应用粉末活性炭纯化阿魏酸粗提液的研究

张志清，姚艳艳，杨雪飞，杨 雪，白 冰，顾 蓉

(四川农业大学食品学院，四川雅安625014)

应用粉末活性炭纯化阿魏酸粗提液的研究

张志清，姚艳艳，杨雪飞，杨 雪，白 冰，顾 蓉

(四川农业大学食品学院，四川雅安625014)

探讨了应用粉末活性炭的吸附能力纯化麦麸中阿魏酸粗提液。结果表明，粉末活性炭对阿魏酸具有一定的吸附能力，在浓度小于1.6mg/mL时具有较高的吸附率;pH在2.0～8.0范围内，粉末活性炭对阿魏酸的吸附不受pH的影响;随着温度的升高，粉末活性炭的吸附率逐渐增大;而吸附时间对粉末活性炭的吸附影响较小。乙醇、乙酸乙酯、盐酸只能将活性炭所吸附的少部分阿魏酸洗脱出来，而60℃、2.0%的NaOH溶液能洗脱出大部分被吸附的阿魏酸。TLC结果表明，粉末活性炭对麦麸中阿魏酸粗提液有一定的纯化作用。

粉末活性炭，麦麸，阿魏酸，纯化

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

反式阿魏酸标准品 纯度＞99%，德国SIGMAALDRICH公司;薄层层析硅胶 化学纯，青岛海浪硅胶干燥剂厂;盐酸、氢氧化钠、乙醇、乙酸乙酯等分析纯试剂、粉末活性炭 成都科龙化工试剂厂;甲醇色谱纯，德国CNW Technologies GmbH公司;阿魏酸粗提液 由课题组利用超声波辅助碱醇提取麦麸中阿魏酸的方法自制［8，10］。

LC-10A高效液相色谱仪 7725i型手动进样器，日本岛津公司;N2000工作站 浙江大学智达信息工程有限公司;CP225D型电子天平、BP-20型pH计 德国Sartorius公司;Milli-Q型纯水仪 美国Millipore公司;MICROMAX型离心机 美国Thermo公司;RE-2000型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;DHG-9031型电热恒温干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;HS6150D型超声波清洗机 恒奥科技有限公司;DBS-100型部分收集器 上海青浦沪西仪器厂;WFH-203三用紫外分析仪 上海精科实业有限公司。

1.2 吸附纯化工艺流程

阿魏酸粗提液→调节pH→活性炭混合→振荡吸附→置层析柱→洗脱剂洗脱→洗脱液定容→HPLC检测

1.3 单因素实验

以阿魏酸吸附率或洗脱率为考察目标，对吸附浓度、吸附pH、吸附温度、吸附时间、洗脱剂等影响因素采用单因素实验进行考察，水平设置参考文献［15-17］。每个因素水平平行3次。吸附率和洗脱率的计算公式如下。

1.3.1 吸附浓度对阿魏酸吸附率的影响 取0.2g粉末活性炭分别加入10mL不同浓度(0.2、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mg/mL)的阿魏酸粗提液中，50℃搅拌吸附30min，趁热抽滤，用10mL超纯水洗活性炭，合并滤液定容，稀释25倍，采用高效液相色谱法进行检测，进而求出吸附率。

1.3.2 吸附pH对阿魏酸吸附率的影响 阿魏酸粗提液的pH设置为2、3、4、5、6、7、8，各取10mL与0.2g粉末活性炭混合，于50℃下搅拌30min，过滤，用10mL超纯水洗活性炭，合并滤液浓缩定容，按上述1.3.1稀释后检测，进而计算其吸附率。

1.3.3 吸附温度对阿魏酸吸附率的影响 取10mL阿魏酸粗提液与0.2g粉末活性炭混合于三角瓶中，分别在20、30、40、50℃下搅拌30min，趁热过滤，用10mL超纯水洗活性炭，合并滤液浓缩定容，按上述1.3.1稀释后检测，进而计算其吸附率。

