大孔樹脂對黑糯玉米芯色素吸附性能的研究

張 鐘 汪 杰 李鳳霞

(茂名學院1,茂名 525000)(安徽科技學院2,鳳陽 233100)

大孔樹脂對黑糯玉米芯色素吸附性能的研究

張 鐘1汪 杰2李鳳霞2

(茂名學院1,茂名 525000)(安徽科技學院2,鳳陽 233100)

在測定黑糯玉米芯色素吸收光譜的前提下,對純化前后的色價進行了測定,并繪制了黑糯玉米芯色素的工作曲線。在靜態吸附試驗中,通過比較 6種大孔樹脂對黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離黑糯玉米芯色素的樹脂,并對大孔樹脂的解析率進行了測定。同時,對影響吸附和解吸的因素如pH和溫度對吸附的影響及乙醇體積分數對解析的影響進行分析,并且對樹脂的靜態吸附動力學特征進行了研究。在動態吸附試驗中,對上樣液流速和濃度對吸附的影響及乙醇流速對解吸的影響進行分析,并對樹脂的飽和吸附量及樹脂的重復使用性能進行了測定。研究發現:X-5樹脂對黑糯玉米芯色素不僅吸附量大而且解吸率高,適合用于黑糯玉米芯色素的分離和富集。X-5樹脂分離黑糯玉米芯的工藝參數為:上樣液質量濃度 1.0 g/L,pH 3.0,流速 1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min的流速進行洗脫。吸附 10 h可以完成吸附,純化前的色價為 16.5,純化后的色價為 40.1;X-5樹脂的飽和吸附量達到 16.9651 mg/g;回收率可達到89.16%,X-5樹脂重復使用性能良好。

大孔樹脂 黑糯玉米芯色素 吸附性能 解吸

目前分離富集色素的方法主要有有機溶劑萃取法、超濾法和吸附分離法,有機溶劑萃取法存在溶劑殘留和生產成本高的缺點,超濾法的產品質量好,但是對設備的要求高、成本大、提取率低,而吸附分離法是中草藥有效成分分離的常用方法[1]。大孔樹脂具有物理化學穩定性高,吸附選擇性強,富集效果好,解吸條件溫和,再生簡便,使用周期長等特點[2]。近年來已廣泛地應用于色素的分離與純化。Dietmar等[3]使用聚合吸附樹脂從葡萄渣提取液提取花青素。很多研究者用NKA-Ⅱ等大孔吸附樹脂對紫菜薹、鹿心雪茶、葡萄籽原花青素、黑果枸杞、蘿卜紅、紅豆皮、火龍果等色素進行分離純化,取得了較好的效果[4-12]。

有關黑糯玉米芯色素的分離和富集已經有過報道[13],但是利用大孔樹脂對該色素進行純化尚且未見報道。選用 6種大孔樹脂,通過比較其對黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離富集該色素的樹脂,并對分離工藝條件進行探討,希望能夠對黑糯玉米芯色素的工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑糯玉米芯:由安徽省濉溪縣農科所提供;H103、X-5、AB-8、NKA- Ⅱ、S-8、ADS-8大孔吸附樹脂:天津南開和成科技有限公司。

儀器:HH-6型數顯恒溫水浴鍋:國化電器有限公司;JSFL-100-II粉碎機:上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 大孔樹脂的預處理

大孔樹脂用 95%乙醇充分浸泡 24 h,接著用95%乙醇以 2 BV/h的流速 (1 BV為一個樹脂床體積)通過樹脂層,洗至流出液加蒸餾水不呈白色渾濁為止,再用蒸餾水以同樣的流速洗凈乙醇。然后用酸堿處理,即用 2 BV的 5%HCl溶液以 2 BV/h的速度通過樹脂層,并浸泡 3 h,而后用蒸餾水以同樣的流速洗至 pH為中性,接著用 2 BV的 2%NaOH溶液以 5 BV/h的流速通過樹脂層,并浸泡 3 h,而后用蒸餾水以同樣的流速洗至中性。以除去痕量的防腐劑和殘留的單體化合物。

1.3 試驗方法

1.3.1 黑糯玉米芯色素的提取方法工藝流程[13]

黑糯玉米→去皮,去須,去籽粒,留芯→烘干稱重→搗碎→微波浸提→過濾→濾液→減壓濃縮→真空干燥→色素

1.3.2 黑糯玉米芯色素色價的測定及工作曲線的繪制

色價 =A×r/w

式中:A為吸光度;r為稀釋倍數;w為樣品質。粗提色素色價 =A×r/w=0.165×100/1.0=16.5

準確稱取該色素兩份,每份 0.5 g,分別用檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液 (pH 3.0)和 95%乙醇溶液稀釋到不同濃度,根據比爾定律繪制色素在兩種溶液中的工作曲線[7]。

