大孔树脂对黑糯玉米芯色素吸附性能的研究

张 钟 汪 杰 李凤霞

(茂名学院1,茂名 525000)(安徽科技学院2,凤阳 233100)

大孔树脂对黑糯玉米芯色素吸附性能的研究

张 钟1汪 杰2李凤霞2

(茂名学院1,茂名 525000)(安徽科技学院2,凤阳 233100)

在测定黑糯玉米芯色素吸收光谱的前提下,对纯化前后的色价进行了测定,并绘制了黑糯玉米芯色素的工作曲线。在静态吸附试验中,通过比较 6种大孔树脂对黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,筛选出适合分离黑糯玉米芯色素的树脂,并对大孔树脂的解析率进行了测定。同时,对影响吸附和解吸的因素如pH和温度对吸附的影响及乙醇体积分数对解析的影响进行分析,并且对树脂的静态吸附动力学特征进行了研究。在动态吸附试验中,对上样液流速和浓度对吸附的影响及乙醇流速对解吸的影响进行分析,并对树脂的饱和吸附量及树脂的重复使用性能进行了测定。研究发现:X-5树脂对黑糯玉米芯色素不仅吸附量大而且解吸率高,适合用于黑糯玉米芯色素的分离和富集。X-5树脂分离黑糯玉米芯的工艺参数为:上样液质量浓度 1.0 g/L,pH 3.0,流速 1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min的流速进行洗脱。吸附 10 h可以完成吸附,纯化前的色价为 16.5,纯化后的色价为 40.1;X-5树脂的饱和吸附量达到 16.9651 mg/g;回收率可达到89.16%,X-5树脂重复使用性能良好。

大孔树脂 黑糯玉米芯色素 吸附性能 解吸

目前分离富集色素的方法主要有有机溶剂萃取法、超滤法和吸附分离法,有机溶剂萃取法存在溶剂残留和生产成本高的缺点,超滤法的产品质量好,但是对设备的要求高、成本大、提取率低,而吸附分离法是中草药有效成分分离的常用方法[1]。大孔树脂具有物理化学稳定性高,吸附选择性强,富集效果好,解吸条件温和,再生简便,使用周期长等特点[2]。近年来已广泛地应用于色素的分离与纯化。Dietmar等[3]使用聚合吸附树脂从葡萄渣提取液提取花青素。很多研究者用NKA-Ⅱ等大孔吸附树脂对紫菜薹、鹿心雪茶、葡萄籽原花青素、黑果枸杞、萝卜红、红豆皮、火龙果等色素进行分离纯化,取得了较好的效果[4-12]。

有关黑糯玉米芯色素的分离和富集已经有过报道[13],但是利用大孔树脂对该色素进行纯化尚且未见报道。选用 6种大孔树脂,通过比较其对黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,筛选出适合分离富集该色素的树脂,并对分离工艺条件进行探讨,希望能够对黑糯玉米芯色素的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑糯玉米芯:由安徽省濉溪县农科所提供;H103、X-5、AB-8、NKA- Ⅱ、S-8、ADS-8大孔吸附树脂:天津南开和成科技有限公司。

仪器:HH-6型数显恒温水浴锅:国化电器有限公司;JSFL-100-II粉碎机:上海嘉定粮油仪器有限公司。

1.2 大孔树脂的预处理

大孔树脂用 95%乙醇充分浸泡 24 h,接着用95%乙醇以 2 BV/h的流速 (1 BV为一个树脂床体积)通过树脂层,洗至流出液加蒸馏水不呈白色浑浊为止,再用蒸馏水以同样的流速洗净乙醇。然后用酸碱处理,即用 2 BV的 5%HCl溶液以 2 BV/h的速度通过树脂层,并浸泡 3 h,而后用蒸馏水以同样的流速洗至 pH为中性,接着用 2 BV的 2%NaOH溶液以 5 BV/h的流速通过树脂层,并浸泡 3 h,而后用蒸馏水以同样的流速洗至中性。以除去痕量的防腐剂和残留的单体化合物。

1.3 试验方法

1.3.1 黑糯玉米芯色素的提取方法工艺流程[13]