1.3.4 吸附时间对阿魏酸吸附率的影响 取10mL阿魏酸粗提液与0.2g粉末活性炭混合于三角瓶中在50℃下搅拌15、30、45、60、75min，趁热过滤，用10mL超纯水洗活性炭，合并滤液定容，按上述1.3.1稀释后检测，进而计算其吸附率。

1.3.5 洗脱剂及浓度对阿魏酸洗脱率的影响 取10mL阿魏酸粗提液与0.2g粉末活性炭混合于三角瓶中，在50℃下搅拌30min，趁热过滤，用10mL乙醇洗活性炭后分别用无水乙醇50mL、49mL无水乙醇+1mL浓盐酸、乙酸乙酯(50、100mL)、60℃的NaOH 100mL(0.5%、1%、1.5%、2.0%)等不同洗脱剂进行洗脱，将洗脱液定容，按上述1.3.1稀释后检测，进而计算其洗脱率。

1.4 正交实验设计

在单因素实验的基础上，确定了最佳阿魏酸吸附浓度、吸附温度、洗脱剂(不同浓度的60℃NaOH溶液)三个对实验影响因素较大的因素。采用L9(34)正交设计表进行正交实验，以回收率为指标，每组实验3次，确定其影响条件(表1)。实验结果采用Deign Expert7.0进行方差分析。

表1 正交设计的因素编码表

1.5 纯度鉴定

利用粉末活性炭吸附技术纯化阿魏酸粗提液后，需要对其纯度进行鉴定。本实验对阿魏酸的纯度鉴定采用TLC法和HPLC相结合的方法。对洗脱液进行真空浓缩回收乙醇后，用薄层层析法检验其纯度。分别用标准品、样液、浓缩液在同一硅胶板上点样，使用展开剂展开、晾干，在254nm紫外分析仪下观察。展开剂种类及配比如表2所示。

将经活性炭纯化的阿魏酸纯化液先真空浓缩，称取总固形物的质量。然后取适量的乙醇溶解该固形物，用HPLC检测阿魏酸的含量，从而得阿魏酸的纯化率。计算公式如下：

表2 薄层色谱因素水平

2 结果与分析

2.1 单因素实验考察结果

影响阿魏酸粗提液纯化率的因素很多，在本研究前期工作基础上基本明确了阿魏酸浓度、吸附pH、吸附温度、吸附时间、洗脱剂浓度等5个因素影响较为显著。因此，在进行正交实验前，通过单因素实验对这五个主要的因素进行分析，确定实验因素与水平，结果见图1～图4及表3。

2.1.1 阿魏酸浓度对吸附率的影响 由图1可见，吸附率在阿魏酸浓度为1mg/mL时达到最大。在阿魏酸浓度为1mg/mL之前，随着浓度升高，吸附量不断增加;超过1mg/mL时，随着浓度升高，吸附量整体呈下降趋势，因此本实验确定最佳浓度为1mg/mL。

由于麦麸中有大量杂质的干扰，浓度对吸附量的影响很大，但还是有一定的吸附作用。若要使其完全吸附，可以增加粉末活性炭的量。实验中采用0.2g粉末活性炭定量分析。

2.1.2 吸附pH对吸附率的影响 阿魏酸是弱酸，能在高pH下溶解，在低pH下沉淀或结晶。为了探讨阿魏酸最佳的吸附pH条件，实验采用不同pH条件(2、3、4、5、6、7、8)。结果如图2所示，随着溶液pH的升高，吸附率呈“V”字型变化。pH=6时吸附率最低，仅仅在40%左右，虽然在碱性条件下pH=8时，吸附率有增加，但考虑在碱性条件下，阿魏酸虽然溶解度增加，但样品稳定性降低，不利于正交实验的进行，因此将正交实验中的吸附pH设置为4。

图1 阿魏酸浓度对吸附率的影响

图2 pH对吸附率的影响

2.1.3 吸附温度对吸附率的影响 由图3可知，不同的吸附温度对吸附率的影响成线性关系。由于实验条件限制，本实验研究20、30、40、50℃对阿魏酸吸附的影响。随着温度的升高，阿魏酸的吸附率逐渐增加。由于过高的吸附温度要提高实验成本以及会使阿魏酸降解严重，因此本实验确定最佳吸附温度为40℃。

