大孔树脂吸附分离黑胡萝卜红色素的研究

赵昕，于一帆，苏婉莹，阿米娜·艾尔肯，武敏，常秀莲，*，展亚莉

（1.烟台大学生命科学学院，山东烟台264005；2.青岛鹏远康华天然产物有限公司，山东莱西266612）

大孔树脂吸附分离黑胡萝卜红色素的研究

赵昕1，于一帆1，苏婉莹1，阿米娜·艾尔肯1，武敏1，常秀莲1，*，展亚莉2

（1.烟台大学生命科学学院，山东烟台264005；2.青岛鹏远康华天然产物有限公司，山东莱西266612）

采用酸性水溶液浸提法提取黑胡萝卜红色素。用6种大孔树脂（LS-610B、BM3、D101、LSA-40、AB-8、LSA-305）对粗提液进行初步分离纯化，预选出两种（LS-610B、BM3）吸附性能较好的树脂，进行了黑胡萝卜红色素的吸附等温线和静态吸附/解吸动力学实验研究。研究结果表明，树脂吸附的最适宜的料液pH值为2.0；LS-610B树脂适合Langmuir模型和Freundlich模型拟合，相关系数分别为0.979 9和0.974 0；BM3树脂更适合Langmuir模型拟合，相关系数为0.966 2，属于单分子层吸附机理；这两种树脂的吸附过程特征都能用拟一阶动力学模型能很好地描述，主要因素是内外膜扩散影响吸附的；最佳解吸条件为65%乙醇水溶液（含0.3%的柠檬酸）。

大孔树脂；黑胡萝卜红色素；吸附；解吸；分离纯化

胡萝卜是现在大众所经常食用的主要农作物之一，虽然黑胡萝卜（Daucus carota L.）属于胡萝卜的一个特殊品种，但是对它的了解却是很少，实际上黑胡萝卜的种植历史要远远早于胡萝卜。黑胡萝卜的外观为紫黑色，因其所能提供的红色素在粉红色到红色范围内为相关的食品饮料提供相应的天然色素而被广泛研究[1]，同时红色素中富含花青素[2]，花青素一般在自然状态下以花色苷的形式存在，主要为槐糖或矢车菊-3-葡萄糖。花青素具有一系列的生物活性，包括抗氧化[3]、抗炎[4-5]、抗肿瘤[6]、抗突变[7]、化学预防[8]、α-葡萄糖苷酶抑制性[9]等。此外，花青素类天然色素还能有效调节动脉保护机制，从而降低冠心病发病风险[10]，防止血小板聚集病发生[11]，以及增强人体免疫功能等[12]。大量研究已经证明花青素以及其他黄酮类物质具有突出的药理活性以及安全性，但是由于其种类繁多，结构复杂，性质不稳定，而且对其制备工艺尚不成熟，目前仍未被用作临床治疗药物。吕晓玲等[13]研究利用荧光化学发光法测定色素对DPPH·以及O2-、·OH和H2O2等活性氧自由基的较强清除作用。因此也可推断黑胡萝卜色素中含有具有抗氧化、预防心脑血管疾病和高血压等功效的活性成分。

黑胡萝卜中花青素是一种水溶性色素，工业上水溶性色素常用的分离纯化方法一般采用大孔树脂吸附法[14]，该方法的主要优点有成本低，树脂再生容易，产品纯度高并且容易去除色素中的糖类等易吸湿成分，从而增加产品稳定性。柠檬酸的酸性能对黑胡萝卜中含有的花青素起到保护作用，因此在洗脱时采用工业上常用的柠檬酸乙醇溶液进行洗脱。本研究中，根据生产企业的实践结果，同时参照实验室对多种色素的吸附经验[15-17]，选择来自不同厂家的6种大孔树脂，以筛选出最佳树脂并利用最佳树脂开发一个简单而有效的初步分离纯化黑胡萝卜花青素的工艺过程。

