大孔树脂纯化柿子黄色素工艺优化

谢三都，方豪，黄东东

(1.闽南科技学院 生命科学与化学学院，福建 泉州 362332；2.厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361024；3.福建农林大学 食品科学学院，福州 350002)

柿(DiospyroskakiL.)[1]又名朱果、米果、猴枣[2]，为双子叶植物柿树科(Ebenceae)柿树属(Dispryosl)中最常见的栽培植物，以柿果为原料制备柿子黄色素是柿子深加工产业的一条新途径[3]。溶剂法是提取植物色素最常见的方法之一[4]，但采用溶剂法提取色素时，植物细胞中还存在多种成分溶出，导致植物色素溶液含有大量杂质而影响其应用[5-6]。为了改善天然色素的纯度、稳定性和着色性能，必须在工艺中引入分离纯化技术进行精制。目前，大孔树脂纯化技术是植物色素最常用的纯化技术之一[7]。大孔吸附树脂法是根据吸附性和分子筛原理将具有一定极性的有机大分子物质进行分离，该方法具有吸附选择性好、处理容量大、再生简便、解吸条件温和、使用周期长、成本低等优点[8]，适合于工业化生产[9]。周业丰等[10]报道了采用大孔树脂纯化红枣色素工艺条件，筛选出的X-5型大孔树脂对枣皮红色素有良好的吸附与解吸性能，适用于红枣色素的批量纯化。赵昕等[11-12]研究了大孔树脂分离纯化黑胡萝卜红色素，筛选出吸附和解吸性能均较好的BM-2树脂。娄涛涛等[13]采用X-5大孔树脂纯化黑枸杞色素，其纯化色素产率可达7.33%，色素质量较好，色价为21.7，重复性较好，适合于工业化生产。

本文以永定柿子为原料采用微波辅助乙醇溶剂法提取柿子黄色素，通过研究大孔树脂的静态吸附与解吸、动态吸附与解吸的工艺参数，研究了大孔树脂纯化柿子黄色素的工艺条件，以期为柿子黄色素的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：永定柿子，永定县百贰岁红柿专业合作社提供；AB-8树脂、HPD600树脂，郑州勤实科技有限公司；201×7树脂，廊坊中水化工有限公司；HP-20树脂，北京绿百草科技发展有限公司。

试剂：蒸馏水、95%乙醇、磷酸缓冲液等，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-2802S紫外可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司；电子精密天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；SBS-160自动收集器、HL-2S恒流泵、Φ1.6 cm×50 cm玻璃层析柱 上海沪西分析仪器厂有限公司；EG823LC2-NA型美的微波炉 美的微波电器制造有限公司；SHB-III循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 柿子黄色素提取液的制备

将柿子洗净后去核，捣成泥状，以95%乙醇溶液配制成料液比为1∶3(g/mL)，准确称取20.0 g样品，经240 W微波处理90 s后，过滤、离心(5000 r/min，10 min)后获得柿子黄色素溶液。

1.3.2 树脂的预处理和再生

参照彭彬[14]关于大孔树脂的预处理方法和再生方法处理大孔树脂。

1.3.3 大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附及解吸

1.3.3.1 不同型号大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附率

经预处理过的大孔树脂，晾干表面水分，分别称取AB-8树脂、HPD600树脂、201×7树脂、HP-20树脂各8.000 g于锥形瓶中，加入50 mL柿子黄色素溶液，封口、室温下避光放置，分别于1，2，3，4，5 h后吸取上清液于波长为451 nm处[15]测定吸光值A，比较不同型号的大孔树脂对柿子黄色素的吸附性能，吸附率按以下公式计算[16]：

式中：Qra为大孔树脂对柿子黄色素的吸附率，%；A0为吸附前柿子黄色素溶液在451 nm处的吸光值，A0=0.281；A1为吸附后柿子黄色素溶液在451 nm处的吸光值。