黑糯玉米→去皮,去须,去籽粒,留芯→烘干称重→捣碎→微波浸提→过滤→滤液→减压浓缩→真空干燥→色素

1.3.2 黑糯玉米芯色素色价的测定及工作曲线的绘制

色价 =A×r/w

式中:A为吸光度;r为稀释倍数;w为样品质。粗提色素色价 =A×r/w=0.165×100/1.0=16.5

准确称取该色素两份,每份 0.5 g,分别用柠檬酸 -磷酸氢二钠缓冲液 (pH 3.0)和 95%乙醇溶液稀释到不同浓度,根据比尔定律绘制色素在两种溶液中的工作曲线[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(缓冲液)

1.3.3 大孔树脂吸附特性的比较

1.3.3.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔树脂上的吸附准确称取经过处理的大孔树脂 (去表面水,下同)若干份,每份 0.5 g,加入到 100 mL的具塞锥形瓶中,再各加入 50 mL用柠檬酸 -磷酸氢二钠缓冲液 (pH 3.0)配制的色素溶液,放在恒温振荡器上振荡 (30℃,150 r/min)直至吸附饱和 (当流出液的吸光度与上样液的吸光度基本接近时,可以认为树脂对色素的吸附已达到饱和)[11]。吸附率及吸附量的计算如下:

吸附率 =[(Ao-A′)/Ao]×100%

式中:Ao为吸附前色素的吸光度;A′为吸附后色素的吸光度;

吸附量 =[(C0-C′)/m]×V

式中:C0为吸附前溶液的质量浓度 /mg/L;C′为吸附后溶液的质量浓度/mg/L;m为湿树脂的质量/g;V为吸附液体积 /L。

1.3.3.2 大孔树脂解吸率的测定

取吸附饱和的大孔树脂 (使用测定吸附率的大孔树脂),加入50 mL 95%乙醇,置 30℃和 150 r/min恒温振荡器中振荡 24 h,过滤,测定滤液中色素的吸光度,并按下式计算室温下的解吸率[14]。

解吸率 =(解吸液质量浓度 ×解吸液体积)/(树脂质量 ×吸附量)×100%

1.3.3.3 pH对吸附的影响

准确称取经处理的 X-5树脂若干份,每份0.5 g分别加入 50 mL pH分别为 2.2、2.5、3.0、3.5、4.0的柠檬酸 -磷酸氢二钠缓冲液,得到不同 pH的色素溶液,30℃150 r/min振荡 60 min,静置后测定色素在最大吸光波长处的吸光度,计算吸附率[7]。

1.3.3.4 温度对吸附的影响

分别称取 X-5树脂若干份,每份 0.5 g,各加入用缓冲液配制的色素溶液 50 mL,在不同的温度 (30、40、50℃)下恒温振荡 (150 r/min)吸附,每隔一定的时间测色素溶液在最大吸收波长处的吸光度,作吸附率随时间的变化曲线[9]。

1.3.3.5 乙醇体积分数对解吸的影响

分别称取 0.5 g经吸附饱和的色素湿树脂,加入50 mL体积分数分别为 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%、100%的乙醇水溶液,在水浴振荡器上振荡 (30℃,150 r/min)30 min,使色素从树脂上解吸,将解吸液稀释到乙醇体积分数为 20%,测定吸光度,再折合成相同体积的吸光度[9]。

1.3.3.6 大孔树脂的静态吸附动力学特征

准确称取预处理后的 X-5湿树脂 1.0 g,置于250 mL的具塞锥形瓶中,各加入色素提取液 (1%)100 mL,置 30℃恒温振荡器中,150 r/min进行振荡,每隔一定时间移取 0.1 mL上清液,用 95%乙醇定容至 10 mL,测定吸光度,绘制静态动力学曲线[14]。

1.3.3.7 上样液流速对吸附的影响

将用 pH 3.0的柠檬酸 -磷酸氢二钠缓冲液配置的色素溶液 200 mL(0.001 kg/L),自上而下通过X-5 树脂 ,控制一定流 速 (分别为 1、4、10、15 mL/min),分段收集流出液,于 530 nm处测定其吸光度[7]。