Y=2.257 895x+0.114 316 R2=0.912 543(乙醇)

Y=1.927 978x-0.007 51 R2=0.998 806(緩沖液)

1.3.3 大孔樹脂吸附特性的比較

1.3.3.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔樹脂上的吸附準確稱取經過處理的大孔樹脂 (去表面水,下同)若干份,每份 0.5 g,加入到 100 mL的具塞錐形瓶中,再各加入 50 mL用檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液 (pH 3.0)配制的色素溶液,放在恒溫振蕩器上振蕩 (30℃,150 r/min)直至吸附飽和 (當流出液的吸光度與上樣液的吸光度基本接近時,可以認為樹脂對色素的吸附已達到飽和)[11]。吸附率及吸附量的計算如下:

吸附率 =[(Ao-A′)/Ao]×100%

式中:Ao為吸附前色素的吸光度;A′為吸附后色素的吸光度;

吸附量 =[(C0-C′)/m]×V

式中:C0為吸附前溶液的質量濃度 /mg/L;C′為吸附后溶液的質量濃度/mg/L;m為濕樹脂的質量/g;V為吸附液體積 /L。

1.3.3.2 大孔樹脂解吸率的測定

取吸附飽和的大孔樹脂 (使用測定吸附率的大孔樹脂),加入50 mL 95%乙醇,置 30℃和 150 r/min恒溫振蕩器中振蕩 24 h,過濾,測定濾液中色素的吸光度,并按下式計算室溫下的解吸率[14]。

解吸率 =(解吸液質量濃度 ×解吸液體積)/(樹脂質量 ×吸附量)×100%

1.3.3.3 pH對吸附的影響

準確稱取經處理的 X-5樹脂若干份,每份0.5 g分別加入 50 mL pH分別為 2.2、2.5、3.0、3.5、4.0的檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液,得到不同 pH的色素溶液,30℃150 r/min振蕩 60 min,靜置后測定色素在最大吸光波長處的吸光度,計算吸附率[7]。

1.3.3.4 溫度對吸附的影響

分別稱取 X-5樹脂若干份,每份 0.5 g,各加入用緩沖液配制的色素溶液 50 mL,在不同的溫度 (30、40、50℃)下恒溫振蕩 (150 r/min)吸附,每隔一定的時間測色素溶液在最大吸收波長處的吸光度,作吸附率隨時間的變化曲線[9]。

1.3.3.5 乙醇體積分數對解吸的影響

分別稱取 0.5 g經吸附飽和的色素濕樹脂,加入50 mL體積分數分別為 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%、100%的乙醇水溶液,在水浴振蕩器上振蕩 (30℃,150 r/min)30 min,使色素從樹脂上解吸,將解吸液稀釋到乙醇體積分數為 20%,測定吸光度,再折合成相同體積的吸光度[9]。

1.3.3.6 大孔樹脂的靜態吸附動力學特征

準確稱取預處理后的 X-5濕樹脂 1.0 g,置于250 mL的具塞錐形瓶中,各加入色素提取液 (1%)100 mL,置 30℃恒溫振蕩器中,150 r/min進行振蕩,每隔一定時間移取 0.1 mL上清液,用 95%乙醇定容至 10 mL,測定吸光度,繪制靜態動力學曲線[14]。

1.3.3.7 上樣液流速對吸附的影響

將用 pH 3.0的檸檬酸 -磷酸氫二鈉緩沖液配置的色素溶液 200 mL(0.001 kg/L),自上而下通過X-5 樹脂 ,控制一定流 速 (分別為 1、4、10、15 mL/min),分段收集流出液,于 530 nm處測定其吸光度[7]。

1.3.3.8 上樣液質量濃度對吸附的影響

通過篩選將 X-5樹脂作為黑糯玉米芯色素的吸附劑。將質量濃度分別為 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L的上樣液在動態的條件下以 1 mL/min的流速通過樹脂柱并于 530 nm處測定其吸光度[7]。

1.3.3.9 乙醇流速對解吸的影響

將 pH 3.0的緩沖液配制的色素溶液流經 X-5樹脂直至達到飽和,然后用 95%乙醇洗脫,測定在不同洗脫流速下分段收集到的流出液的吸光度[7]。

1.3.3.10 樹脂的飽和吸附量的測定

用緩沖液配制的色素溶液,以 1 mL/min的流速通過樹脂柱,動態檢測流出液的吸光度,當流出液的吸光度與上樣液的吸光度基本相同時可以認為已經達到飽和狀態,然后用蒸餾水沖洗樹脂柱,再用 95%乙醇洗脫,收集洗脫液至無色為止,將洗脫液減壓濃縮、干燥得到粉末狀固體,計算樹脂的飽和吸附量[7]。

