大孔树脂纯化南瓜果皮色素

努尔比亚·亚力坤，阿不都拉·阿巴斯

(新疆大学 生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐，830046)



大孔树脂纯化南瓜果皮色素

努尔比亚·亚力坤，阿不都拉·阿巴斯*

(新疆大学 生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐，830046)

摘要用大孔树脂对南瓜果皮色素进行纯化研究。利用有机溶剂回流提取法粗提南瓜果皮色素，研究了不同树脂对南瓜果皮色素的吸附和解析，并对其纯化的静态以及动态吸附工艺进行探讨。纯化最佳工艺条件为：D101型大孔树脂作为吸附剂的条件下，静态吸附时间为3 h、南瓜皮粉提取液与树脂的质量比为1∶7、原液pH值为4、在此工艺条件下，吸附率最大，达到75.3%；静态解析达到平衡时间为90 min、洗脱剂浓度为60%、上样流速为5 mL/min、洗脱流速为1 mL/min；此时解析效果最佳。

关键词南瓜果皮色素；大孔树脂；纯化

南瓜是葫芦科属类的草本植物。根据种植属类的不同分为：印度南瓜(C.maximaDuch)、中国南瓜(C.moschataDuch)、和美洲南瓜(C.pepoL.)[1]。南瓜是广泛种植和众多人们喜欢膳食的食用植物。

目前南瓜在我国各地普遍栽培，学者已对南瓜多糖、果胶、南瓜籽蛋白等有效成分，进行了研究。如采用大孔树脂吸附法[2]对南瓜果胶提取液进行脱色纯化，使得果胶提取率明显提高、纯度也较高、各项指标达到了质量要求标准。

近年来关于南瓜的研究主要在南瓜果肉、南瓜籽、叶等部分里面的活性成分和有关加工南瓜产品方面[3]。南瓜作为极具开发潜力的资源，其加工废弃物——南瓜果皮也是具有应用价值的，充分利用南瓜资源并研究南瓜果皮色素具有很大现实意义。

从植物组织中直接提取得到的色素因其纯度低、成分比较复杂，可能含有胶质、蛋白质等成分，这些杂质的存在影响色素的品质，使得色素产品的色价较低，稳定性较差，不能满足食品，医药和保健品行业的要求。为了得到纯度更高的产品，需要进一步纯化，去除杂质[4]。

天然色素的纯化方法很多，目前使用较为普遍的是大孔树脂吸附法。大孔吸附树脂[5-6]是由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成的一类有机高聚物吸附剂。因其具有吸附速度快、选择性好、吸附容量大、再生处理简单等优点，在天然物质的分离纯化中已被广泛使用[7]。

本研究以大孔树脂为吸附剂，纯化南瓜果皮色素，从静态和动态2方面研究了D101型大孔树脂对南瓜果皮色素的吸附特性。

1实验材料、试剂及仪器

1.1实验材料

南瓜果皮粉，南瓜购买于乌鲁木齐天山区菜市场，时间为2013年11月，去皮烘干，粉碎过筛备用。

1.2实验试剂及仪器

实验试剂：无水乙醇、AB-8、X-5、S-8、D101、NKA-9型大孔树脂、HCl、NaOH、超纯水等。

仪器设备见表1。

表1　实验主要仪器设备

2实验方法

2.1南瓜果皮色素粗提液的制备

将南瓜果皮色素在最佳提取工艺下进行提取，抽滤，色素提取液备用[8]。

2.2各种树脂的物理性能参数[9](表2)

表2　大孔树脂物理性能参数

2.3树脂的预处理

通常情况下新买的大孔树脂有残留、交联剂、分散剂等化学物质和杂质，使用前应该进行预处理。装柱之前各种大孔树脂用体积分数95%的乙醇溶液中浸泡24 h，并把树脂中的杂质除去，然后将其装柱。装住后，用蒸馏水以冲洗至中性，直到无乙醇残留，然后用体积分数5%的HCl溶液中浸泡12 h后再以蒸馏水洗至中性；然后再将质量分数2%的NaOH水溶液浸泡12 h后再以蒸馏水冲洗至中性，滤去水分备用[10]。

2.4大孔树脂静态吸附研究

2.4.1各种大孔树脂静态吸附率的测定

准确称取适量预处理过的大孔树脂分别置于100 mL的锥形瓶中，加入色素粗提液，放在振荡器上振荡，室温下静态吸附24 h使树脂达到吸附平衡，根据吸附前后在南瓜皮色素最大吸收波长处测定溶液的吸光度[11]，并按公式(1)计算吸附率。

(1)

2.4.2各种大孔树脂静态解析率的测定

在滤除溶液后的树脂中加入适当解析剂(体积分数20%的乙醇)，振荡器上振荡，静态解析12 h，解析达到平衡，测定解析后溶液的吸光值，并按公式(2)计算各种树脂的解析率[12]。

(2)