1.3.3.2 不同柿子黄色素浓度对大孔树脂静态吸附率的影响

不同浓度柿子黄色素的制备：以柿子黄色素提取液为原柿子黄色素浓度的100%，加95%乙醇稀释为25%、50%、75%等浓度的柿子黄色素溶液。

准确称取201×7树脂8.000 g于100 mL锥形瓶中，分别加入浓度为25%、50%、75%、100%的柿子黄色素溶液各50 mL，封口、室温下避光放置24 h后，吸取上清液于451 nm处测定各吸光度值A，按1.3.3.1中的吸附率计算公式，测定吸附前后柿子黄色素溶液的吸附率。

1.3.3.3 不同pH对大孔树脂静态吸附率的影响

准确称取201×7树脂8.000 g于100 mL锥形瓶中，分别加入经pH 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0缓冲液调节的柿子黄色素溶液各50 mL，封口、室温下避光放置24 h后，吸取上清液于451 nm处测定各吸光度值A，按1.3.3.1中的吸附率计算公式，测定吸附前后柿子黄色素溶液的吸附率。

1.3.3.4 不同温度对大孔树脂静态吸附率的影响

准确称取201×7树脂8.000 g于100 mL锥形瓶中，加入经pH 3.0缓冲液调节的柿子黄色素溶液0 mL，封口，分别于30，40，50 ℃的温度下避光放置，分别于1，2，3，4，5，6 h后吸取上清液于451 nm处测定各吸光度值A。记吸附前色素液吸光值为A0，吸附后吸光值为A1，考虑到温度对柿子黄色素稳定性的影响，以不加树脂的柿子黄色素溶液为对照，其吸光值记为A2，则温度对大孔树脂的静态吸附率有理论吸附率和实际吸附率两种，按以下公式计算[17]：

1.3.3.5 不同洗脱剂pH对柿子黄色素解吸率的影响

准确称取吸附了柿子黄色素的201×7树脂4.000 g，加入以盐酸调节pH 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0的65%乙醇溶液作为洗脱剂各25 mL，封口、室温下避光放置30 min，过滤，取滤液于451 nm处测定其吸光度，并按以下公式计算大孔树对柿子黄色素的解吸率[18]：

式中：Qrd为大孔树脂对柿子黄色素的解吸率，%；A0为吸附前柿子黄色素溶液在451 nm处的吸光值，A0=0.122；Aa为吸附后柿子黄色素溶液在451 nm处的吸光值，Aa=0.010；Ad为解吸后的柿子黄色素溶液在451 nm处的吸光值。

1.3.3.6 不同乙醇浓度对柿子黄色素解吸率的影响

准确称取吸附了柿子黄色素的201×7树脂4.000 g，分别加入浓度为40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液及对应乙醇浓度的酸化乙醇(含0.054%盐酸、0.1%柠檬酸)各25 mL，封口、室温下避光放置30 min，过滤，取滤液于451 nm处测定其吸光度，按1.3.3.5中解吸率的计算公式研究不同乙醇浓度对大孔树脂解吸率的影响。

1.3.4 大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附及解吸

1.3.4.1 流速对大孔树脂动态吸附性能的影响

准确称取经预处理的201×7树脂10.000 g，湿法上柱。用恒流泵控制流速分别为6，10，16，21 BV/h，使柿子黄色素溶液上柱吸附(上柱液)，用自动部分收集器收集流出液，每管5 mL。流出液在451 nm处测定其吸光值，当吸光度值达到上柱液吸光度值的10%时，即认为达到泄露点，记录泄露点(V，mL)、处理时间(T，h)，计算流速对大孔树脂处理柿子黄色素的动态吸附率。

1.3.4.2 色素浓度对大孔树脂动态吸附性能的影响

准确称取经预处理的201×7树脂10.000 g，湿法上柱。控制流速为6 BV/h，将浓度分别为25%、50%、75%、100%的柿子黄色素溶液上柱吸附，用自动部分收集器收集流出液，每管5 mL。流出液在451 nm处测定其吸光值，当吸光度值达到上柱液吸光度值的10%时，记录泄露点(V，mL)、处理时间(T，h)，计算柿子黄色素浓度对大孔树脂处理柿子黄色素的动态吸附率。