1 材料和方法

1.1 试验仪器

HY-6双层振荡器：中外合资深圳天南海北有限公司；pH211酸度计：意大利哈纳公司；752S紫外可见分光光度计：上海棱光技术有限公司；TDL-60B低速大容量离心机：长沙湘智离心机仪器有限公司；AR1530分析天平：奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；RE-52A旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂。

1.2 试验材料

黑胡萝卜：青岛鹏远康华天然产物有限公司；树脂LS-610B、LS-305：陕西蓝深特种树脂有限公司；BM3：山东鲁抗立科药物化学有限公司；D101、LSA-40：西安蓝晓科技新材料股份有限公司；AB-8：天津南开大学化工厂；试剂均为分析纯。

1.3 试验方法

1.3.1 黑胡萝卜色素提取液的制备

将黑胡萝卜切成1 mm左右薄片，加入0.2%的稀盐酸溶液，按一定的料液比（根据起始浓度的要求），在常温避光的条件下浸提两次（每次24 h），去渣，合并两次浸提的滤液在4 000 r/min下离心15 min得黑胡萝卜色素提取液，用分光光度法测定其色素含量。

1.3.2 树脂的预处理

取适量大孔吸附树脂，用3倍体积的95%乙醇浸泡24 h后，用蒸馏水反复清洗至无乙醇味，然后用3倍体积1 mol/L的NaOH溶液浸泡3 h，用蒸馏水反复清洗至中性，再用3倍体积1 mol/L的HCl溶液浸泡3 h，用蒸馏水反复清洗至中性。

处理完后的树脂用滤纸吸干表面水分至无水印，用密度瓶测定湿树脂的密度（在试验过程中使用树脂时，将相应的体积转化成质量来称量），最后密封保存至塑料袋中，备用。

1.3.3 大孔树脂的预选

对 6 种树脂（LS-610B、BM3、D101、LSA-40、AB-8、LSA-305）进行预选，主要是初步评估其吸附能力和解吸率。

1.3.3.1 树脂的吸附能力

一定质量的树脂（相当于1.5 mL的湿树脂）和100 mLpH2.0的料液加入到250mL三角瓶中，在20℃，120 r/min摇床上吸附24 h，然后测其520 nm和700 nm的吸光度，计算花青素的含量以及吸附量。

黑胡萝卜中的红色素属于花色苷类，对花色苷总量的测定[18]采用美国化学工程师协会（AOAC）的方法。

式中：吸光度 A 为（A520-A700）pH1.0-（A520-A700）pH4.5；M为表示摩尔质量，以矢车菊-3-葡萄糖苷为基准，449.2 g/mol；D为待测样品的稀释倍数；1为表示光路长，cm，测试时采用1 cm光路长的比色皿；ε为表示矢车菊-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数，260900L/（mol·cm）；1 000表示g转换成mg的系数。

式中：C0为黑胡萝卜中色素初始含量，mg/L；Ce为平衡液相中黑胡萝卜色素含量，mg/L；V0为料液的体积，L；V为湿树脂堆积体积，mL。

1.3.3.2 树脂的解吸能力

采用200目筛网过滤树脂，然后用水清洗树脂，再加入65%乙醇水溶液（含0.3%的柠檬酸），于20℃，120 r/min的摇床解吸3 h，最后测其520 nm和700 nm的吸光度，计算其解吸率。

树脂解吸黑胡萝卜中的色素，解吸率D：

式中：Cd为解吸液中色素含量，mg/L；Vd为解吸液的体积，L；其他符号含义同公式（2）。

1.3.4 不同条件对大孔树脂的吸附试验的影响

将100 mL一定pH值的料液与一定质量的湿树脂（相当于1.5 mL的湿树脂）加入到250 mL的三角瓶中，于20℃，120 r/min的摇床上吸附一定的时间，再用分光光度法测定吸附量。

