運用改性活性炭對煙葉氨基酸水解液進行脫色最佳工藝研究

田 浩，肖 丹，釧助勝，石 瑤，潘 俊，王瀚墨，李晚誼*，夏祿華

（1.云南省農業科學院藥用植物研究所，昆明 650223；2.云南盟生藥業有限公司，昆明 650217；3.海正藥業（杭州）有限公司，浙江 富陽 311404）

活性炭是一種應用廣泛的吸附凈化材料，在水凈化、食品等的精制脫色、氣體吸附等領域均有應用[1-4]。其表面含氧官能團中酸性基團越豐富，對極性化合物吸附效率越高，而當堿性基團較多時，則易吸附弱極性或非極性物質[5]。活性炭由于其優越的吸附性能，在脫色領域發揮巨大作用。

近年來氨基酸產品發展迅速。活性炭在氨基酸水解液脫色領域發揮著重要作用，但對部分氨基酸吸附作用過強，導致收率極低。目前有人利用樹脂吸附等方法對氨基酸水解液進行脫色，收率提高，但生產成本增加。研究者們用HNO3、HClO、H2O2、(NH4)2S2O8和 KOH等試劑對活性炭進行改性處理[6-8]，改善活性炭構造、表面官能團的種類和含量等以便控制其吸附及結合能力。本研究以煙葉廢渣為原料生產氨基酸，并采用不同改性劑對活性炭進行改性處理，以改性后的活性炭為脫色劑對氨基酸水解液進行脫色處理，研究改性后的活性炭對氨基酸水解液脫色效率及各種氨基酸收率的影響，以達到活性炭表面化學性質改變提高其選擇吸附性的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、儀器和試劑

提取煙堿及茄尼醇后的煙葉廢渣的制備：取低次煙葉用90%乙醇超聲提取，過濾，取濾渣，烘干備用[9-10]。

Waters高效液相色譜儀（600型泵，717自動進樣器，2487可變波長紫外檢測器）。電子天平（Startorius），pH 儀（雷磁 PHS—3C），去離子水制備系統（ELGA公司），電子分析天平（METTLER TOLEDO），超聲波清洗儀（上海聲源超聲波儀器設備），真空干燥箱（上海實驗儀器廠有限公司）。

AccQ—FlourTM氨基酸專用衍生劑，玻璃樣品衍生管，氨基酸對照品（批號：624—200104）（中國藥品生物制品檢驗所提供）：色氨酸（Trp），天冬氨酸（Asp），丙氨酸（Ala），蛋氨酸（Met），賴氨酸（Lys），苯丙氨酸（Phe），谷氨酸（Glu），甘氨酸（Gly），組氨酸（His），精氨酸（Arg），異亮甘酸（Ile），亮氨酸（Leu），脯氨酸（Pro），絲氨酸（Ser），酪氨酸（Tyr），蘇氨酸（Thr），纈氨酸（Val）；乙腈為色譜純（TEDIA公司），去離子水自制，其余試劑為分析純。

1.2 活性炭改性處理

取活性炭各30 g，分別加入去離子水、體積分數3%硫酸、質量分數0.25% KOH、體積分數5% 醋酸150 mL，在恒溫水浴鍋中60 ℃攪拌處理4 h，過濾、取活性炭，用去離子水洗滌至pH 7.0，在110 ℃烘箱中烘干至恒重，置于干燥器中備用。

1.3 氨基酸測定

1.3.1 色譜條件 采用高效液相色譜法測定各試樣中的 16 種氨基酸含量。色譜條件為：色譜柱：Waters AccQ?Tag氨基酸分析柱（3.9 mm×150 mm,4 μm）；流速：1.0 mL/min；柱溫：25 ℃；檢測波長：248 nm；進樣量：5 μL；流動相A：稱19.04 g三水合乙酸鈉，加1000 mL去離子水溶解，用50 %H3PO4將pH調至5.20，加入1 mg/mL的EDTA溶液1 mL，加入2.37 mL三乙胺，用50 % H3PO4將pH調至4.95，流動相B：60 % 乙腈溶液；梯度洗脫程序如表1。

表1 梯度洗脫程序Table1 Gradient elution of flow phase

1.3.2 氨基酸對照品的配制 分別準確稱取一定量的17 種氨基酸對照品，加pH 9.00的水溶液制成與供試品溶液相應濃度的對照品溶液，作為氨基酸對照品原液。

1.3.3 氨基酸柱前衍生方法 分別準確量取對照品溶液和供試品溶液各20 μL，加入衍生專用管底部，加入60 μL AccQFluor硼酸緩沖液旋渦混勻，邊混勻邊加入20 μL衍生劑，封口放置1 min，放入55 ℃恒溫水浴鍋中準確保溫10 min，冷卻至室溫，待用。

1.4 脫色率測定方法

將樣品處理液稀釋5倍，在紫外-可見光分光光度計進行波長掃描，選擇390 nm為檢測波長，測定其吸光度。

1.5 活性炭脫色工藝過程及參數優化

1.5.1 氨基酸水解液制備 按原料（生產煙堿及茄尼醇后的煙葉廢渣）：HCl溶液（6 mol/L）=1:18（g/mL）的比例，在 120 ℃，真空條件下，水解12 h，過濾取濾液，得氨基酸水解液。

