制备柿单宁金属吸附剂的柿属植物种质筛选

易庆平，闵慧玉，樊睿怡，张青林，罗正荣

(1.荆楚理工学院 生物工程学院，湖北荆门 448000；2.华中农业大学 园艺植物生物学教育部重点实验室，武汉 430070；3.荆门市格林美新材料有限公司，湖北荆门 448124)

中国是柿(DiospyrosL.)的原产地和柿属植物的原产中心之一。在中国分布的柿属植物中，柿是作为果树栽培的代表种。此外，还有用于提取柿单宁的油柿(D.oleifera)，用作栽培柿砧木的君迁子(D.lotus)等近缘种[1]。中国是世界上最早利用柿单宁的国家，柿单宁具有防水、防腐、防虫蛀以及染色等功效[2]。一般以未成熟柿果或加工后废弃的柿皮等为原料，经清洗、榨汁、发酵、酶解、过滤、浓缩等步骤制得的柿单宁溶液或干粉。柿单宁富含酚羟基，对金属离子具有吸附能力，作为一种来源丰富、环境友好的天然高分子吸附材料，其应用前景引起广泛关注[3-4]。已报道的柿单宁金属吸附剂有单宁酚醛树脂、单宁接枝胶原纤维/壳聚糖材料及负载含氮、硫功能基团的衍生物，吸附对象包括重金属[5-7]、放射性元素[8-9]和贵金属[10-13]。中国柿属植物种质资源最为丰富，不同类型的柿果被用作提取柿单宁的原料，但评价和筛选不同柿属植物单宁优质种质资源用作金属吸附剂的研究鲜见报道[14-15]。本研究以7份代表性的中国特产柿属植物为对象，采用Folin-Ciocalteu法测定不同种质和不同发育时期果实单宁质量分数，并以柿果粉为原料采用硫酸交联法制备出柿单宁金属吸附剂，通过比较其对贵金属Au(III)的吸附能力，试图筛选出适合用于制备柿单宁金属吸附剂的专用种质及其采样时期，以期为柿属植物单宁功能化产品开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试材分柿(D.kakiThunb.)和油柿(D.oleifera)两种，包括主栽涩柿品种‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盘柿’(D.kakiThunb.)、珍稀特色种质‘黑柿’(D.kakiThunb.)、中国甜柿‘鄂柿1号’(D.kakiThunb.)和日本甜柿‘阳丰’(D.kakiThunb.)以及油柿(D.oleifera)的一个单株共7份，采取盛花后140 d未成熟的果实供试。此外，采取盛花后35、70、105、140、175 d的油柿果实用于比较不同发育时期的单宁质量分数及其制备柿单宁金属吸附剂的效果。以上样品全部采自华中农业大学柿圃。采集后的柿果洗净、切片去核、真空冷冻干燥后，采用破碎机磨成细粉，过60目网筛-80 ℃保存，备用。

1.2 单宁质量分数测定

参考Oshida等[16]Folin-Ciocalteu 法测定柿可溶性和不溶性单宁质量分数。柿果总单宁质量分数为可溶性和不溶性单宁质量分数的总和。

1.3 吸附剂制备

含柿单宁的金属吸附剂制备采用硫酸交联法[17]稍有修改。具体方法：取5 g柿粉，加10 mL浓硫酸在80 ℃温度下交联固化24 h，用NaHCO3中和后蒸馏水洗至中性，烘干，研磨后过60目网筛，备用。

1.4 吸附试验

金是非常典型的贵金属，在手机、电脑印刷电路板等电子废弃物中具有很高的含量，具有极高的回收价值[4]。本研究以Au(III)为代表性金属离子用于评价7种不同柿种质制成的金属吸附剂的吸附能力。将HAuCl4·4H2O配制成5 000 mg/L的Au(III)溶液，备用。

1.4.1 不同原料和不同发育时期制备的吸附剂对Au(III) 的吸附能力差异 20 mg不同类型柿种质以及油柿不同发育时期柿粉制成的吸附剂分别与20 mL含0.1 mol/L HCl、初始质量浓度为600 mg/L Au(III)离子溶液混合，在MAXQ-4000恒温气浴摇床(美国Thermo公司)中30 ℃以200 r/min振荡反应24 h。

1.4.2 不同吸附时间对吸附剂吸附Au(III)效果的影响 20 mg油柿(盛花后140 d)制备的吸附剂分别与20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始质量浓度为600、1 800 mg/L Au(III)离子溶液混合，30 ℃振荡，按照一定时间间隔取样(5～2 880 min)。

