大孔樹脂對馬尾松樹皮原花青素的吸附分離特性

于立梅，曾曉房，陳海光，白衛東

（仲愷農業工程學院輕工與食品學院，廣東廣州510225）

大孔樹脂對馬尾松樹皮原花青素的吸附分離特性

于立梅，曾曉房，陳海光，白衛東

（仲愷農業工程學院輕工與食品學院，廣東廣州510225）

選對馬尾松樹皮原花青素具有較好吸附和解吸能力的大孔吸附樹脂，測定不同溫度時的吸附等溫線和不同起始濃度下的吸附動力學曲線等,研究幾種大孔吸附樹脂對馬尾松樹皮原花青素吸附過程的吸附動力學特征。并確定其最佳吸附及脫附條件。結果表明：LSA-10型弱極性大孔吸附樹脂對馬尾松樹皮原花青素有較好的吸附和解吸效果。動力學結果表明：吸附平衡數據符Freundlich吸附等溫方程、Langmuir平衡吸附速率方程,相關性均良好。最佳吸附條件為：pH值7,上樣流速為1 mL/min，上樣濃度10 mg/mL～12.5 mg/mL，洗脫流速為1.5 mL/min，研究結果對優化原花青素的分離純化工藝有一定的指導作用。

馬尾松樹皮；原花青素;大孔吸附樹脂;吸附動力學

Abstract:Screen the macroporous adsorption resin with better adsorption and desorption ability on Proanthocyanidins from Pinus massoniana's Bark.Determine the adsorptive equilibrium curve at different temperatures and adsorptive dynamic curve under the different beginning concentrations to study the adsorptive thermodynamics and dynamics of adsorption of procyanidins onto macroporous resin,and ascertian its optimum adsorption and desorption condition.The results showed that the LSA-10 with a high adsorption quantity and desorption rate to compared static and dynamic absorption performance with four types of coarse adsorption resin.The dynamics result shows the adsorptive balance data correlate well to Freundlich equation and Lagergren equation.The relativities among them are all good.The best seperation and purification could be obtained while the sample loading and eluting flow rate are 1 mL/min,1.5 mL/min and pH 7 respectively.The experimental results indicate that the model can be used to guide the optimization of operation conditions for the chromatographic separation andpurification of procyanidins in a macroporous resin column.

Key words：Pinus massoniana's Bark;Proanthocyanidins;microporous resins;adsorptive dynamics

原花青素（procyanidins，簡稱PC）是植物界中廣泛存在的一大類多酚化合物的總稱。由不同數量的兒茶素或表兒茶素結合而成，主要以低聚原花青素（OPC’s）存在。PC具有血管活性、強抗氧化性和清除自由基的能力,在體內其抗氧化、清除自由基的能力是VE的50倍、VC的20倍,并廣泛應用于食品、飲料、化妝品及保健用品等領域[1-2]。對于PC的提取、分離及純化已有了廣泛的研究,但馬尾松樹皮中PC鮮見報道。目前的溶劑萃取、膜過濾、反滲透及色譜法均曾用于PC的分離富集,但它們均存在局限性,不能用于規模性工業生產[3]。大孔吸附樹脂具有性質穩定、選擇性強、處理量大、再生方便等優點，已經在天然產物工業化提取分離中得到廣泛應用。根據馬尾松樹皮原花青素的性質特點，選擇合適的大孔樹脂，可以為純化、分離及活性的研究奠定基礎，為馬尾松樹皮原花青素的工業化生產提供理論參考。

1 儀器、材料與試劑

粗原花青素濃縮溶液：馬尾松樹皮粉在響應面法的最優條件下提取，45℃下濃縮至無醇。經測定，其中原花青素的干基含量（純度）為25.4%。95%乙醇為分析純。大孔吸附樹脂：西安藍曉科技有限公司，型號見表1。