1.3.4.3 洗脱速度对大孔树脂动态解吸性能的影响

准确称取经预处理的201×7树脂10.000 g，湿法上柱。柿子黄色素以流速为6 BV/h上柱吸附至饱和，用流速为2 BV/h的蒸馏水冲洗树脂柱床后，以100 mL 60%乙醇洗脱剂分别按6，10，16，21 BV/h的流速洗脱，计算不同洗脱速度对大孔树脂动态解吸率的影响。

1.3.4.4 洗脱剂用量对大孔树脂动态解吸性能的影响

准确称取经预处理的201×7树脂10.000 g，湿法上柱。柿子黄色素以流速为6 BV/h上柱吸附至饱和，用流速为2 BV/h的蒸馏水冲洗树脂柱床后，以60%乙醇溶液作为洗脱剂，控制洗脱液流速为6 BV/h，控制洗脱剂用量分别为2，4，6，8，10，12，14 BV，计算不同洗脱剂用量对大孔树脂动态解吸率的影响。

2 结果与分析

2.1 大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附及解吸

2.1.1 不同型号树脂对柿子黄色素静态吸附率的影响

由图1可知，随着吸附时间的延长，201×7树脂、AB-8树脂和HP-20树脂对柿子黄色素的吸附率逐渐增加，而HPD600树脂对柿子黄色素的吸附率逐渐下降。对比201×7树脂、AB-8树脂和HP-20树脂这3种树脂对柿子黄色素的吸附率高低可知，201×7树脂的吸附效果最好。

图1 不同型号树脂对柿子黄色素的静态吸附率Fig.1 The static adsorption rates of persimmon yellow pigments treated by different types of resins

2.1.2 不同柿子黄色素浓度对大孔树脂静态吸附率的影响

由图2可知，随着柿子黄色素浓度的增加，大孔树脂对柿子黄色素的吸附率先增加后下降。当柿子黄色素浓度为50%时，吸附率达到最大值，为64.21%。柿子黄色素浓度增加，可能是由于色素颗粒的抱团，导致粒径加大，不利于树脂的吸附而使得吸附率下降。因此，大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附过程中，柿子黄色素宜维持在50%左右。

图2 不同柿子黄色素浓度对大孔树脂静态吸附率的影响Fig.2 Effect of concentration of different persimmon yellow pigments on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.3 不同pH对大孔树脂静态吸附率的影响

由图3可知，当pH值增加至3.0时，大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附率达到最高值，为84.34%；pH值低于或高于3.0，吸附率均呈下降趋势。因此，采用201×7树脂对柿子黄色素进行静态吸附，宜调整pH为3.0，有利于吸附。

图3 不同pH对大孔树脂静态吸附率的影响Fig.3 Effect of different pH values on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.4 不同温度对大孔树脂静态吸附率的影响

由图4可知，实际吸附率一般会比理论吸附率稍大。对比温度和吸附时间可知，在吸附温度为40 ℃、吸附时间为6 h时，树脂对柿子黄色素的静态实际吸附率最高，为98.85%；升温有利于色素颗粒的吸附，但温度过高可能导致色素颗粒的热运动激烈反而不利于树脂对色素颗粒的稳定吸附。

图4 不同温度对大孔树脂静态吸附率的影响Fig.4 Effect of different temperatures on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.5 不同洗脱剂的pH值对柿子黄色素解吸率的影响

由图5可知，随着洗脱剂的pH从1.0增加至5.0，柿子黄色素解吸率呈先升后降的趋势。当pH为2.0时，解吸率达到最大值，为13.37%；继续升高pH，其解吸率反而下降，不利于色素颗粒脱离大孔树脂。

图5 不同洗脱剂的pH值对柿子黄色素解吸率的影响Fig.5 Effect of different eluents＇ pH values on the desorption rates of persimmon yellow pigments