1.4.3 不同初始溶液质量浓度对吸附剂吸附Au(III)效果的影响 20 mg油柿(盛花后140 d)制备的吸附剂分别与20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始质量浓度分别为600、1 200、1 800、2 400、3 000 mg/L Au(III)离子溶液混合，分别于30、40、50 ℃温度下振荡24 h。

“1.4.1”、“1.4.2”和“1.4.3”吸附试验均重复3次，过滤后用Spectra AA 220原子吸收光谱仪(美国VARIAN公司)测定吸附前后金属离子质量浓度。计算吸附率(%)或平衡吸附量qe(mg/g)。

吸附率=(Ci-Ce)/Ci×100%

qe=(Ci-Ce)/W×V

式中：qe为平衡吸附量(mg/g)、Ci与Ce分别为吸附前后金属离子溶液的质量浓度(mg/L)，W与V分别为吸附剂用量(mg)和溶液体积(mL)。

进一步采用Langmuir[18]和Freundlich[19]2种等温线方程对试验数据进行线性拟合。

Ce/qe=(Ce/qm)+(1/bqm)

lnqe=lnKF+(1/n)lnCe

式中：Ce为溶液平衡质量浓度(mg/L)，qe和qm分别为平衡吸附量的试验值(mg/g)和理论最大值(mg/g)，b为Langmuir吸附平衡常数(L/mg)。kF和n为Freundlich常数，分别指吸附能力和吸附强度。一般认为1

2 结果与分析

2.1 不同柿种质的单宁质量分数差异及其对金吸附的影响

表1显示，同一时期不同柿属植物的柿单宁质量分数差异较大，油柿的单宁质量分数最高，涩柿品种的质量分数明显高于甜柿。油柿‘磨盘柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’的总单宁质量分数均在12%以上，油柿远大于其他柿属植物。由图1可以看出，单宁质量分数最高的油柿具有最大吸附率，吸附率达94.9%，吸附率稍低的分别为涩柿‘恭城水柿’(85.5%)‘磨盘柿’(84.5%)和‘黑柿’(82.2%)，而单宁质量分数最低的日本甜柿‘阳丰’吸附率最低，仅67.6%。不同柿种质原料制成的吸附剂对Au(III)的吸附率与单宁质量分数的变化存在正相关，可见吸附剂原料柿单宁质量分数对金的吸附率影响很大。在这些柿种质中，油柿的单宁质量分数最高，可以作为优先选择制备单宁吸附剂的原料，涩柿‘磨盘柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’也可以作为制备吸附剂的备选柿种质。

表1 7种柿属植物柿果单宁质量分数Table 1 Tannin mass fraction of fruit in 7 genotypes of Diospyros L. %

图1 不同柿种质吸附剂对Au(III)的吸附效果Fig.1 Adsorption rate of Au(III) using adsorbents derived from different persimmon germplasm

2.2 油柿不同发育时期单宁质量分数及其对Au(III)吸附的影响

由图2可知，在整个发育时期单宁质量分数均较高，盛花后35～140 d总单宁质量分数均在27%以上，盛花后70 d时达最高值30.60%，盛花后175 d随着果实成熟软化其单宁质量分数下降至19.28%。由图3可知，盛花后35～140 d柿果吸附剂对Au(III)的吸附率均很高，吸附率为93.8%～96.2%，而盛花后175 d油柿已经开始软化成熟，制得的吸附剂对Au(III)的吸附率降至86.4%。考虑到柿果发育的大小和果实质量因素，适宜的油柿采样时期推荐为盛花后140 d。因此，以下试验采用的吸附剂是盛花后140 d油柿浓硫酸交联固化制备的吸附剂，进行动力学与等温线吸附试验评价其对Au(III)的吸附性能。

图2 油柿不同发育时期柿果单宁质量分数Fig.2 Tannin mass fraction of D.oleifera at different developmental stages

2.3 以油柿果实为原料的金属吸附剂对Au(III)的吸附动力学

图4所示不同吸附剂时间(5～2 880 min)对油柿吸附剂吸附Au(III)的影响。吸附动力学曲线表明，在不同初始质量浓度下吸附剂对Au(III)的吸附过程均比较缓慢，随着时间的延长，吸附率缓慢上升。原因在于柿单宁酚羟基和Au(III)存在氧化还原反应，反应过程较慢[21]。当Au(III)初始质量浓度为600 mg/L 36 h后该吸附剂对Au(III)能实现100%完全吸附。当Au(III)初始质量浓度为1 800 mg/L时，吸附时间为36 h和48 h时的吸附率分别为60.1%和71.2%。若延长吸附时间吸附率还会有所增加。

