大孔吸附树脂纯化杏仁皮单宁工艺的研究

杜凯，马养民，2，郭林新，雷瑞

(1.陕西科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710021；2.陕西省轻化工助剂重点实验室，陕西 西安 710021)

杏仁为蔷薇科植物山杏Armeniacasibirica(L.) Lam.的种子，主要含有糖类、蛋白质、膳食纤维等营养成分[1]。杏仁产品已在食品、化妆品、润滑剂等行业大量生产。然而，杏仁皮作为杏仁加工过程中的副产品，通常被当作固体废物而丢弃。这不仅导致资源严重浪费而且对环境造成一定的污染。目前国内外关于杏仁皮的研究主要集中在油脂[2]、酚类[3]、维生素E[4]等方面，而关于杏仁皮单宁的研究报道较少。单宁是一类分子量为500～3 000 的多元酚类次生代谢产物。可以与多糖、蛋白质、生物碱生成沉淀[5]，且具有抗炎、抗癌、抗哮喘等药理活性[6]。已被广泛应用于皮革、胶黏剂、饮料制造、动物饲料等行业[7]，其市场需求量逐年增加。

常见的单宁纯化方法有：大孔吸附树脂法、膜分离法、萃取分离法、色谱法等。其中大孔吸附树脂法有成本低、耗能小、绿色、操作简单等诸多优点，已经被广泛应用于工业生产中。大孔吸附树脂根据其不同的型号规格，对欲分离物质有不同的吸附解吸性能。所以本文选取不同型号的大孔吸附树脂进行静态吸附及解吸的对比效果研究，找到适合纯化杏仁皮单宁的大孔吸附树脂，并考察上样浓度、上样流速、上样量对吸附性能的影响，乙醇浓度、洗脱流速、洗脱液用量对解吸性能的影响。从而建立一条绿色、环保、高效、操作简便的杏仁皮单宁纯化工艺路线，为杏仁皮单宁的后续研究提供数据支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

杏仁皮，由陕西天寿杏仁食品有限公司提供；X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附树脂均为优级纯；乙醇、醋酸锌、氨水、铬黑T、氯化铵、乙二胺四乙酸二钠均为分析纯。

HF200型酶标仪；R502B型旋转蒸发器；DK-98Ⅱ型电热恒温水浴锅；SHZ-Ⅲ型循环水式真空泵；HZQQ空气恒温振荡器；BS2202S电子秤；BS224S型分析天平。

1.2 实验方法

1.2.1 杏仁皮单宁粗品的制备 取干燥的杏仁皮粗粉于提取瓶中，加入50%的乙醇溶液(料液比为1∶22 g/mL)，在70 ℃下回流提取90 min，过滤，重复提取3次，合并滤液，将其真空浓缩后备用(单宁粗品纯度为9.97%)。

1.2.2 单宁含量的测定 采用络合法测定单宁含量[8]。将样品加水约至60 mL于35 ℃水浴温热15 min。精密移取4.00 mL 1.000 mol/L醋酸锌溶液于100 mL容量瓶中，加入2.80 mL氨水，摇匀使白色沉淀溶解，缓慢加入已预热的待测浓缩液，边加边摇，加完后继续振摇1 min，置原水浴保温30 min，间歇振摇数次，待反应完毕，冷却至室温，定容，混匀后过滤，精密移取滤液10.00 mL于锥形瓶中，并加入150 mL水、12.5 mL pH=10的NH3-NH4Cl缓冲溶液和3滴铬黑T指示剂。以0.026 31 mol/L EDTA·2Na滴定至溶液由酒红色变为蓝色。单宁含量按下式计算：

单宁含量=

其中，0.155 6指每毫升1 mol/L的醋酸锌溶液平均消耗单宁0.155 6 g；VZn为移取锌离子体积量，mL；CZn为锌离子物质的量浓度，mol/L；VEDTA为EDTA消耗体积，mL；CEDTA为EDTA浓度，mol/L；W为样品的质量，g。

1.2.3 大孔吸附树脂的预处理[9]称取适量X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附树脂，加入95%乙醇浸泡过夜，充分溶胀后，过滤，以大量蒸馏水冲洗至溶液无明显的白色浑浊且无醇味，加入5%HCl溶液浸泡8 h，过滤，用蒸馏水冲洗至溶液为中性，加入5%NaOH溶液浸泡8 h后用蒸馏水冲洗至溶液为中性，过滤，用蒸馏水浸泡保存备用。