2 方法

2.1 大孔吸附樹脂的選擇和預處理

2.1.1 大孔樹脂的選擇

根據原花青素性質，選擇4種樹脂為吸附劑，其性質及主要參數見表1。

表1 各吸附樹脂的物理性質Table 1 Physical nature of absorbent resins

2.1.2 大孔樹脂的預處理

使用前先將大孔吸附樹脂以95%乙醇浸泡24 h，充分溶脹后再用95%乙醇洗滌至洗滌液加適量蒸餾水無白色渾濁現象，再用蒸餾水洗至無醇。然后依次用4%NaOH、5%HCl浸泡2 h～4 h,分別用蒸餾水洗至中性,備用[4]。

2.2 靜態試驗測定

2.2.1 大孔吸附樹脂靜態吸附量及解吸率的測定

將粗原花青素濃縮液稀釋至一定的原花青素濃度，經測定原花青素含量為7.56 mg/mL。以濾紙吸干各樹脂表面水分后，準確稱取各種型號的吸附樹脂各2 g，置于150 mL三角瓶中，各加40 mL上述樣品，置于水浴搖床，30℃下振搖24 h后過濾，測定濾液中的原花青素含量。再各用100 mL 95%乙醇分幾次洗滌各樹脂，用以洗脫吸附的原花青素，分別測定濾液及洗脫液中原花青素的總量及干基含量，計算各樹脂的吸附量及解吸率：

2.2.2 大孔吸附樹脂靜態動力特性測定

分別稱取各樹脂2 g置于150 mL三角瓶中，各加入40 mL濃度為一定濃度的粗原花青素水溶液，置于30℃水浴搖床每隔一定時間取樣液測定原花青素含量，連續測定12 h，繪制樹脂對原花青素的吸附量變化的曲線。

2.2.3 大孔吸附樹脂吸附等溫線的測定

已處理并干燥的各型號樹脂0.3 g各4份，加入不同濃度的原花青素水溶液20 mL，置水浴搖床，30℃振蕩24 h后測定水溶液中原花青素含量，計算吸附量，以吸附平衡后水溶液中原花青素濃度為橫坐標、樹脂吸附量為縱坐標繪制各樹脂對原花青素的吸附等溫線。

2.3 大孔樹脂柱層析分離純化原花青素的研究

2.3.1 動態吸附條件的確定

將經過預處理的大孔樹脂LSA-10濕法裝柱，以蒸餾水沖至流出液不渾濁為止。考察上柱液流速、pH、濃度對吸附效果的影響。分部收集流出液，測定其中原花色素的含量。當流出液的濃度達到原濃度的1/10時即為其泄露點，停止吸附。根據流出液的體積和吸附前后溶液的濃度差，可計算出動態吸附量（以吸附前后溶液的吸光值差和流出液體積的乘積，來表示動態吸附量的相對大小）。

2.3.2 洗脫條件的確定

將經過預處理的大孔樹脂LSA-10濕法裝柱，以蒸餾水沖至流出液不渾濁為止。按照最適吸附條件上柱吸附，選擇不同的洗脫劑洗脫，選擇出洗脫率最大的洗脫劑，并考察該洗脫劑流速對洗脫效果的影響，以解吸率為指標。確定最佳的脫附工藝條件。

2.4 原花青素含量的測定

采用香草醛-鹽酸法[3]，略有改動。取1 mL提取液，分別加入3 mL鹽酸和6 mL 4 g/mL香草醛甲醇溶液，30℃避光反應30 min，測量500 nm下吸光度。

3 結果與討論

3.1 不同樹脂對原花青素靜態吸附及解吸性能的比較

選擇4種國產大孔吸附樹脂，研究其對原花青素的靜態吸附及解吸性能，由于松樹皮原花青素具有多酚結構和糖甙鏈，具有一定的極性和親水性，成鍵的能力較強，有利于弱極性和極性樹脂的吸附，從表2可以看出，XDA-1、AAS、LSA-10及S-8樹脂對原花青素均具有較強的吸附能力。從吸附選擇性及解吸效果來看，S-8樹脂對原花青素的吸收選擇性較差，解吸的回收率很低，不適用于原花青素的分離。對于極性樹脂