1.5.2 活性炭脫色工藝過程 將濾液分成若干等分，加10 mol/L的氫氧化鈉，調節至一定pH，過濾，得濾液，加入一定量的經不同改性處理的活性炭，在一定溫度與pH條件下吸附一段時間，過濾，得濾液，用HCl或NaOH溶液調pH至9.00，檢測其色素吸光度及氨基酸含量。

2 結果與討論

2.1 改性劑的確定

由圖1可見，在本試驗條件下（pH 7.00，脫色溫度40 ℃，活性炭用量1.5%，脫色40 min），經過水處理的活性炭脫色效率最好，但是其氨基酸的收率較低。作為好的活性炭，應該考察其氨基酸收率較高及脫色能力強。綜合考慮，0.25% KOH溶液處理的活性炭，其氨基酸收率最高，而且脫色能力較強。因此，本研究選用0.25% KOH溶液處理的活性炭作為繼續研究的材料。

圖1 活性炭改性劑處理對氨基酸收率及脫色率的影響Fig.1 The effect of active carbon modifier on absorption and de-coloration rates of amino acids

2.2 pH

由圖2可見，以0.25% KOH改性處理的活性炭為脫色劑，在脫色溫度為 40 ℃，活性炭用量1.5%，脫色40 min條件下，隨著pH的升高，氨基酸的收率逐漸增加，并且脫色率也逐漸增加。綜合考慮，最佳pH為10.0。此與前人所得出的活性炭在 pH＜5.0時脫色效果最佳的結論[11-12]不完全一致，可能是因為活性炭經過KOH溶液改性后，其內部空隙結構及表面官能團被改變，使其最佳脫色pH偏堿性。氨基酸的收率隨著pH的升高，在pH 8時達到最大，在pH 10時，略有減少。因此，經過0.25 % KOH溶液改良活性炭在pH 10.0條件下，有最好的脫色性能及較高的氨基酸收率。

2.3 活性炭用量

圖2 pH對氨基酸收率及脫色率的影響Fig.2 The effect of pH on absorption and de-coloration rates of amino acids

圖3 活性炭用量對氨基酸收率及脫色率的影響Fig.3 The effect of active carbon rate on absorption and de-coloration rates of amino acids

由圖3可見，在pH為10.0，脫色溫度為40 ℃，脫色40 min條件下，活性炭脫色率隨活性炭用量的增加而增加，但氨基酸收率逐漸降低，在 0.5%～1.5%范圍內，脫色率隨活性炭用量的增加而增加，而氨基酸收率略有減少，在1.5%～2.5%的范圍內，隨著活性炭用量的增加，脫色率僅有小幅度增加，而氨基酸收率明顯降低。因此，當活性炭用量達1.5%時，氨基酸的收率及溶液脫色率達到最佳。

2.4 脫色溫度

由圖4可見，在pH為10.0，活性炭用量為1.5%的脫色40 min條件下，溫度對活性炭的脫色能力影響不大，在 80 ℃時脫色效果最佳。但溫度對氨基酸收率影響較大，在60 ℃、80 ℃下，氨基酸收率有較大增高，綜合考慮，選80 ℃為最佳脫色溫度。

2.5 脫色時間

由圖5可見，在上述最佳條件下，隨著脫色時間的增加，氨基酸收率及脫色率均呈現先增加后減少的趨勢，在40 min是氨基酸的收率及氨基酸的脫色率達到最佳，因此，脫色40 min為首選。

圖4 脫色溫度對氨基酸收率及脫色率的影響Fig.4 The effect of de-coloration temperature on absorption and de-coloration rates of amino acids

圖5 脫色時間對氨基酸收率及脫色率的影響Fig.5 The effect of de-coloration time on absorption and de-coloration rates of amino acids

2.6 不同活性炭處理對各種氨基酸的吸附

在上述單因素試驗的基礎上，選用正交試驗，研究這5個因素對煙草工業廢棄物水解液中氨基酸收率及脫色率的綜合影響，最終確定最佳的生產工藝為：0.25% KOH溶液處理活性炭、pH 10、活性炭用量為2.5%、脫色溫度20 ℃、脫色20 min。所得產物氨基酸收率79.14%，脫色率達83.89%。

根據以上試驗步驟，確定未處理活性炭、水處理活性炭、硫酸處理活性炭及醋酸處理活性炭為最佳脫色工藝。同時在最佳條件下，比較各種處理方法的活性炭對該氨基酸水解液中各氨基酸吸附率的影響，結果見表 2。由于氨基酸的結構中均有-COOH和-NH2結構，所以各種處理方式的活性碳對各種氨基酸均有不同程度的吸附，KOH處理的活性炭對總氨基酸的吸附量最小為20.86%。其中Tyr和Phe由于其結構中含有芳環，所以最容易被吸附，因此吸附率最大，而通過KOH改性后活性炭大大降低了活性炭對Tyr的吸附率。經過處理的活性炭His、Lys、Ile、Leu這4種氨基酸的吸附率都有所下降，收率提高，提升了活性炭性能。

3 結 論

經0.25% KOH溶液改性處理的活性炭脫色的最佳工藝為：0.25% KOH溶液處理活性炭、pH=10、活性炭用量為2.5%、脫色溫度20 ℃、脫色20 min。所得產物氨基酸收率79.1%，脫色率達83.89%。經0.25% KOH溶液改性處理的活性炭，提高了氨基酸的收率，大大減少了活性炭對 Tyr、His、Lys、Ile和Leu這5種氨基酸的吸附率。

表2 不同處理活性炭對氨基酸的吸附率 %Table2 The different modified active carbon on adsorption rate of amino acids

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