1.2.4 大孔吸附树脂的筛选[9-10]分别称取1.0 g预处理好的5种大孔吸附树脂于100 mL锥形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL单宁溶液加入其中，置于摇床上恒温振荡(25 ℃、110 r/min)24 h吸附平衡后，测定溶液单宁含有量。过滤吸附液，用蒸馏水洗涤树脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等条件下振荡解吸24 h，测定解吸液单宁含有量。分别按式(1)～(3)计算吸附量、吸附率和解吸率。

(1)

(2)

(3)

式中Co——吸附前溶液的单宁含有量，g；

Ce——吸附平衡后溶液的单宁含有量，g；

Cd——解吸液的单宁含有量，g；

m——大孔吸附树脂的质量，g。

1.2.5 吸附与解吸动力学 称取HP-20型树脂1.0 g于100 mL锥形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL单宁溶液加入其中，置于摇床上恒温振荡(25 ℃、110 r/min)吸附12 h，平行24份，每隔1 h取1份测定溶液单宁含有量，过滤吸附液并用蒸馏水洗涤树脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等条件下振荡解吸12 h，每隔1 h取1份测定解吸液单宁含有量。绘制大孔吸附树脂静态吸附与解吸动力学曲线。

1.2.6 上样浓度对吸附的影响 称取HP-20型树脂1.0 g于100 mL锥形瓶中，移取20 mL不同单宁浓度(0.41，0.83，1.20，1.59，2.01 mg/mL)样液加入其中，置于摇床上恒温振荡吸附4 h，测定溶液单宁含有量。

1.2.7 乙醇浓度对解吸的影响 称取HP-20型树脂1.0 g于100 mL锥形瓶中，移取20 mL 1.20 mg/mL单宁溶液加入其中，置于摇床上恒温振荡吸附4 h，过滤吸附液并用蒸馏水洗涤树脂2次，加入30 mL不同乙醇浓度(40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%)解吸液振荡解吸3 h，测定解吸液单宁含有量。

1.2.8 上样流速对吸附的影响 称取HP-20型树脂10.0 g，湿法装入层析柱(2 cm×40 cm)，取3 BV 1.20 mg/mL单宁溶液分别以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)上样，收集流出液测定单宁含有量。

1.2.9 洗脱流速对洗脱的影响 按1.2.8节下吸附平衡后，取2 BV蒸馏水冲洗柱子，加入3 BV 70%乙醇溶液以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)洗脱柱子，收集流出液测定单宁含有量。

1.2.10 泄露曲线及洗脱曲线的绘制 称取HP-20型树脂10.0 g，湿法装入层析柱(1 cm×40 cm)，加入5 BV 1.20 mg/mL单宁溶液以1.0 BV/h的流速流过玻璃柱。每流出0.5 BV收集溶液并测定单宁浓度。当洗脱溶液的单宁浓度是初始单宁浓度的1/10时，说明树脂已经达到吸附平衡[11-12]。平衡后以2 BV蒸馏水冲洗柱子，用70%乙醇溶液以流速为1.5 BV/h洗脱。每流出0.5 BV收集洗脱液并测定单宁浓度。当洗脱液单宁浓度基本不变时，说明洗脱完毕。

2 结果与讨论

2.1 大孔吸附树脂的筛选

为了筛选出适合杏仁皮单宁纯化的大孔吸附树脂，选择了5种型号的大孔吸附树脂进行静态吸附及解吸实验。通常大孔吸附树脂的吸附率和解吸率越高，证明其吸附和解吸效果越好，越适合用于分离物质的纯化。

表1 5种大孔吸附树脂静态吸附及解吸结果Table 1 Results of static adsorption and desorption offive macroporous resins

由表1可知，S-8型大孔吸附树脂的吸附效果最好，吸附量达14.09 mg/g，吸附率达84.9%。其次是HP-20型大孔吸附树脂，吸附量为13.88 mg/g，吸附率为83.6%。但S-8型大孔吸附树脂的解吸率较差，只有60.8%；HP-20型大孔吸附树脂解吸率最好，达到90.7%。综合考虑，选择HP-20型大孔吸附树脂用于后续的杏仁皮单宁纯化实验。

