 BV。

        圖5 HP-20型樹脂泄露及洗脫曲線Fig.5 Leakage and elution curves of HP-20 resin

        2.7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

        稱取HP-20型樹脂10.0 g,濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm),加入4 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速進(jìn)行吸附。吸附平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子,用3 BV 70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h 進(jìn)行洗脫。收集洗脫液,濃縮干燥,測(cè)定單寧含量。重復(fù)3次,取平均值,結(jié)果見表2。

        表2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=3)Table 2 Results of verification tests

        由表2可知,杏仁皮單寧純度從純化前的9.97%提高到了32.58%,表明該工藝純化效果良好。

        3 結(jié)論

        本研究比較了5種大孔吸附樹脂對(duì)杏仁皮單寧的吸附解吸性能,考察了上樣濃度、上樣流速、上樣量、乙醇濃度、洗脫液用量、洗脫流速等因素對(duì)純化效果的影響。結(jié)果顯示HP-20型樹脂分離純化效果最好,且最佳上樣液?jiǎn)螌帩舛葹?.20 mg/mL、上樣流速為1 BV/h、上樣量為4 BV、洗脫液為70%乙醇溶液、洗脫液用量為3 BV、洗脫流速為1.5 BV/h。在此條件下,杏仁皮單寧純度由9.97%提高到32.58%。本研究首次從杏仁皮分離純化得到單寧,純化工藝穩(wěn)定可靠,為后續(xù)有效利用杏仁皮單寧提供理論基礎(chǔ)。

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