1.3.5 不同条件对大孔树脂解吸试验的影响

吸附完毕的树脂，用滤网过滤并用水冲洗，加入一定体积、一定浓度的乙醇水溶液（含一定质量分数的柠檬酸），在20℃，120 r/min的摇床解吸3 h，最后用分光光度法测定解吸溶液中的色素含量。

2 结果与讨论

2.1 树脂的预选

6种不同的大孔树脂分别吸附pH2.0，浓度为71.64 mg/L的黑胡萝卜色素提取液，吸附时间为24 h；树脂解吸的条件为65%的乙醇溶液和0.3%的柠檬酸。吸附和解吸平衡后结果如表1所示。

表1 树脂的特性和对黑胡萝卜色素的吸附能力Table 1 Characteristics of the adsorbent resins used and their adsorption properties on black carrot red color

根据表1的结果可知，在吸附方面，BM3和LS-610B的吸附性能远高于其它4种树脂；在解吸方面，6种树脂的解吸能力均在90%以上，差异并不是很大。BM3和LS-610B的孔径虽然不大，但是比表面积却很大，使树脂的吸附容量高。综合考虑，在后面的试验中采用BM3和LS-610B树脂。

2.2 料液pH值对树脂吸附的影响

用BM3和LS-610B两种树脂在初始料液浓度为71.64 mg/L，pH 值分别为 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5的条件下，在摇床上吸附24 h，结果如图1所示。

图1 料液pH值对LS-610B和BM3树脂吸附黑胡萝卜色素吸附量的影响Fig.1 The effect of pH value on adsorption of black carrot red color by LS-610B and BM3 resin

两种树脂变化的趋势接近，均在pH2.0时吸附量最大，BM3吸附性能高于LS-610B。在pH1.5时，吸附量少，溶液的酸度太大，对设备的腐蚀性增加。而在pH值大于2.0时。随着pH值的增加树脂的吸附量随之减少，可能是因为pH值越大色素的极性发生改变使其变得越不稳定，从而影响树脂对色素的吸附力。工业上常采用的色素提取pH值也为2.0左右，因此后续试验均采用pH2.0。

2.3 吸附等温试验

比较树脂的吸附能力和吸附机理[3]的两个常用理论模型为Langmuir模型和Freundlich模型。

Langmuir方程：

Freundlich方程：

qe和Ce分别代表树脂的吸附量（mg/mL）和吸附平衡后溶液中黑胡萝卜色素含量（mg/L），qmax代表最大吸附容量（mg/mL），KL代表 Langmuir常数，表示吸附剂和被吸附物质之间的亲和系数；KF和n代表Freundlich常数，分别表示最大吸附量和非均质系数。

黑胡萝卜色素的吸附等温线如图2所示。

图2 20℃下LS-610B和BM3树脂对黑胡萝卜色素的吸附等温线Fig.2 Adsorption isotherm of black carrot red color onto LS-610B and BM3 resin at 20℃

Langmuir模型中 Langmuir常数，qmax和 KL，根据Ce/qe和 Ce的线性关系计算，Freundlich模型中Freundlich常数KF和n根据lg qe和lg Ce的线性关系计算。对计算得到的试验数据进行统计分析，如表2所示。

两个常用的理论模型Langmuir方程模型表示单分子层吸附；Freundlich方程模型则表示多分子层体系吸附。试验得到的吸附等温线分别用Langmuir方程和Freundlich方程拟合，拟合结果见表2。

表2 在20℃下Langmuir方程和Freundlich方程的拟合参数Table 2 The evaluated constants for Langmuir and Freundlich equations at 20℃

由表2中相关系数R2的数据可知，LS-610B树脂的吸附用两个模型方程拟合出的试验数据都较好，Langmuir方程略好，BM3树脂则是Langmuir方程拟合效果更好。在此浓度范围，两种树脂对黑胡萝卜色素的吸附机理都可以用单分子层吸附理论描述。在Freundlich模型中，两种树脂的1/n分别为0.260和0.217，均在0.1～0.5之间，表明LS-610B和BM3很容易进行黑胡萝卜的色素吸附过程[19]。

