H103大孔樹(shù)脂吸附胡椒堿的性能研究

吳珍菊，林先哲，潘海亮，黃雪松(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632)

H103大孔樹(shù)脂吸附胡椒堿的性能研究

吳珍菊，林先哲，潘海亮，黃雪松*
(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632)

為尋找一條成本低、效率高的胡椒堿分離方法，利用不同胡椒堿初始濃度、不同pH、不同乙醇濃度等處理，以分光光度法測(cè)定胡椒堿，探討了H103大孔樹(shù)脂靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附及其解析行為。結(jié)果表明:樹(shù)脂靜態(tài)吸附量達(dá)42.5mg/g，解析率可達(dá)89.12%;而動(dòng)態(tài)吸附量可達(dá)68.55mg/g，解析率達(dá)83.65%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于胡椒堿的工業(yè)化生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

胡椒(Piper nigrum L.)，H103大孔樹(shù)脂，胡椒堿，吸附，解析

胡椒堿是胡椒(Piper nigrum L.)中最有價(jià)值的一種化學(xué)成分，具有抗腫瘤［1－3］、抗氧化［4］、抗消化系統(tǒng)潰瘍［5－6］、抗抑郁［7］、抗免疫調(diào)節(jié)［8－9］等作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于釀酒、飲食、醫(yī)藥［10－11］等行業(yè)。雖然我國(guó)胡椒堿深加工及其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì)，但與國(guó)外相比尚有差距［12］，主要體現(xiàn)在浸泡工藝不規(guī)范、產(chǎn)品含雜質(zhì)多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工成本高等方面。我國(guó)亟待改進(jìn)完善已有的加工工藝，尤其需要探索新的提取分離純化工藝。目前，胡椒堿的提取方法主要有微波減壓蒸餾及乙醇提取法［13］、二氯甲烷提取法［14］、超臨界二氧化碳萃取法［15－16］，其中超臨界二氧化碳萃取法投資大、成本高，而微波減壓蒸餾及乙醇提取法、二氯甲烷提取法試劑用量大、浪費(fèi)嚴(yán)重。胡椒堿的純化方法多為結(jié)晶方法［14－16］，但結(jié)晶得率有待提高，獲得高純度的胡椒堿母液是提高結(jié)晶得率的關(guān)鍵。大孔樹(shù)脂是常用的分離純化材料，具有成本低、效率高、能循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，但在胡椒堿的分離純化方面至今未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)擬探討采用H103大孔樹(shù)脂來(lái)分離純化胡椒堿，提高胡椒堿母液純度，以期獲得純度高、結(jié)晶得率高的胡椒堿。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胡椒堿 西安華萃生物技術(shù)有限公司，純度98%;H103大孔樹(shù)脂 廣州錢(qián)盛化工有限公司;食用酒精 廣州東巨實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;濃鹽酸(HCl)溶液、氫氧化鈉(NaOH)、冰醋酸(AcOH)、無(wú)水乙醇(EtOH) 均為分析純;蒸餾水。

UV－1800紫外分光光度計(jì) 日本島津公司;超聲波振蕩器 江蘇宏華儀器廠;SK3310LHC水浴恒溫振蕩器 上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司。

1.2 樹(shù)脂的處理

將樹(shù)脂依次用4倍柱體積EtOH、4%HCl溶液、蒸餾水、4%NaOH溶液、蒸餾水洗滌至中性，以除去其中所含的致孔劑、催化劑、溶劑等雜質(zhì)，濾去樹(shù)脂，于蒸餾水中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 靜態(tài)吸附處理

1.3.1 樹(shù)脂對(duì)不同初始濃度的胡椒堿吸附 配制5份100m L含40%EtOH及1.5mol/L AcOH的溶液，分別加入相應(yīng)質(zhì)量的胡椒堿，使溶液中胡椒堿濃度分別為 300、500、800、1000、1200mg/L。取 5 個(gè)250m L具塞磨口錐形瓶，放入準(zhǔn)確稱(chēng)取的10g濕樹(shù)脂，然后分別加入上述五種胡椒堿溶液100m L，放入水浴恒溫振蕩器中，控制吸附溫度為 25℃，以100 r/m in的速度振蕩，每30min取樣，用紫外分光光度計(jì)在343nm處測(cè)定其吸光度值［15］，根據(jù)公式(1)計(jì)算吸附量。

式中，C0:吸附前胡椒堿的質(zhì)量濃度(mg/L);Ce:吸附達(dá)到平衡后溶液中胡椒堿的質(zhì)量濃度(mg/L);M:樹(shù)脂質(zhì)量(g);V:吸附溶液體積(L)。