1.3.3.8 上样液质量浓度对吸附的影响

通过筛选将 X-5树脂作为黑糯玉米芯色素的吸附剂。将质量浓度分别为 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L的上样液在动态的条件下以 1 mL/min的流速通过树脂柱并于 530 nm处测定其吸光度[7]。

1.3.3.9 乙醇流速对解吸的影响

将 pH 3.0的缓冲液配制的色素溶液流经 X-5树脂直至达到饱和,然后用 95%乙醇洗脱,测定在不同洗脱流速下分段收集到的流出液的吸光度[7]。

1.3.3.10 树脂的饱和吸附量的测定

用缓冲液配制的色素溶液,以 1 mL/min的流速通过树脂柱,动态检测流出液的吸光度,当流出液的吸光度与上样液的吸光度基本相同时可以认为已经达到饱和状态,然后用蒸馏水冲洗树脂柱,再用 95%乙醇洗脱,收集洗脱液至无色为止,将洗脱液减压浓缩、干燥得到粉末状固体,计算树脂的饱和吸附量[7]。

饱和吸附量 =色素质量 /湿树脂质量

1.3.3.11 树脂的重复使用性能

黑糯玉米芯色素在 X-5树脂柱上进行吸附;先以去离子水洗涤,然后用乙醇解吸,最后用去离子水洗至无醇味,进行再生,如此 10次后计算吸附率[14]。

1.3.3.12 回收率的计算

预处理好的 X-5树脂装入直径 1 cm、长 30 cm的树脂柱中,使 X-5树脂高度为 15 cm进行动态吸附,将用 pH 3.0的缓冲液配制的质量浓度为1.0 g/L的色素溶液 200 mL,以 1.0 mL/min的流速通过树脂柱,直至吸附饱和;再用 95%乙醇洗脱,流速为 1.0 mL/min直至洗脱液接近无色。将洗脱液干燥至恒重,计算回收率。

回收率 =(实际回收色素质量/理论回收色素质量)×100%

1.5 试验结果统计分析方法

采用 SAS6.12软件进行结果分析。

2 结果与分析

2.1 大孔树脂吸附特性的比较——静态吸附试验

2.1.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔树脂上的吸附及解吸率试验

由图 1可知上述 6种树脂中以 ADS-8、S-8、X-5的吸附率较高,AB-8、NKA-Ⅱ、H103次之,又由于生产上不仅要求树脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保证有效成分更多的得到回收。在上述 6种树脂中 X-5、AB-8的解吸率较高,而其余的 4种次之。综合考虑选择 X-5型大孔树脂较好。

图 1 色素在不同大孔树脂上的吸附及解吸率

2.1.2 pH对吸附的影响

图 2是 X-5树脂在 pH分别为 2.2、2.6、3.0、3.6、4.0条件下对黑糯玉米芯色素的吸附率图。当pH 3.0时 X-5树脂对黑糯玉米芯色素的吸附率最高,选用 pH 3.0作为吸附条件。

图 2 pH对吸附的影响

2.1.3 温度对吸附的影响

由图 3可知在相同的吸附时间下,温度越高,树脂对色素的吸附率越高,在合适的温度下可以提高树脂对色素的吸附速率。但是温度对吸附的影响并不十分明显。

图 3 温度对吸附的影响

2.1.4 乙醇体积分数对解吸的影响

由图 4可知乙醇的体积分数对解吸是有一定的影响,一般情况下乙醇体积分数越高对色素的解吸越好。本试验中使用体积分数为 100%的乙醇解吸率最高。但是95%和100%的乙醇对色素的解吸效果相差并不显著,在试验中采用 95%的乙醇作为洗脱液。