飽和吸附量 =色素質量 /濕樹脂質量

1.3.3.11 樹脂的重復使用性能

黑糯玉米芯色素在 X-5樹脂柱上進行吸附;先以去離子水洗滌,然后用乙醇解吸,最后用去離子水洗至無醇味,進行再生,如此 10次后計算吸附率[14]。

1.3.3.12 回收率的計算

預處理好的 X-5樹脂裝入直徑 1 cm、長 30 cm的樹脂柱中,使 X-5樹脂高度為 15 cm進行動態吸附,將用 pH 3.0的緩沖液配制的質量濃度為1.0 g/L的色素溶液 200 mL,以 1.0 mL/min的流速通過樹脂柱,直至吸附飽和;再用 95%乙醇洗脫,流速為 1.0 mL/min直至洗脫液接近無色。將洗脫液干燥至恒重,計算回收率。

回收率 =(實際回收色素質量/理論回收色素質量)×100%

1.5 試驗結果統計分析方法

采用 SAS6.12軟件進行結果分析。

2 結果與分析

2.1 大孔樹脂吸附特性的比較——靜態吸附試驗

2.1.1 黑糯玉米芯色素在不同大孔樹脂上的吸附及解吸率試驗

由圖 1可知上述 6種樹脂中以 ADS-8、S-8、X-5的吸附率較高,AB-8、NKA-Ⅱ、H103次之,又由于生產上不僅要求樹脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保證有效成分更多的得到回收。在上述 6種樹脂中 X-5、AB-8的解吸率較高,而其余的 4種次之。綜合考慮選擇 X-5型大孔樹脂較好。

圖 1 色素在不同大孔樹脂上的吸附及解吸率

2.1.2 pH對吸附的影響

圖 2是 X-5樹脂在 pH分別為 2.2、2.6、3.0、3.6、4.0條件下對黑糯玉米芯色素的吸附率圖。當pH 3.0時 X-5樹脂對黑糯玉米芯色素的吸附率最高,選用 pH 3.0作為吸附條件。

圖 2 pH對吸附的影響

2.1.3 溫度對吸附的影響

由圖 3可知在相同的吸附時間下,溫度越高,樹脂對色素的吸附率越高,在合適的溫度下可以提高樹脂對色素的吸附速率。但是溫度對吸附的影響并不十分明顯。

圖 3 溫度對吸附的影響

2.1.4 乙醇體積分數對解吸的影響

由圖 4可知乙醇的體積分數對解吸是有一定的影響,一般情況下乙醇體積分數越高對色素的解吸越好。本試驗中使用體積分數為 100%的乙醇解吸率最高。但是95%和100%的乙醇對色素的解吸效果相差并不顯著,在試驗中采用 95%的乙醇作為洗脫液。

圖 4 乙醇體積分數對解吸的影響

2.1.5 靜態吸附動力學特征曲線

圖 5為 X-5樹脂的靜態吸附特征曲線,由圖 5可知當吸附時間達到 10 h以上時,色素的濃度就變得很低了,色素基本被吸附。

圖 5 X-5靜態吸附動力學特征曲線

2.2 大孔樹脂吸附特性的比較——動態試驗

2.2.1 上樣液流速對吸附的影響

由圖 6可知,隨著上樣液流速的增大,從樹脂柱中泄漏出的液體的吸光度也在增大,樹脂對色素的吸附量在減小。這是由于色素液流速過大時,色素來不及與樹脂充分接觸就隨著上樣液一起泄漏。試驗中流速為 1 mL/min吸附量最大,泄漏量最小;流速為 15 mL/min時吸附量最小,泄漏量最大。因此,上樣液最佳流速為 1 mL/min。

圖 6 上樣液流速對吸附的影響

2.2.2 上樣液質量濃度對吸附的影響

由圖 7可以看出,上樣液的質量濃度過大和過小都不利于吸附,這主要是由于上樣液質量濃度過大時,樹脂在達到吸附飽和后就不能再吸附更多的色素,而造成色素的泄露,吸附率下降。上樣液質量濃度過低時,樹脂雖不能吸附飽和,但是由于上樣液的流動仍然有一定量的色素隨上樣液而泄露,降低了樹脂的使用效率。另外,質量濃度過高時容易發生絮凝和沉淀。本試驗得出上樣液最佳質量濃度為1.0 g/L至 1.5 g/L時吸附率較高,綜合考慮選取上樣液質量濃度為 1.0 g/L為宜。

圖 7 上樣液質量濃度對吸附的影響

2.2.3 乙醇流速對解吸的影響

用不同流速的洗脫液進行洗脫,其結果見圖 8所示。隨著稀釋液流速的增大,解吸效果逐漸下降,本試驗中以 1mL/min的洗脫流速效果最佳。在實際生產中,應根據吸附柱的大小、色素的吸附量等因素綜合考慮,優化洗脫液的流速,以求達到最佳工藝效果。