2.4 以油柿果实为原料的金属吸附剂对Au(III)的吸附等温线

图 5 所示不同初始离子质量浓度(600～3 000 mg/L)对油柿吸附剂吸附Au(III)的影响。随着离子质量浓度的增加，最初吸附量上升很快，之后随着Au(III)离子初始质量浓度的增加，吸附量缓慢增加，最终达到一个接近稳定的饱和吸附容量。50 ℃温度下吸附剂对Au(III)吸附量明显高于其他温度，随初始质量浓度增加还能大幅增加，说明该吸附过程是吸热的，升高温度可大幅提高吸附容量。

图3 不同发育时期油柿吸附剂对Au(III)的吸附效果Fig.3 Adsorption rate of Au(III) of D.oleifera adsorbents at different developmental stages

图4 油柿吸附剂对Au(III)吸附动力学Fig.4 Adsorption kinetics for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

从图6和表2可知，与Freundlich拟合结果相比，Langmuir方程的相关系数(R2)更高，达到0.99以上，这表明吸附过程符合Langmuir单分子层吸附模型，说明吸附过程为单分子层吸附。根据Langmuir拟合计算出在30、40、50 ℃的理论最大吸附容量分别为1 292.0、1 353.2、1 647.5 mg/g。Freundlich拟合得到的常数n值为4.726～11.806，说明吸附反应均容易发生。

图5 油柿吸附剂对Au(III)吸附等温线Fig.5 Adsorption isotherms for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

图6 吸附剂对吸附Au(III)的(a)Langmuir和(b)Freundlich线性拟合Fig.6 Linear fitting of adsorption isotherms of Au(III)(a) Langmuir (b) Freundlich

温度/℃TemperatureLangmuirqm /(mg/g)b/(L/mg)R2FreundlichKFnR2301 292.0 0.007 9 0.996 8254.2 4.726 0.986 7401 353.2 0.012 8 0.996 7650.0 10.834 0.958 3501 647.50.013 30.991 2824.7 11.8060.900 8

3 讨 论

中国原产的栽培柿品种多为涩柿。涩柿成熟后软化，其传统用途为鲜食或制作柿饼，加之深加工技术滞后，严重制约了中国柿产业的发展。柿单宁具有特殊的生理生化活性，已广泛应用于医学、食品工业、制革工业、日化工业、冶金工业、环境污染治理等领域[22-23]。这些新用途为单宁含量极高的柿种质开辟了前景，具有较为广泛的应用价值和潜在市场。

柿单宁的单体构成类型、聚合度数量以及聚合物的分布是变化的，它们会随着品种和发育时期的差异而有所不同[24]。夏宏义等[25]测定不同类型12个柿品种果实生长发育过程中缩合单宁质量分数的变化，发现柿果实的生长发育进程中单宁质量分数盛花后35～50 d达到最高水平，随后逐渐降低，但不同类型柿间总含量及变化幅度存在较大差异。韩卫娟等[26]研究柿果实中可溶性单宁质量分数的年变化发现，不同品种果实可溶性单宁质量分数均在生长初期最高，随着果实的生长发育而逐渐降低。本研究所采用的7种柿属植物虽然数量不多，但极具代表性，‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盘柿’分别为陕西、广西、河北等中国涩柿主产区主栽品种，栽培面积大、产量高。油柿在湖南、江西、浙江等地作为柿栲胶原料广泛栽培。该研究柿种质柿果单宁质量分数的变化规律与夏宏义等[25]和韩卫娟等[26]研究结果基本一致。今后还可以进一步丰富并扩大柿属植物如‘君迁子’ ‘美洲柿’ ‘野柿’等的种类以及采样时期，建立和完善柿属植物单宁资源的测定标准和评价体系，为促进柿单宁功能化产品开发和柿产业可持续发展提供科学依据。

柿单宁来源丰富、成本低、富含酚羟基、易于制备，是一种应用前景广阔的生物吸附材料。本研究结果表明吸附剂原料中柿单宁质量分数的多少对金吸附率影响很大，不同柿种质吸附剂对金属离子Au(III)吸附率与单宁质量分数的变化存在正相关性。未经提取纯化的油柿柿果单宁质量分数高达27%，通过浓硫酸交联得到的吸附剂对Au(III)吸附能力强，不同温度下吸附容量均在1 200 mg/g以上，与其他生物吸附剂相比吸附量很高[27]。该方法具有简单易行、成本低、效率高等优点，可应用于电子废弃物循环回收稀贵金属和环境工程领域。因此，有必要对中国油柿的分布、产区及产量等进行调查和评估，以便更好地开发利用油柿这一宝贵资源，以油柿为制备吸附剂的原料，开发新型高效的柿单宁金属吸附剂，为柿单宁吸附材料的产业化应用奠定基础。