2.4 吸附动力学

图3为在20℃时，LS-610B和BM3两种树脂对黑胡萝卜红色素的吸附量qt随吸附时间t的变化曲线。

图3可知，在大约6 h后树脂达到了吸附平衡。

树脂的吸附过程常用拟一阶模型、拟二阶模型以及粒子扩散动力学模型3个理论模型研究。

拟一阶模型：

图3 LS-610B和BM3树脂在20℃下对黑胡萝卜色素的吸附动力学Fig.3 Adsorption kinetics of black carrot red color onto LA610B and BM3 resin at 20℃

拟二阶模型：

粒子扩散动力学：

qt和qe分别代表树脂吸附料液不同时间对应的吸附量和吸附平衡时黑胡萝卜色素的吸附量（mg/mL）。k1、k2和 kp分别是拟一阶速率常数（h-1）、拟二阶速率常数[mL/（mg·h）]和内扩散速率常数[mg/（mL·h1/2）]。X表示边界层的扩散效应（外部薄膜电阻）。表3中列出了3个模型的相关参数。

在表3中根据相关系数R2可知，黑胡萝卜中的色素在两种树脂上对拟一阶和拟二阶模型的拟合效果都很好，粒子扩散模型的拟合效果一般。从qe值来看，两种树脂都是拟一阶模型的数值与实验值更接近，因此拟一阶模型能更好的表达LS610B和BM3两种树脂的吸附动力学。根据拟二阶速率常数k2可知，LS-610B的吸附速率要大于BM3。拟一阶模型和拟二阶模型基本上都考虑了试验过程中的外部膜扩散、内扩散和吸附过程的相互作用。

图4为在20℃下LS-610B和BM3树脂对黑胡萝卜色素的吸附量与吸附时间的平方根曲线。

图4 黑胡萝卜色素在LS-610B和BM3树脂上吸附的内扩散Fig.4 Intraparticle diffusion kinetics for black carrot red color adsorption onto LS-610B and BM3 resin

虽然上图两种树脂的粒子扩散动力学模型不能代表整个吸附过程，但是也能反映出一定的吸附机制。由图4可以看出两种树脂在整个过程中粒子呈现出多线性关系，第一阶段（1.8 h以内）呈线性，第二阶段（＞1.8 h）为非线性。LS-610B参数X（0.963）和BM3参数X（1.264）均大于0，由于X值是与边界层厚度成正比，所以第一阶段内外膜扩散是影响吸附的主要因素，吸附过程为次要的。第二阶段的非线性表明吸附过程是由多种扩散共同作用的结构，其中包括内扩散和外扩散[20-21]。

2.5 解吸动力学

图5为20℃时，LS-610B和BM3两种树脂对黑胡萝卜色素的解吸液浓度C随解吸时间t的变化曲线。

图5 LS-610B和BM3树脂在20℃时对黑胡萝卜色素的解吸动力学曲线Fig.5 Desorption of black carrot red color from LS-610B and BM3 resin at 20℃

由图5可以看出两种树脂的解吸都非常的快，均在0.5 h时达到平衡，但BM3的解吸量明显要高于LS-610B，再一次证明BM3的吸附量要高于LS-610B。

2.6 不同乙醇浓度对解吸效果的影响

图6为解吸剂体积为50 mL柠檬酸浓度为0.3%时，不同浓度乙醇对LS-610B和BM3两种树脂的解吸影响。

图6 乙醇浓度对LS-610B和BM3树脂解吸率的影响Fig.6 Effect of ethanol concentration on desorption ratio by LS-610B and BM3 resin