2.1.6 不同乙醇浓度对柿子黄色素解吸率的影响

由图6可知，对201×7树脂吸附的柿子黄色素颗粒解吸率最高的为60%乙醇溶液，解吸率为19.64%；酸化乙醇对柿子黄色素颗粒的解吸在特定浓度上有强化效果，但并非解吸效果最佳的状态，即酸化乙醇无助于提升柿子黄色素的解吸率。

图6 不同乙醇浓度对柿子黄色素解吸率的影响Fig.6 Effect of different ethanol concentration on the desorption rates of persimmon yellow pigments

2.2 大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附及解吸

2.2.1 流速对大孔树脂动态吸附性能的影响

由图7可知，随着流出液量的增加，201×7型号的大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附率逐渐下降。当流出液量在150 mL范围内时，流速的变化对柿子黄色素的动态吸附率影响并不明显，各流速下的吸附率差别不大；但流出液量大于150 mL后，流速对柿子黄色素的动态吸附率的影响显现，随着流速的增加，吸附率下降速度加快。针对这一特点，201×7型号的大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附可采用变流速的吸附过程：前期采用高速21 BV/h提高吸附速度；后期采用低速6 BV/h提升吸附率。

图7 不同流速对柿子黄色素动态吸附率的影响Fig.7 Effect of different flow rates on the dynamic adsorption rates of persimmon yellow pigments

2.2.2 柿子黄色素浓度对大孔树脂动态吸附性能的影响

由图8可知，高浓度的柿子黄色素溶液并不利于大孔树脂对色素颗粒的吸附。因此，选择25%柿子黄色素溶液上柱吸附。

图8 不同柿子黄色素浓度对动态吸附率的影响Fig.8 Effect of different concentration of persimmon yellow pigments on the dynamic adsorption rates

2.2.3 洗脱速度对大孔树脂动态解吸性能的影响

由图9可知，以60%乙醇溶液作为洗脱剂，当流出液量为40 mL时，各洗脱速度对柿子黄色素的动态解吸率均为最高。其中，以6 BV/h的洗脱剂流速的解吸率最高，为99.96%，被吸附的柿子黄色素颗粒几乎被洗脱。因此，201×7型号的大孔树脂对柿子黄色素进行动态解吸时，洗脱剂流速宜选择6 BV/h。

图9 不同洗脱速度对柿子黄色素动态解吸率的影响Fig.9 Effect of different elution flow rates on the dynamic desorption rates of persimmon yellow pigments

2.2.4 洗脱剂用量对大孔树脂动态解吸性能的影响

由图10可知，在控制流速为6 BV/h的条件下，洗脱剂用量为 4 BV时，洗脱剂对柿子黄色素的动态解吸率最高,为46.32%。因此，对201×7型号的大孔树脂吸附的柿子黄色素颗粒洗脱时，洗脱剂用量宜选择4 BV。

图10 不同洗脱剂用量对柿子黄色素动态解吸率的影响Fig.10 Effect of different eluent amount on the dynamic desorption rates of persimmon yellow pigments

3 结论

由大孔树脂对柿子黄色素的吸附率可知，201×7型号的大孔树脂比AB-8、HP-20、HPD600这3种型号的大孔树脂对柿子黄色素的吸附效果好。

大孔树脂对柿子黄色素的静态吸附与解吸条件分别为：采用201×7型号的大孔树脂，以50%柿子黄色素溶液为吸附液并调pH为3.0，在温度为40 ℃条件下放置6 h，吸附效果最好，吸附率达到98.85%；采用60%乙醇溶液对吸附柿子黄色素颗粒的大孔树脂进行解吸，解吸率可达19.64%。

大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附与解吸条件分别为：采用201×7型号的大孔树脂，以25%柿子黄色素溶液并调pH至3.0为上柱液，流出液量低于150 mL时采用流速为21 BV/h，流出液量高于150 mL时采用速度为6 BV/h，201×7型号的大孔树脂对柿子黄色素的动态吸附率可达到90.00%以上；采用60%乙醇溶液作为洗脱剂，洗脱剂流速为6 BV/h，洗脱剂用量为4 BV对被大孔树脂吸附的柿子黄色素颗粒进行动态解吸，解吸率达到46.32%。