2.5最佳大孔树脂的吸附性能考察

2.5.1静态吸附动力学曲线

取适量南瓜果皮提取液，向其中加入经过预处理的大孔树脂2 g，静态吸附，每隔30 min测定1次吸光度。

2.5.2静态吸附等温线

分别称取0.5，1.0，1.5，2，2.5，3，3.5，4.0 g处理好的D101树脂，各加入10 mL(0.5 g南瓜果皮粉的提取液)南瓜果皮色素提取液，静置吸附一段时间后，测定各吸附液的吸光度。

2.5.3pH值对吸附效果的影响

取7份20 mL南瓜果皮色素粗提液，分别加入1 g处理好的D101树脂，pH值分别调为1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 ，8.0，9.0，10，11(用HCl或NaOH来调节)，静置吸附12 h，在450 nm处测定各吸附液的吸光度值并计算出吸附率。

2.5.4南瓜果皮色素最佳纯化工艺条件的确定

根据上述单因素实验结果，选取最佳条件上下梯度，分别考察静态吸附时间、树脂量、pH等3因素，每个因素选3个水平，以L9(34)做正交试验，筛选最佳吸附工艺条件。因素水平见表3。

表3　正交实验因素水平表

2.6D101型大孔树脂动态吸附与解析参数

2.6.1解析动力学曲线

过滤达到饱和吸附的树脂，向树脂中加入适量的解析液，静置解析，每隔10 min测定一次吸光度。

2.6.2上样液浓度对吸附效果的影响

取适量已处理好的D101树脂，湿法装柱，分别以0.5、1、 1.5、 2、 2.5 g南瓜果皮粉的提取液为上样液，以2 BV水洗脱除杂，15 BV乙醇溶液洗脱目标物质，洗脱流速为1 mL/min，测定个洗脱物的吸光度并计算出吸附率。

2.6.3洗脱剂含量对解吸效果的影响

取吸附后的树脂，分别加入体积分数20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%；90%和95%的乙醇溶液，静置解析24 h后，将树脂滤除，测定解吸液的吸光度并计算出洗脱率。

2.6.4上样流速对吸附效果的影响

取适量已处理好的D101树脂，湿法装柱，以南瓜果皮的提取液为上样液，上样流速分别控制在1、2、3、4、5 mL/min，待样品液全部通过树脂后，测定出流出液的吸光度并计算出吸附率。

2.6.5解析流速对吸附效果的影响

以南瓜果皮粗提液为上样液，上样流速控制在最佳条件，以2 BV水洗脱除杂，15 BV乙醇溶液洗脱目标物质，洗脱流速分别控制在1、3、5 mL/min、测定各解吸液的吸光度。

3结果与分析

3.1各种大孔树脂静态吸附率和解析率的测定结果

表4　各种大孔树脂的吸附几解析率的测定结果

由表4可以看出，供试验用的5种大孔树脂中D101树脂的吸附率优于其他几种树脂，其吸附率最大为88.3%。S-8树脂的解吸率最高为87.4%，其次是D101,选择树脂要同时考虑树脂的吸附率和解吸率2个因素，而且，D101树脂是工业生产中常用的大孔树脂，因此综合考虑，选择D101树脂来纯化南瓜果皮色素。

3.2最佳大孔树脂的吸附性能考察结果

3.2.1静态吸附时间的确定

由图1可知，随着时间的延长吸光度降低且静态吸附2 h以后溶液吸光度的变化趋于平稳，溶液吸光度的变化已经很小，由此确定D101大孔树脂静态吸附南瓜果皮色素达到饱和吸附的时间大约在3 h左右即可。

图1　静态吸附动力学曲线Fig.1　Curves of static adsorption kinetics

3.2.2静态吸附等温线

图2　静态吸附等温线Fig.2　Static adsorption isotherms

由图2可知，树脂量为2.5 g与3.5 g时的溶液的吸光度差异较小，树脂量增加到4 g时与3.5 g的溶液的吸光度差异已经很小，说明D101大孔树脂静态吸附南瓜皮色素时0.5 g的南瓜果皮粉提取液大概需要用3.5 g的树脂来进行吸附，南瓜果皮粉提取液与树脂的质量比约在1∶7左右即可。3.2.3pH值对吸附效果的影响结果

图3　pH值对吸附的影响Fig.3　The effect of pH on the adsorption

由图3可以看出，色素原野的酸碱度对树脂吸附效果有较大的影响，D101树脂在酸性条件下对南瓜果皮色素的吸附效果优于碱性环境，pH=4的时候吸附效果最好，这表明南瓜果皮色素成分里含有一定量的羧基，呈现一定的酸性，因此在酸性条件下被树脂吸附。因此，选择最佳原液pH值为4.0。3.2.4南瓜果皮色素最佳吸附工艺条件正交实验结果