XDA-1，由于具有較大的比表面積，利于原花青素的吸附。非極性樹脂AAS對原花青素有較高的吸附量，可能與原花青素分子中的苯環能夠與吸附樹脂本身的苯環之間形成疏水作用及電子堆積力有關，解吸率也能在80%以上，但其產物純度不高。而LSA-10、XDA-1樹脂對原花青素的選擇性較強，解吸率接近90%。因此,選用LSA-10、XDA-1吸附樹脂進行對馬尾松原花青素的吸附和解吸試驗研究。

3.2 大孔吸附樹脂的靜態吸附動力學曲線

表2 各樹脂對松樹皮中原花青素提取物水溶液的靜態吸附及解吸性Table 2 Static adsorption and desorption performance of six resins for procyanidins

合適的樹脂不僅具有較大的吸附量、較高的解吸率及選擇性，同時還應具有較快的吸附速度。由圖1可以看出，大孔樹脂LSA-10與XDA-1相比，在0~2 h內的吸附速率較快，2 h后吸附量升高緩慢，說明吸附已經進入相對平衡的狀態。XDA-1樹脂的吸附量也在2 h后才進入相對平衡狀態，但平衡時的吸附量較LSA-10低。

為了定量地對樹脂原花青素的吸附速率進行比較，假設原花青素在樹脂表面的吸附行為是單層吸附，以朗繆爾（Langmuir）單層吸附模型擬合，比較各樹脂的平衡速率常數。根據Langmuir[5-6]提出的平衡吸附速率方程：

圖1 大孔樹脂LSA-10、XDA-1吸附量與時間的關系Fig.1 Relationship between adsorption and time for resin LSA-10 and XDA-1

式中：Qt為t時刻樹脂吸附量；Qe為吸附平衡時樹脂的吸附量；k為吸附速率常數。作圖得一直線，由斜率可求得各樹脂的k值。

速率常數基本上可以反映各樹脂靜態吸附動力學曲線的特征，速率常數大表示原花青素在該樹脂表面達到吸附平衡的時間較短。由表3可知LSA-10達到平衡的速度較快，而且平衡吸附量也比較大，是較理想的吸脂樹脂。

表3 Langmuir平衡吸附速率方程的平衡速率常數及相關系數Table 3 Rate constant and correlation coefficient of langmuir equation

3.3 大孔樹脂吸附等溫線的測定

大孔樹脂吸附等溫線的測定見圖2。

圖2 大孔樹脂對原花青素的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isothermal curve of resins for proanthocyanidins

由圖2吸附等溫線可以看出，一定范圍內樹脂對原花青素的平衡吸附量隨著樣液中原花青素濃度的增加而增加，表明適當增加上樣濃度會提高樹脂對原花青素的吸附量。

為了確認原花青素在2種大孔樹脂上的吸附行為是單層吸附，描述其吸附機理，以各樹脂對原花青素的吸附等溫線擬合固體表面的吸附模型——朗繆爾（Langmuir）吸附等溫式及弗羅因德利希（Freundlich）吸附經驗公式[7]進行探索。

Langmuir等溫吸附方程：

式中：Qmax為每克樹脂的最大吸附量，（mg/g）；Qe為每克樹脂在一定原花青素濃度下的吸附量，（mg/g）；b為吸附作用的平衡常數；Ce為吸附平衡后的原花青素濃度，（mg/mL）；以 Ce/Qe對 Ce作圖得一直線，斜率為1/Qmax，截距1/（b×Qmax）。

Freundlich吸附經驗公式：

即：LnQe=Lnk+nLnC

式中：n與k是經驗常數，對于指定的吸附系統，是溫度的函數。n的數值一般在0~1之間。以LnQe對LnCe作圖得一直線，根據斜率和截距計算n與k值。

表4 大孔樹脂等溫線擬合Langmuir等溫式及Freundlich方程Table 4 Equation of Langmuir and Freundlich for resin isothermal curve