1.4 靜態(tài)解析處理

1.4.1 不同乙醇濃度解析飽和胡椒堿 準(zhǔn)確稱(chēng)取5份吸附飽和的H103樹(shù)脂各1.00g，分別置于250m L具塞錐形瓶中，依次加入用5種1.5mol/L AcOH配制的EtOH濃度分別為20%、40%、60%、80%、100%的溶液各100m L。室溫下置于搖床(100r/min)振蕩解析12h后，吸取上清液測(cè)定胡椒堿濃度，根據(jù)公式(2)計(jì)算解析率。

式中，C1:解析溶液的質(zhì)量濃度(mg/L);V1:解析溶液體積(L);C0、Ce、V 同式(1)。

1.4.2 不同pH解析飽和胡椒堿 準(zhǔn)確稱(chēng)取吸附飽和的H103樹(shù)脂1.00g，置于250m L具塞錐形瓶中，分別加入AcOH調(diào)節(jié)pH范圍為1.0～5.0之間的100m L 95%EtOH溶液，在室溫下置于搖床振蕩12h，吸取上清液測(cè)定胡椒堿濃度，并用公式(2)計(jì)算解析率。

1.5 動(dòng)態(tài)吸附－解析實(shí)驗(yàn)

1.5.1 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn) 量取5m L濕樹(shù)脂填裝于φ1cm×30cm的層析玻璃柱中，將含40%EtOH及1.5mol/L AcOH，而胡椒堿濃度為1000mg/m L的溶液以一定流速(9、6、3、1m L/m in)至上而下通過(guò)樹(shù)脂層，每10m L收集一次，測(cè)定不同時(shí)段流出液的胡椒堿濃度，考察進(jìn)水流速對(duì)吸附效果的影響，根據(jù)公式(1)計(jì)算吸附量。

1.5.2 動(dòng)態(tài)解析實(shí)驗(yàn) 用乙酸調(diào)95%乙醇成pH=2的溶液，在室溫下以3m L/m in的流速對(duì)吸附飽和的樹(shù)脂層進(jìn)行處理，每10m L收集一次，測(cè)其吸光度的變化，根據(jù)公式(2)計(jì)算解析率。

1.6 胡椒堿的測(cè)定方法

根據(jù) GB/T 17528－1998［17］胡椒堿含量測(cè)定——分光光度法測(cè)定胡椒堿含量。該標(biāo)準(zhǔn)雖然現(xiàn)已作廢，但在本實(shí)驗(yàn)采用純胡椒堿進(jìn)行研究過(guò)程中，其含量測(cè)定結(jié)果并不受胡椒中雜質(zhì)的影響，測(cè)定結(jié)果可靠。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 胡椒堿初始濃度對(duì)吸附速率的影響 如圖1所示，樹(shù)脂對(duì)胡椒堿的吸附速率隨胡椒堿初始濃度的增大而加快，且吸附速率隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，前30m in內(nèi)大孔樹(shù)脂對(duì)胡椒堿的吸附速率較快，30m in后吸附速率基本不變。

圖1 胡椒堿濃度對(duì)吸附速率的影響

2.1.2 胡椒堿初始濃度對(duì)吸附量的影響 由圖2可見(jiàn)，樹(shù)脂對(duì)胡椒堿的最大吸附量隨初始濃度的增加而增加，這與其他文獻(xiàn)的報(bào)道相符［18－19］。當(dāng)原料液初始濃度小于1200mg/L時(shí)，樹(shù)脂的吸附量隨著濃度的增加而增大。如果濃度繼續(xù)增加，各吸附點(diǎn)會(huì)逐漸被雜質(zhì)占據(jù)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生多層吸附，將樹(shù)脂微孔堵塞，降低了內(nèi)孔的利用度，導(dǎo)致吸附率逐漸下降。當(dāng)吸附液為40%EtOH及1.5mol/L AcOH且含濃度為1.0g/L的胡椒堿時(shí)，H103樹(shù)脂在靜態(tài)吸附中對(duì)胡椒堿的最大吸附量可達(dá)42.5mg/g。

2.2 靜態(tài)解析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 EtOH濃度對(duì)胡椒堿解析效果的影響 由圖3可以看出，隨著EtOH濃度的提高，解析率先快速后緩慢上升。因?yàn)镋tOH濃度的提高，使解析的強(qiáng)度升高，解析率上升。但考慮到成本問(wèn)題，選用95%的EtOH作為解析液。

