大孔树脂分离纯化火龙果红色素的工艺研究

陈 宇，林 旺，许 琳

（1.莆田学院环境与生物工程学院；2.福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，福建莆田351100）

大孔树脂分离纯化火龙果红色素的工艺研究

陈 宇1,2，林 旺1,2，许 琳1

（1.莆田学院环境与生物工程学院；2.福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，福建莆田351100）

以白肉和红肉火龙果果皮为研究对象，探究大孔树脂对火龙果色素分离纯化工艺.采用静态吸附和解吸实验比较ADS-7、S-8、NKA-9、AB-8、D-101、X-5六种型号树脂分离纯化效果，实验结果表明：S-8型大孔树脂吸附和解吸性能较好，其分离纯化最优参数为色素液pH=2～3，洗脱剂pH=5，洗脱剂为0.2%盐酸和40%乙醇混合溶液，上样液流速2 BV/h，洗脱曲线最佳体积160 mL，纯化后色素的色价分别为62.50和70.18，是纯化前的倍5.31和5.26倍.

火龙果红色素；大孔树脂；分离纯化；吸附率；解析率

火龙果(Pitaya)，又称红龙果、龙珠果等，仙人掌科、量天尺属植物果实.由于火龙果富含植物白蛋白、花青素和膳食纤维，集水果、保健、医药和环保于一身，深受广大食品行业科研工作者的青睐［1-2］.按其果皮果肉的颜色，火龙果可分为红皮红肉、红皮白肉、黄皮白肉等品种.其中红皮红肉火龙果是一种新的改良品种，它的果实富含大量的天然色素，从果皮到果肉的颜色呈玫瑰红到紫红色，是天然色素提取加工的良好来源［3-4］.同时，火龙果果皮是火龙果果品加工的副产物，人们仅食用火龙果果肉，弃去果皮，这又为利用火龙果果皮红色素提供了丰富的原料.从其果皮中分离纯化天然色素，可以变废为宝，可以实现火龙果的综合利用，提高火龙果的附加值，为火龙果产业化开发提供新途径.

根据色素化学成分和主要杂质成分来进行选择的天然色素粗提物的分离纯化方法有：层析法、膜分离法、两相萃取法、溶剂分级沉淀法等［5］.大孔树脂是内部呈交联网状结构的高分子珠状体，对物质具有选择性的分离作用，大孔树脂具有吸附容量大、吸附速度快、选择性好、再生简便等优点，被广泛应用于天然活性物质的分离纯化［6-7］.

袁桥玉、刘新桥采用AB-8对肺形草总黄酮纯化工艺进行研究，该纯化工艺简便、易行、重复性好，可作为肺形草总黄酮的有效富集方法，为进一步充分开发肺形草的药用价值提供了研究基础［8］.陈美红等人研究了NKA大孔吸附树脂分离纯化桑椹红色素的工艺条件.树脂重复使用8次后，吸附率仅降低2.8%.经纯化后的色素为紫黑色粉末，其色价为452，是未纯化的 48.7倍［9］.

本文采用AB-8、D-101等六种不同型号的大孔树脂对火龙果红色素进行静态吸附和解析试验，从而筛选出对火龙果红色素纯化性能较好的树脂，以便确定该大孔树脂的最优纯化工艺条件和参数，为火龙果红色素产品生产规模化提供参考.

1 实验部分

1.1 材料与仪器

HCl、NaOH、果胶酶、无水乙醇均为分析纯，ADS-7、S-8、NKA-9、AB-8、D-101、X-5 六种大孔树脂购于上海华震科技有限公司.

JJ-2组织捣碎匀浆机（常州国华有限公司），SHB-IIIS循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司），UV-1240紫外可见分光光度计(岛津制作所)，DSHZ-300A水浴恒温振荡器（江苏太仓市实验设备厂），BS-100A自动部分收集器（北京赛多利斯仪器系统有限公司），HL-2B恒流泵（上海泸西分析仪器厂有限公司），HC-2064低速离心机（安徽中科中佳科学仪器有限公司）.