图3 吸附温度对吸附率的影响

2.1.4 吸附时间对吸附率的影响 实验考察了吸附时间(15、30、45、60、75min)对阿魏酸吸附率的影响，结果如图4所示。随着吸附时间的变化，吸附率始终在70.5%与72.8%之间波动，说明吸附时间对阿魏酸吸附率的影响不大。

图4 吸附时间对吸附率的影响

2.1.5 洗脱剂浓度对洗脱率的影响 阿魏酸易溶于乙酸乙酯、乙醇等有机溶剂。COUTEAU等［13］研究发现乙醇能将阿魏酸全部从颗粒活性炭上洗脱下来。但本研究发现，乙醇和乙酸乙酯只能将少量的阿魏酸从粉末活性炭上洗脱下来，即使将乙醇酸化也达不到理想效果(见表3)。碱液是活性炭的再生剂，而且对阿魏酸有较高的溶解度，因此选用NaOH溶液作为洗脱剂。结果表明，随着NaOH浓度的增加，洗脱率也增加，当NaOH浓度达到2%时，洗脱率最大，达到82.73%，所以确定最佳的洗脱剂为60℃ 2% NaOH。

表3 洗脱剂对洗脱率的影响

2.2 正交实验优化最佳吸附和洗脱条件

为了进一步优化纯化工艺，根据单因素实验结果选取对阿魏酸纯化影响较大的3个因素：阿魏酸浓度(A)，吸附温度(B)，洗脱剂浓度(C)。根据正交实验原理，采用4因素3水平L9(34)的正交表进行实验设计，最后一列作为缺省项，每个处理3次重复，并以回收率作为评价指标，结果见表4。

表4 正交实验设计表及结果

根据表4的正交实验结果，对数据进行综合分析。由实验结果的极差值R可以看出本实验吸附温度(B)的影响效应最大，各因素对阿魏酸提取量的影响显著程度大小为B＞A＞C。由正交实验表可看出A1B2C1为最优组合。但表4也显示出，因素组合为A3B2C1时阿魏酸的回收率最大，为88.48%。采用Design expert软件对实验数据进行方差分析表明(见表5)。

表5 方差分析表

各项变异来源的F值均不显著，这是由于实验误差的自由度太小，达到显著的临界F值也过大所致。为了更好的表现因素的显著性，故做如下处理，将F值小于1的变异项的平方和和自由度与误差项的平方和和自由度合并，作为实验误差平方和的估计值，结果如表6所示。

表6 活性炭吸附方差分析表(去掉F＜1因子后)

由表6可知，B因素达到显著水平，其余两因素对实验结果影响不显著。结合单因素实验(图3)结果，随着吸附温度的上升，吸附量有所增加，因此，本实验在综合分析正交实验结果(表4)A3B2C1最大回收率，以及表6的方差结果基础上，最终确定粉末活性炭纯化阿魏酸粗提液的最优组合为A3B3C1，即阿魏酸浓度1.5mg/mL，吸附温度50℃，洗脱剂为60℃2%NaOH。在该最佳条件下进行3次平行验证实验，回收率分别为88.31%，88.49%，86.38%，平均值为87.73%，RSD为1.33%。

2.3 纯度鉴定

实验中薄层层析最佳的色谱分析条件为：苯-氯仿-乙酸乙酯-甲酸(V/V，4∶3∶2∶1)。浓缩所得成品看不到拖尾(Rf=0.52)，但是阿魏酸附近有其他成分的斑点出现，表明其纯度有待进一步提高。通过HPLC检测阿魏酸的含量，得到阿魏酸的纯化率为44.22%。

3 讨论

3.1 通过实验证明，粉末活性炭吸附技术纯化阿魏酸是可行的。采用正交实验得出粉末活性炭吸附技术纯化阿魏酸粗提液的最佳条件：阿魏酸浓度1.5mg/mL，吸附温度50℃，洗脱剂为60℃2%NaOH，其纯度可达到44.22%。结果表明，通过正交实验确定的最优工艺参数，具有良好的重现性。