表5正交实验结果表明，影响D101型大孔树脂吸附效果的各个因素主次顺序为：静态吸附原液的pH值>树脂量>静态吸附时间；其中pH对D101型大孔树脂吸附效果的影响最显著；静态吸附的最佳吸附工艺条件为:静态吸附时间为3 h，树脂加入量为4 g, 原液pH值调节到4即可，在此工艺条件下，吸附率最大为75.3%。

表5　正交实验设计表及结果

3.3D101型大孔树脂动态吸附与解析参数分析结果

3.3.1解析曲线的绘制

由图4可知，解析时间延长其吸光度逐渐增加，80～110 min这段时间解吸液的吸光度变化很小，说明静态解吸达到平衡，南瓜果皮色素静态解吸时间在90 min。

图4　静态解析曲线Fig.4　Static desorption curve

3.3.2上样液浓度对吸附效果的影响结果

由图5可知，对于定量的吸附质而言，吸附剂用量增大，意味着吸附比表面增大，吸附质在吸附剂上的分布较松散，从而吸附剂对吸附质的物理作用和化学作用加强，吸附量增加。但由于树脂孔容的限制，树脂吸附存在一个极限。当2 g南瓜果皮粉的提取液作为吸附质时树脂具有最大的吸附率，之后色素液浓度增加，树脂吸附率反而下降，因此，选用适量浓度，更有利于树脂的吸附。

图5　上样液浓度对吸附效果的影响Fig.5　The effect of sample concentration on the adsorption rate

3.3.3洗脱剂含量对解析效果的影响结果

由图6可以看出，考察不同浓度的乙醇作为洗脱剂对D101型大孔树脂解吸率的影响，如图所示；随着乙醇浓度的升高，解吸率有先上升后下降的趋势，乙醇浓度对南瓜果皮色素的洗脱效果具有选择性，乙醇浓度为60%时，解吸率最大；超过此含量，解吸率逐渐降低，因此，选择60%的乙醇作为洗脱剂即可。

图6　洗脱剂含量对解吸效果的影响Fig.6　The effect of eluant concentration on desorption rate

3.3.4上样流速对吸附效果的影响

由图7可知，随着流速增加树脂对南瓜果皮色素的吸附率越高，从经济角度来看，流速越大，所需时间越短，工业生产率越高，因此上样流速选择5 mL/min为最佳。

图7　上样流速对吸附效果的影响Fig.7　The effect of sample flow rate on adsorption effect

3.3.5洗脱流速对吸附效果的影响

由图8可知：以横坐标为上样液总体积，纵坐标为流出液的吸光度来作图标进行分析，随着解吸时间的延长解吸效率均减低，洗脱流速增加解吸效果反而降低，当洗脱流速1 mL/min时解吸效果最好，因此洗脱流速为1 mL/min。

图8　洗脱流速对吸附效果的影响Fig.8　Elution velocitys effect on the adsorption effect

4结语

考察了AB-8、X-5、S-8、NKA-9、D101等5种大孔树脂对南瓜果皮色素吸附效果的影响，静态吸附和解析结果表明：5种树脂中D101型大孔树脂的吸附和解吸率都优于其他树脂；D101型大孔树脂的应用范围较广阔，适于富集天然物质的纯化；D101型大孔树脂对南瓜果皮色素吸附效果的主要因素中pH对D101型大孔树脂吸附效果的影响最显著；静态吸附的最佳吸附工艺条件为，静态吸附时间为3 h，树脂加入量为4 g, 原液pH值调节4即可，在此工艺条件下，吸附率最大为75.3%；静态解析达到平衡时间为90 min左右即可，当2 g南瓜果皮粉的提取液作为吸附质时树脂具有最大的吸附率，之后色素液浓度增加，树脂吸附率反而下降，乙醇体积分数为60%时，解析率最大；上样流速为5 mL/min，洗脱流速为1 mL/min时纯化效果更佳；选择D101型大孔树脂用于南瓜果皮色素的初步分离。

参考文献

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Studies on purification of pigments from pumpkin peel by macroporous resins

YALIKUN Nuerbiya， ABBAS Abdulla*

(College of Life Science Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

ABSTRACTUsing macroporous resin to purify pumpkin peel pigment. The organic solvent refluxing extraction method was adopted for crude extraction of pumpkin peel pigment. The adsorption and desorption of different resin on pumpkin peel pigment was studied; the static and dynamic adsorption technique was discussed. The optimized purifying condition is: D101 macroporous resin is used as adsorbent agent, static adsorption time is 3 h, herbs-resin ratio is 1∶7, pH is 4, under this condition the maximum adsorption rate reaching 75.3%, static equilibrium time was 90 mins, eluent agent is 60% ethanol, sample flow rate is 5 mL/min, elution flow rate is 1 mL/min.

Key wordspumpkin peel pigment; macroporous resin; purification

收稿日期：2015-04-23，改回日期：2015-10-26

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604041

第一作者：硕士研究生(阿不都拉·阿巴斯教授为通讯作者)。