1.2 实验方法

1.2 .1 火龙果红色素的提取

红肉、白肉火龙果取皮，绞碎，以蒸馏水提取，料液比为1∶20，适当加入果胶酶加速分解，置于水浴恒温振荡器内，在25℃、150 r/min条件下振荡提取50 min.离心分离，得亮紫色色素溶液，测其在535 nm波长下的吸光度 A0［10］.

1.2 .2 大孔树脂的预处理

将不同型号的大孔吸附树脂用95%乙醇（2倍树脂体积）浸泡8 h后，用去离子水冲洗至无醇味；4%～5%NaOH溶液浸泡240 min后，用去离子水冲洗至中性；再用4%～5%HCl溶液浸泡240 min后，用去离子用水冲洗至中性；最后用去离子水浸泡，密封于0～2℃冰箱中遮光保存备用.

1.2 .3 最佳树脂的筛选

以红皮红肉火龙果的红色素为研究对象，用分析天平分别称取5 g活化后的6种大孔树脂，放置在250 mL锥形瓶中，随后加入100 mL的火龙果红色素上清液，置于水浴恒温振荡器中，在25℃、150 r/min条件下振荡吸附120 min，535 nm波长下测吸附后样液的吸光度值A1，利用公式（1）计算吸附率.

吸附率（%）=（A0-A1）/A0*100. （1）

式中：A0：吸附前原液吸光度；A1：吸附后上淸液的吸光度.

吸附平衡后，用循环真空泵抽滤，得到吸附后的大孔树脂，分别加入100 mL由不同体积分数的盐酸和乙醇混合溶液组成的洗脱剂，置于水浴恒温振荡器中，在30℃、150 r/min条件下振荡吸附120 min，535 nm波长下测吸附后样液的吸光度值A2，利用公式（2）计算解析率.

解析率（%）=A2/(A0-A1)*100. （2）

式中：A0：吸附前原液吸光度；A1：吸附后上淸液的吸光度；A2：解吸后上清液的吸光度.

1.3 大孔树脂静态实验

1.3 .1 色素提取液pH值的确定

按照1.2.3法筛出的最佳树脂在不同pH的色素提取液进行静态吸附试验，测量上清液在535 nm下的吸光度值，计算静态吸附率并比较不同条件对树脂吸附性能的影响，以选择适宜pH的色素提取液.

1.3 .2 洗脱剂的确定

按1.2.3法筛出的最佳树脂分别选择不同体积分数的乙醇、乙醇的不同pH以及不同体积分数、不同pH的盐酸溶液进行解吸试验，待色素充分解吸后测定上清液在535 nm下的吸光度值，计算解析率，比较不同体积分数的乙醇、乙醇的不同pH以及不同体积分数、不同pH的盐酸和乙醇混合溶液对树脂脱附性能的影响，以选择适宜体积分数的盐酸和乙醇混合溶液.

1.4 大孔树脂动态实验

1.4 .1 上样流速的确定

将活化后的S-8大孔树脂均匀装柱，取一定浓度和酸度的色素液调节恒流泵以不同的流速（1 BV/h、2 BV/h、3 BV/h、4 BV/h、5 BV/h）上柱吸附.设定自动部分收集器使色素液以等时间流出并收集于试管中，用分光光度计测量吸附后流出的色素液在535 nm波长下的吸光度值，计算其吸附率，确定其最佳吸附流速.

1.4.2 洗脱曲线考察

最佳吸附流速确定以后，调节恒流泵以该流速进行洗脱，设定自动部分收集器使色素溶液以等体积流出并收集，最终确定最佳洗脱剂用量，并绘制洗脱曲线［11］.