圖3 不同乙醇解析液對(duì)解析率的影響

2.2.2 pH對(duì)胡椒堿解析效果的影響 由圖4可以看出，隨pH的升高，吸附率先迅速上升后緩慢下降。pH為2時(shí)，解析效果最好，解析率可達(dá)89.12%。因此選用解析液的pH為2。

圖4 不同pH解析對(duì)液解析率的影響

2.3 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 不同流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附量的影響 由圖5可看出，隨著流速的增加，樹(shù)脂的飽和吸附量下降，吸附利用率降低。可能因?yàn)榱魉偬欤瑯?shù)脂與胡椒堿分子來(lái)不及充分接觸，致使胡椒堿分子不能充分?jǐn)U散到樹(shù)脂內(nèi)表面，就隨著上樣液一起泄露出去，所以造成了隨著流速的增加，吸附量下降，泄漏量增大的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中，流速為 1m L/min時(shí)，吸附量最大，且為68.55mg/g，泄漏量最小;流速為9m L/min時(shí)，吸附量最小，且為25.45mg/g，泄漏量最大。由此可見(jiàn)，吸附液流速不宜過(guò)快，慢速有利于吸附，故選擇1mL/min的流速。

圖5 不同流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附量的影響

2.4 動(dòng)態(tài)解析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著解析液的增加，洗出液中胡椒堿的濃度先迅速后緩慢降低。其中解析液中胡椒堿濃度可高達(dá)2983.66mg/m L，胡椒堿主要集中在前100m L中，其具體趨勢(shì)可見(jiàn)圖6。這主要有兩個(gè)原因:首先是因?yàn)榻馕鲩_(kāi)始的時(shí)候，解析液和樹(shù)脂間形成了最高的濃度差，胡椒堿分子很快地從樹(shù)脂移到解析液中。隨著樹(shù)脂與解析液中濃度差的減小，移動(dòng)速度減慢，解析液中胡椒堿的濃度就越來(lái)越小。其次是因?yàn)闃?shù)脂吸附飽和后，很多胡椒堿分子只是吸附在樹(shù)脂的表面。當(dāng)解析液從上而下流下的時(shí)候，由于重力作用，吸附在樹(shù)脂表面的胡椒堿很容易在解析前期被洗脫下來(lái);而吸附在樹(shù)脂微孔中的胡椒堿，在解析后期慢慢洗脫下來(lái)。集中所有解析液，測(cè)定其胡椒堿含量，根據(jù)公式(2)計(jì)算解析率為83.65%。

圖6 樹(shù)脂解析曲線

3 結(jié)論

3.1 在一定條件下，H103大孔樹(shù)脂對(duì)胡椒堿吸附量隨著初始濃度的增加而增加，但若初始濃度大于1200mg/L時(shí)，吸附量不再增加。在靜態(tài)吸附中，當(dāng)吸附液為40%EtOH及1.5mol/L AcOH且含濃度為1.0g/L的胡椒堿時(shí)，其吸附量可達(dá)42.5mg/g。用pH2的95%EtOH溶液做洗脫液時(shí)，解析率理論值可達(dá)89.51%。

3.2 在動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，用與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)相同的吸附液和解析液，當(dāng)流速為1m L/m in時(shí)，其動(dòng)態(tài)吸附量可達(dá)68.55mg/g，解析率為83.65%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于胡椒堿的工業(yè)化生產(chǎn)有指導(dǎo)意義，即可用洗脫液純化結(jié)晶，得到高純度的胡椒堿晶體，這有待于下一步的探索研究。

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Isolated characteristics of H103 macroporous resins for piperine

WU Zhen－ju，LIN Xian－zhe，PAN Hai－liang，HUANG Xue－song*
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

To investigate a low cost，high efficiency method to sepearte piperine from pepper(Piper nig rum L.)，the effects of piperine’s initial concentration，ethanol concentration，pH，velocity on isolation of piperine were studied.The results showed that the static adsorption quantity was 42.5mg/g，the resolution yield was 89.12%.However，the dynamic adsorption quantity was 68.55mg/g，the resolution yield was 83.65%.The results could be used in the production of piperine.

pepper(Piper nig rum L.);H103 macroporous resins;piperine;adsorption;resolution

TS201.1

B

1002－0306(2011)08－0295－03

2010－12－22 *通訊聯(lián)系人

吳珍菊(1988－)，女，碩士研究生，研究方向:功能食品。

廣東省高校科技成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(cgzhzd0806)。