图 4 乙醇体积分数对解吸的影响

2.1.5 静态吸附动力学特征曲线

图 5为 X-5树脂的静态吸附特征曲线,由图 5可知当吸附时间达到 10 h以上时,色素的浓度就变得很低了,色素基本被吸附。

图 5 X-5静态吸附动力学特征曲线

2.2 大孔树脂吸附特性的比较——动态试验

2.2.1 上样液流速对吸附的影响

由图 6可知,随着上样液流速的增大,从树脂柱中泄漏出的液体的吸光度也在增大,树脂对色素的吸附量在减小。这是由于色素液流速过大时,色素来不及与树脂充分接触就随着上样液一起泄漏。试验中流速为 1 mL/min吸附量最大,泄漏量最小;流速为 15 mL/min时吸附量最小,泄漏量最大。因此,上样液最佳流速为 1 mL/min。

图 6 上样液流速对吸附的影响

2.2.2 上样液质量浓度对吸附的影响

由图 7可以看出,上样液的质量浓度过大和过小都不利于吸附,这主要是由于上样液质量浓度过大时,树脂在达到吸附饱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。上样液质量浓度过低时,树脂虽不能吸附饱和,但是由于上样液的流动仍然有一定量的色素随上样液而泄露,降低了树脂的使用效率。另外,质量浓度过高时容易发生絮凝和沉淀。本试验得出上样液最佳质量浓度为1.0 g/L至 1.5 g/L时吸附率较高,综合考虑选取上样液质量浓度为 1.0 g/L为宜。

图 7 上样液质量浓度对吸附的影响

2.2.3 乙醇流速对解吸的影响

用不同流速的洗脱液进行洗脱,其结果见图 8所示。随着稀释液流速的增大,解吸效果逐渐下降,本试验中以 1mL/min的洗脱流速效果最佳。在实际生产中,应根据吸附柱的大小、色素的吸附量等因素综合考虑,优化洗脱液的流速,以求达到最佳工艺效果。

图 8 乙醇流速对解吸的影响

2.2.4 树脂的饱和吸附量测定

经计算树脂的饱和吸附量为 16.9651 mg/g。

2.2.5 纯化后色素的色价

纯化后的色素色价为 40.1。

2.2.6 大孔树脂的重复使用性能

由图 9可知 X-5树脂在反复 10次的使用过程中,对黑糯玉米芯色素的吸附率不会发生明显的下降,其重复使用性能良好。再生过程也不复杂。

图 9 大孔树脂的重复使用性能

2.2.7 回收率的计算

经计算回收率为 89.16%。

3 讨论

生产上不仅要求树脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保证有效成分更多的得到回收。当吸附时间相同时,温度越高,吸附越快,在实际生产中适当升高温度可缩短达到饱和的时间,提高效率[11],因此,温度要适当。上样液的 pH值是影响色素稳定性的重要因素,色素在吸附时首先性质要保持稳定,另外,不同大孔树脂在吸附时所要求的最适 pH值也有所区别,DM-130吸附银杏叶黄酮最适为 pH值5.02[11],AB-8吸附紫甘薯色素最适 pH值为2.5[9],X-5吸附黑果枸杞色素最适 pH值为 3.0[7]。

大孔吸附树脂一般存在树脂中毒的现象,在重复使用多次以后,其吸附能力都会明显减弱,引起中毒的原因有蛋白质中毒、多糖中毒等[9]。本试验中使用 X-5树脂循环使用 10次后总体吸附能力无明显的下降,可能是由于本试验采用酸性乙醇提取黑糯玉米芯色素,所含杂质少的原因。

4 结论

通过比较 6种大孔树脂对黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,筛选出适合分离黑糯玉米芯色素的树脂。结果表明,X-5树脂对黑糯玉米芯色素不仅吸附量大而且解吸率高,适合黑糯玉米芯色素的分离和富集。X-5树脂分离黑糯玉米芯的工艺参数为:上样液质量浓度为 1.0 g/L,pH 3.0,流速为1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min流速进行洗脱,可将黑糯玉米芯色素从树脂柱上解吸下来。经大孔树脂处理色素的色价提高了 143%,回收率达到89.16%,经计算树脂的饱和吸附量为 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

安徽省教育厅项目(2006KJ200B),广东省高等学校人才引进项目(201192)

2009-02-12

张钟,男,1962年出生,教授,农产品贮藏与加工