1.5 色价的测定

按上述试验确定的各种条件分离、纯化红肉火龙果果皮色素，旋转蒸发回收乙醇，将色素浓缩液冷冻干燥得到紫色无定形固体，计算纯化前后色素的色价.色价的计算公式：=AX稀释倍数/色素重量(g).

2 结果与分析

2.1 大孔树脂的选择

预处理后的6种型号大孔树脂吸附火龙果红色素如图1所示，其吸光度随着时间增加而逐渐减少，最后趋于平缓.在150 min后，树脂静态吸附达到平衡，吸光度值无明显变化，比较6种树脂吸附后的上层色素液的吸光度值大小顺序为：NKA-9

分别计算6种大孔树脂的吸附率和解析率，可得表1.由表1可知，NKA-9、S-8对火龙果红色素的吸附率相对较高，分别达到87.4%、63.2%，吸附能力较强；其他4种大孔树脂吸附能力相当.而对色素的解析率相对较高的是S-8、X-5树脂，解析能力较其他树脂强.分析原因：树脂本身的结构和性能（极性）会影响其吸附和解析能力，根据物质相似相溶原理，极性大孔树脂更容易吸附同样显极性的火龙果红色素，因此吸附率较大.综合考虑以上静态吸附和解吸实验结果，NKA-9虽然吸附率很高，但考虑到其解析率极低，NKA-9不适合选作最佳大孔树脂，而S-8对火龙果红色素有较强的选择性、吸附率较大，且易被解吸，因此，选择S-8大孔吸附树脂进行后续工艺优化实验.

2.2 大孔树脂静态条件的研究

2.2 .1 色素液的pH值对大孔树脂吸附效果的影响

色素液的pH值对S-8大孔树脂吸附率的影响见图3.在酸性条件有利于S-8大孔树脂吸附色素，但在过酸情况下（pH=1）反而会降低树脂的吸附率，在pH为2～3时，最有利于树脂吸附色素.因为火龙果色素主要为甜菜苷类色素，该类色素在酸性条件下较稳定，但在碱性环境中极不稳定，会迅速转化为黄色的甜菜黄质［12］.因此，pH对色素的吸附影响较大，确定最佳色素液pH为2～3.

2.2 .3 洗脱剂的pH值对大孔树脂解析效果的影响

洗脱剂的pH值对S-8大孔树脂解析率的影响如图4所示，在酸性条件有利于S-8大孔树脂的解析色素，但在过酸情况下（pH=1）反而会降低树脂的解析率，在pH=5时，白肉和红肉火龙果的色素解吸率最大，解析效果最好.碱性条件下色素变性，导致大孔树脂无法吸附色素和完成解吸实验，因此，pH对色素的解析影响较大，确定最佳洗脱剂pH=5.

图1 6种大孔树脂的静态吸附曲线

图2 6种大孔树脂的静态解析曲线

表1 6种大孔树脂对火龙果红色素的吸附和解析效果

图3 色素液的pH值对S-8大孔树脂吸附率的影响

图4 洗脱剂的pH值对S-8大孔树脂解析率的影响

图5 乙醇浓度对S-8大孔树脂解析率的影响

2.2 .4 乙醇浓度对大孔树脂解析效果的影响

乙醇浓度对大孔树脂解析效果的影响如图5所示，一定浓度的乙醇溶液有利于树脂解吸，随着乙醇浓度的增加树脂的解吸率也增高，当乙醇浓度为40%时，树脂解吸率达到最高；继续增加乙醇浓度，树脂解吸率反而有所下降.实验表明，乙醇的体积分数过高或过低均不利于解吸，确定40%的乙醇为白肉和红肉火龙果红色素的最佳洗脱剂组成.

2.2 .5 HCl浓度对大孔树脂解析效果的影响

HCl浓度的改变可以引起解吸率的变化，当HCl浓度为0.2%时，S-8树脂对白肉火龙果和红肉火龙果红色素的解吸率最高，继续增加HCl浓度不能使解吸率增加，解析率反而有所下降，如图6所示.