由图6可知，BM3明显比LS-610B解吸率要高，但两种树脂变化趋势相同，均是在乙醇浓度为65%时，洗脱率最高，50%～65%时，洗脱率随着乙醇水溶液浓度的增加而增加，65%～70%时，洗脱率又随着乙醇水溶液的溶度增加而降低。可能是由于洗脱液在乙醇浓度65%（含0.3%的柠檬酸）时的极性与黑胡萝卜中的色素极性最接近，从而有利于色素的溶解。同时工业上最常用的乙醇浓度为65%，因此确定乙醇浓度65%为最佳浓度值。

2.7 不同柠檬酸含量对解吸效果的影响

图7为解吸剂体积为15 mL、乙醇浓度为65%时，不同柠檬酸含量对LS-610B和BM3两种树脂解吸的影响。

图7 柠檬酸含量对LS-610B和BM3树脂解吸率的影响Fig.7 Effect of citric acid concentration on desorption ratio by LS610B and BM3 resin

由图7可以看出，BM3解吸率要高于LS-610B，柠檬酸的加入量对LS-610B树脂的解吸率的影响要大于BM3，LS-610B的解吸量随着柠檬酸含量的增加而增加，两种树脂都在柠檬酸含量0.3%时的解吸率最高。柠檬酸是天然水溶性色素，它作为添加剂符合国家安全标准；解吸液中加入柠檬酸使溶液成弱酸性环境能够增加色素的稳定性，也是终产品所需要存在的组分。参考工业上其他花青素的洗脱剂组成，最后确定柠檬酸的加入量为0.3%。

3 结论

树脂最佳吸附pH值为2.0，黑胡萝卜中色素的浓度越大吸附量会随之增加，在解吸中最佳的解吸剂组合为65%的乙醇水溶液（含0.3%的柠檬酸）。并且发现BM3能用Langmuir模型能很好地拟合，LS-610B能用Langmuir和Freundlich两种模型很好地拟合，两种树脂的拟一阶模型能更好的拟合静态动力学模型。BM3树脂的吸附容量和解吸率均高于LS-610B树脂，因此确定BM3树脂适合工业化生产。

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Study on Adsorption and Separation of Red Color from Daucus carota L.by Macroporous Resins

ZHAO Xin1，YU Yi-fan1，SU Wan-ying1，ERKEN A-mina1，WU Min1，CHANG Xiu-lian1，*，ZHAN Ya-li2
（1.School of Life Sciences，Yantai University，Yantai 264005，Shandong，China；2.Qingdao Pengyuan Kanghua Natural Products Co.，Ltd.，Laixi 266612，Shandong，China）

Acidic aqueous solution was used as the extractant for the extraction of red color from black carrot.Adsorption of black carrot red color onto six macroporous resins（LS-610B，BM3，D101，LSA-40，AB-8，LSA-305）was screened to develop a potential approach for large-scale production of black carrot red color，and two promising resins（LS-610B，BM3）were selected for the following static and dynamic adsorption/desorption experiments.Results showed that the optimal adsorption pH of the extracted solution was 2.0，the adsorption data of resin LS-610B could be well fitted both by Langmuir and Freundlich equations，with correlated coefficient of 0.979 9 and 0.974 0，respectively.The adsorption data of resin BM3 could be better fitted by Langmuir equation，with correlated coefficient of 0.966 2，exhibiting mono-layer adsorption mechanism，and them pseudo first-order model could describe the dynamic model better for the two resins，internal and external diffusion controlling the adsorption rate.The optimal desorption condition was 65%ethanol aqueous solution containing 0.3%citric acid.

macroporous resin；black carrot red color；adsorption；desorption；separation and purification

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.007

国家级星火计划项目（2014GA741008）；烟台大学研究生科技创新基金（YDYB1716）；烟台大学开放实验室

赵昕（1991—），女（汉），硕士研究生，研究方向：天然产物的分离提取。

*通信作者

2017-04-26