3.2 欧仕益的研究结果表明［15］，粉末活性炭对蔗渣碱液中阿魏酸有很好的纯化作用，但是本实验结果并不理想。其原因可能是：a.麦麸中阿魏酸的含量要小于蔗渣，且杂质较多，不宜除去;b.本实验所用仪器设备相对简单，误差相对较大;c.实验用层析柱中为自制，粉末活性炭在层析柱中厚度较厚，在洗脱时可能未全部洗脱;d.层析柱、接收器为透明柱体，在洗脱过程中由于光照而使阿魏酸部分分解;e.在洗脱时若能使粉末活性炭尽量分散，可能会使实验效果更加明显。

3.3 作为显著影响因素的吸附温度，由于本实验设置的最高温度为50℃。但实验表明，其吸附率仍在增加。由此可以看出，若是采用更高的吸附温度可能使实验效果更好，但要防止温度过高而使阿魏酸严重降解。

3.4 本实验结果证明，采用粉末活性炭纯化麦麸中阿魏酸粗提液是可行的。但是优化后的工艺使其纯度提高到44.22%，若用于工业生产还不太现实，有待进一步提高。

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Purification of ferulic acid from wheat bran by powdered activated carbon

ZHANG Zhi-qing，YAO Yan-yan，YANG Xue-fei，YANG Xue，BAI Bing，GU Rong
(College of Food Science，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China)

Powdered activated carbon was used to purify ferulic acid reagent in the solution.The results showed that powdered activated carbon had certain capacity for adsorbing ferulic acid.When the concentration was less than 1.6mg/mL，it had a high adsorption rate at pH 2.0～8.0.As the temperature increased，powdered activated carbon adsorption rate increased.The adsorption time had little impact on adsorption rate.60℃ and 2.0%of NaOH could desorb almost 85%of the adsorbed ferulic acid，whereas alcohol，ethyl acetate and hydrochloric acid could desorbe less than 25%of the adsorbed ferulic acid.The results of TLC showed that powdered activated carbon had certain effect on purification of ferulic acid from wheat bran.

powdered activated carbon;wheat bran;ferulic acid;purification

TS210.9

B

1002-0306(2011)12-0310-05

麦麸是小麦加工的主要副产品，约占小麦籽粒质量的15%～20%［1］，我国每年加工的麦麸可达2000万t以上，但是综合利用率还不到20%，大部分作为饲料直接利用。研究表明，麦麸中不仅含有丰富的膳食纤维、蛋白质、碳水化合物等，还含有多种抗肿瘤、抗氧化的重要生理活性物质，如多种黄酮类化合物、膳食纤维、阿拉伯木聚糖、植酸、酚酸等［2］，其中酚酸有香草酸、阿魏酸等，后者是麦麸中含量最高的酚酸，约占麸皮重量的0.5%～0.7%［3］。阿魏酸具有抑制血小板凝聚、促进血小板解聚、抗血栓、降血脂、防治冠心病、抗菌消炎、抗突变和防癌等生理功能，可抑制多种微生物生长，被广泛应用于医药、保健品、化妆品和食品添加剂等领域［4-7］。阿魏酸在麦麸中主要与细胞壁多糖和木质素交联结合，本研究前期将碱液对麸皮的强裂解性、乙醇对阿魏酸的高溶解力与超声波破碎相结合，高效地游离出麦麸中的阿魏酸［8-10］，但由于杂质过多，其纯度有待提高。因此本研究在借鉴现有纯化技术的基础上［11-15］，探讨采用粉末活性炭对麦麸中阿魏酸粗提液进行纯化的可能性，分析影响因素，采用高效液相色谱法进行检测［9］，希望确定出一套高效可行的纯化麦麸阿魏酸粗提液的技术，为麦麸深加工利用提供技术参考。

2010-11-30

张志清(1976-)，男，副教授，博士，研究方向:食品检验、粮油副产物加工。

教育部大学生创新性实验项目(091062627);四川省教育厅重点项目(09ZA081);四川省人事厅留学人员择优项目专项(川人函［2008］488号)。