圖 8 乙醇流速對解吸的影響

2.2.4 樹脂的飽和吸附量測定

經計算樹脂的飽和吸附量為 16.9651 mg/g。

2.2.5 純化后色素的色價

純化后的色素色價為 40.1。

2.2.6 大孔樹脂的重復使用性能

由圖 9可知 X-5樹脂在反復 10次的使用過程中,對黑糯玉米芯色素的吸附率不會發生明顯的下降,其重復使用性能良好。再生過程也不復雜。

圖 9 大孔樹脂的重復使用性能

2.2.7 回收率的計算

經計算回收率為 89.16%。

3 討論

生產上不僅要求樹脂的吸附率高,而且解吸率也要高,以保證有效成分更多的得到回收。當吸附時間相同時,溫度越高,吸附越快,在實際生產中適當升高溫度可縮短達到飽和的時間,提高效率[11],因此,溫度要適當。上樣液的 pH值是影響色素穩定性的重要因素,色素在吸附時首先性質要保持穩定,另外,不同大孔樹脂在吸附時所要求的最適 pH值也有所區別,DM-130吸附銀杏葉黃酮最適為 pH值5.02[11],AB-8吸附紫甘薯色素最適 pH值為2.5[9],X-5吸附黑果枸杞色素最適 pH值為 3.0[7]。

大孔吸附樹脂一般存在樹脂中毒的現象,在重復使用多次以后,其吸附能力都會明顯減弱,引起中毒的原因有蛋白質中毒、多糖中毒等[9]。本試驗中使用 X-5樹脂循環使用 10次后總體吸附能力無明顯的下降,可能是由于本試驗采用酸性乙醇提取黑糯玉米芯色素,所含雜質少的原因。

4 結論

通過比較 6種大孔樹脂對黑糯玉米芯色素的吸附率和解吸率,篩選出適合分離黑糯玉米芯色素的樹脂。結果表明,X-5樹脂對黑糯玉米芯色素不僅吸附量大而且解吸率高,適合黑糯玉米芯色素的分離和富集。X-5樹脂分離黑糯玉米芯的工藝參數為:上樣液質量濃度為 1.0 g/L,pH 3.0,流速為1 mL/min,用 95%乙醇以 1 mL/min流速進行洗脫,可將黑糯玉米芯色素從樹脂柱上解吸下來。經大孔樹脂處理色素的色價提高了 143%,回收率達到89.16%,經計算樹脂的飽和吸附量為 16.965 1 mg/g。

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Adsorption ofMacroporous Resins to Black Glutinous Corncob Pigment

Zhang Zhong1Wang jie2Li Fengxia2
(College of Chemistry and Life Science,Maoming University1,Maoming 525000)
(Anhui Science and TechnologyUniversity2,Fengyang 233100)

In the condition of measuring absorption spectrum of black glutinous corncob pigment(BGCP),the color price of the pigment before and afterpurification wasmeasured and the standard curve wasmade.In a static ex2 periment,the bestmacroporous resin forBGCP was selected through comparing the rates of adsorption and desorption of six macroporous resins to BGCP.The desorption rate of the bestmacroporous resinwasmeasured.The effectsofpH and temperature on the adsorption and desorption,and the effect of ethanol concentration on the desorption were ana2 lyzed.Dynamics studywas conducted on the static adsorption of the resin.In a dynamic experi ment,the effectsof ex2 tracting solution speed and concentration on the adsorption and the effect of ethanol speed on the desorption were ana2 lyzed.The adsorption capacity of the resin and its performance in repeat using were studied.Results:X-5 resin is excellent with high adsorption and desorption rate,and is the most suitable adsorbent among the sixmacroporous res2 ins selected forBGCP separation and concentration.The optimal separation conditions are liquid concentration 0.001 kg/L,pH 3.0,and flow rate 1 mL/min,and using 95%ethanol as effluent at 1 mL/min speed.The adsorption is completed in 10 h;the pigment colour price is 16.5 before purification and 40.1 after purification.The adsorption capacity of the resin is deter mined to be 16.965 1 mg/g resin and BGCP recovery rate is up to 89.16%.X-5 resin has good performance in repeat using.It is proved that X-5 resin is an excellent adsorbent.

macroporous resin,black glutinous corncob pigment,adsorption perfor mance,desorption

TS201.1

A

1003-0174(2010)01-0013-06

安徽省教育廳項目(2006KJ200B),廣東省高等學校人才引進項目(201192)

2009-02-12

張鐘,男,1962年出生,教授,農產品貯藏與加工