由表4可以看出，Langmuir方程及Freundlich方程對各樹脂的吸附等溫線均有較好的擬合效果。因此可以認為，在所研究的濃度范圍內，各樹脂對原花青素的吸附為單層吸附。同時，由Langmuir等溫方程常數可以看出，LSA-10具有較高的最大吸附量，與靜態吸附的結果相一致。

3.4 動態吸附條件的確定

3.4.1 上樣流速對大孔樹脂吸附原花青素的影響

上樣流速對大孔樹脂吸附原花青素的影響見圖3。

圖3 不同上樣流速對吸附效果的影響Fig.3 Effect of flow rate on the adsorption performance

由圖3說明，流速越快，泄漏點出現得越早，當上樣流速為2 mL/min時，泄漏點出現得最早(約10 min左右)。從圖4可知，吸附量也僅為137 mg/g,因為流速對吸附的影響在于影響溶質向樹脂表面擴散，從而影響了吸附效果。如果流速太快，溶質分子來不及擴散到樹脂的內表面，就會發生泄漏。而在上樣流速降低至0.5 mL/min時，泄漏點出現較晚，約在0.5 h以后，且一旦泄漏，則吸光值迅速增大，說明大孔樹脂已基本達到吸附飽和。考慮到生產效率問題，可選擇流速為1 mL/min進行動態吸附。

3.4.2 pH值對吸附效果的影響

圖5表明，隨著上柱液pH的增大，LSA-10對原花色素的吸附效果增加，pH為8時，吸附量最大。但是在堿性條件下，LSA-10大孔樹脂有結塊的現象，不利于后續的分離和樹脂的維護。故選擇上柱液pH 7為進行動態吸附。

圖4 流速對原花青素的吸附效果的影響Fig.4 Effect of feeding rate on the adsorption performance of procyanidins

圖5 pH對原花青素吸附效果的影響Fig.5 Effect of pH value on the adsorption performance of procyanidins

3.4.3 上樣濃度對動態吸附效果的影響

上樣濃度可影響到原花青素與大孔樹脂之間的吸附，從而影響吸附的速度和效率。由圖6可得，一定范圍內原花青素的進樣濃度越高，樹脂的吸附量越大，達到原花色素濃度為12.5 mg/mL時，隨著濃度的繼續增加，樹脂的吸附量將減少。原因可能是過高濃度導致吸附不完全所致。因此上樣濃度選在10 mg/mL~12.5 mg/mL時均較為適宜。

圖6 不同濃度原花青素對原花青素吸附效果的影響Fig.6 Effect of concentrations on the adsorption performance of procyanidins

圖7 流速對原花青素的解吸效果的影響Fig.7 Effect of elution rate on desorption performanceof procyanidins

3.4.4 流速對解吸效果的影響

由圖7可知，流速為1.5 mL/min時，乙醇解吸原花色素的效果最佳。隨著流速的繼續增加，由于流速過快，乙醇來不及與被樹脂吸附的原花色素充分作用即流出，未能有效地置換出來。選擇1.5 mL/min的流速進行解吸操作是合理的，同時這也是工業生產中常用的流速。

4 結論

對4種大孔吸附樹脂的靜態吸附和解吸效果進行比較和篩選，得出LSA-10型弱極性大孔吸附樹脂對馬尾松樹皮原花青素有較好的吸附和解吸效果。動力學結果表明，吸附平衡數據符Freundlich吸附等溫方程、Langmuir平衡吸附速率方程，相關性均良好。最佳吸附條件為：pH值7，上樣流速為1 mL/min，上樣濃度 10 mg/mL～12.5 mg/mL，洗脫流速為 1.5 mL/min。

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Performance of Absorption and Separation of the Macroreticular Resin for Proanthocyanidins from Pinus massoniana's Bark

YU Li-mei，ZENG Xiao-fang，CHEN Hai-guang,BAI Wei-dong
（College of Light Industry and Food Science，Zhongkai University of Agricultural and Engineering，Guangzhou 510225，Guangdong,China）

2010-03-03

國家十一五科技支撐計劃項目（2006BAD27B03)

于立梅(1973—),女（漢），講師,博士，研究方向：食品生物技術。