2.3 大孔树脂动态条件的研究

2.3 .1 上样液流速对大孔树脂吸附效果的影响

样液流速对S-8大孔树脂吸附率效果也有一定的影响，当流速为1～2 BV/h时，白肉和红肉火龙果吸附率均较高，接近于100，如图7所示.这说明低流速有利于树脂吸附色素，色素可被完全吸附.当继续增加流速时，吸附率呈下降趋势，树脂吸附效果相对较差.实验结果表明，样液流速太小，则吸附时间太长；样液流速太大，色素不能充分吸附就流出树脂床而造成吸附效果不好，选择2 BV/h为最佳上样液流速较为合适.

2.3 .2 样液的洗脱曲线

白肉火龙果和红肉火龙果色素的吸光度值随着流出液体积增加而呈现一个峰值（约在体积为40 mL处），如图8所示.当流出液体积为160 mL时火龙果红色素基本全部被洗脱出来，故洗脱剂的最佳用量为160 mL.

2.4 色价

图6 HCl浓度对S-8大孔树脂解析率的影响

图7 上样液流速对S-8大孔树脂吸附率的影响

图8 样液洗脱曲线

在上述确定的最佳条件下分离纯化白肉和红肉火龙果果皮色素并计算其色价，纯化前果皮色素色价分别为11.77和13.34，纯化后色素的色价分别为62.50和70.18，是纯化前的倍5.31和5.26倍.

3 结论

（1）通过分别对S-8、AB-8、D-101、X-5、ADS-7、NKA-9 6种大孔树脂进行静态吸附和解析实验.综合比较6种大孔树脂的吸附和解析性能，S-8的吸附率为63.2%、解析率为26.3%，从而确定S-8为最优纯化大孔树脂.

（2）实验中通过对比研究S-8大孔树脂分离纯化红皮白肉火龙果和红皮红肉火龙果果皮红色素，得出S-8树脂纯化火龙果红色素的最优工艺参数条件为：色素液pH=2～3，洗脱剂pH=5，上样流速为2 BV/h，洗脱剂组成为0.2%盐酸和40%乙醇，洗脱剂的最佳用量为160 mL，纯化后色素的色价分别为62.50和70.18，是纯化前的倍5.31和5.26倍.

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The Processing Research of Separation and Purification of Pigment from Pitaya with Macroporous Resins

CHEN Yu1,2,LIN Wang1,2,XU Lin1
（1.College of Environmental&Biological Engineering,Putian University;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Ecology-Toxicological Effects&Control for Emerging Contaminants,Putian 351100,Fujian,China）

Using white and red pitaya as the raw material,explore the macroporous resin purification process of pitaya pigment.6 type macroporous resins,ADS-7,S-8,NKA-9,AB-8,D-101,X-5 were used to select the better performance for separation and purification of red pigment from pitaya.The results showed that,the S-8 had the higher adsorption rate and desorption rate.The optimum purification technology by S-8 resin was as follow:the pH value of pigment solution is 2～3,the pH of elution solution is 5,the concentration of eluent solution is 0.2%HCl and 40%C2H6O,the current velocity of adsorption is 2 BV/h,the volume of elution curve of 160 mL,the color scale of pigments purified from peel of white pitaya was 62.50,and it was 5.31 times higher as compared with that before purification,and the color scale of pigments purified from peel of red pitaya was 70.18,and it was 5.26 times higher as compared with that before purification.

pitaya pigment；macroporous resin；separation and purification；adsorption rate；desorption rate

S667.9

A

1007-5348（2017）09-0056-05

2017-06-02

莆田市科技计划项目(2014N13)；福建省科技厅项目（2017J01645）.

陈宇（1980-），女，辽宁沈阳人，莆田学院环境与生物工程学院副教授，硕士；研究方向：天然产物的提取分离与测试.

（责任编辑：邵晓军）