2.2 静态吸附及解吸动力学

吸附速度是大孔吸附树脂吸附性能的一个重要参考指标[13]。

图1 HP-20型树脂静态吸附及解吸曲线Fig.1 Static adsorption and desorptioncurves of HP-20 resins

由图1可知，HP-20型树脂在1 h之内吸附量迅速增加，之后缓慢增加。经过4 h的吸附，吸附量趋于稳定，吸附达到平衡，所以最佳静态吸附时间为 4 h。HP-20型树脂在1 h之内解吸率急剧增加，3 h后解吸基本达到平衡，解吸率达到90.2%。因此，最佳静态解吸时间为3 h。

2.3 上样浓度对吸附的影响

由图2可知，单宁浓度对大孔吸附树脂吸附性能影响较大。随着单宁浓度的增加，吸附率先上升后下降。在杏仁皮单宁浓度为0.41 mg/mL时，吸附率仅为73.6%；当单宁浓度为1.20 mg/mL时，吸附率达到92.7%；当单宁浓度>1.20 mg/mL后，吸附率迅速下降。这是因为当上样液的单宁浓度增加时，单宁分子增多，这有助于单宁分子扩散到树脂中，达到吸附率上升的效果；但当浓度达到一定程度时，超过了树脂吸附能力，从而使得吸附率降低。所以，上样液单宁浓度选择1.20 mg/mL为宜。

图2 单宁浓度对HP-20型树脂吸附率的影响Fig.2 Effect of tannins concentration onadsorption ratio of HP-20 resins

2.4 乙醇浓度对解吸的影响

由图3可知，当洗脱液的乙醇浓度为40%～70%时，解吸率随乙醇浓度的增大而升高；乙醇浓度为70%时，解吸率达到最高，为91.3%；乙醇浓度>70%时，解吸率有降低趋势。综合考虑，选择70%乙醇溶液作为洗脱液。

图3 乙醇浓度对HP-20型树脂解吸率的影响Fig.3 Effect of ethanol concentration on desorptionratio of HP-20 resins

2.5 流速对吸附及解吸的影响

由图4可知，上样流速越快，吸附率越低。当上样流速为0.5～1.0 BV/h时，吸附率均较高；当上样流速>1.0 BV/h时，吸附率急剧下降。因此，选择 1 BV/h作为上样流速。当洗脱液流速<1.5 BV/h时，解吸率均在90%以上，且变化不大；当洗脱液流速>1.5 BV/h时，解吸率迅速下降。综合考虑，选择1.5 BV/h作为洗脱液流速。

图4 流速对HP-20型树脂吸附及解吸率的影响Fig.4 Adsorption and desorption ratios ofHP-20 resin at different flow rates

2.6 泄露及洗脱曲线的绘制

由图5可知，在泄露曲线中，当上样量为4 BV时，流出液的单宁浓度为0.12 mg/mL，是上样浓度的1/10，表明此时达到了动态吸附平衡。从洗脱曲线中可知，单宁主要集中在0～2 BV的流出液，3 BV洗脱液就可以将树脂洗脱完毕。因此，上样量确定为4 BV，洗脱液用量确定为3 BV。

图5 HP-20型树脂泄露及洗脱曲线Fig.5 Leakage and elution curves of HP-20 resin

2.7 验证实验

称取HP-20型树脂10.0 g，湿法装入层析柱(2 cm×40 cm)，加入4 BV 1.20 mg/mL单宁溶液以1.0 BV/h的流速进行吸附。吸附平衡后以2 BV蒸馏水冲洗柱子，用3 BV 70%乙醇溶液以流速为1.5 BV/h 进行洗脱。收集洗脱液，浓缩干燥，测定单宁含量。重复3次，取平均值，结果见表2。

表2 验证实验结果(n=3)Table 2 Results of verification tests

由表2可知，杏仁皮单宁纯度从纯化前的9.97%提高到了32.58%，表明该工艺纯化效果良好。

3 结论

本研究比较了5种大孔吸附树脂对杏仁皮单宁的吸附解吸性能，考察了上样浓度、上样流速、上样量、乙醇浓度、洗脱液用量、洗脱流速等因素对纯化效果的影响。结果显示HP-20型树脂分离纯化效果最好，且最佳上样液单宁浓度为1.20 mg/mL、上样流速为1 BV/h、上样量为4 BV、洗脱液为70%乙醇溶液、洗脱液用量为3 BV、洗脱流速为1.5 BV/h。在此条件下，杏仁皮单宁纯度由9.97%提高到32.58%。本研究首次从杏仁皮分离纯化得到单宁，纯化工艺稳定可靠，为后续有效利用杏仁皮单宁提供理论基础。