大孔樹脂對紫玉米花青素的靜態吸附與解吸特性研究

朱敏，史振聲，李鳳海，王志斌

（沈陽農業大學特種玉米研究所，遼寧沈陽110866）

大孔樹脂對紫玉米花青素的靜態吸附與解吸特性研究

朱敏，史振聲，李鳳海，王志斌

（沈陽農業大學特種玉米研究所，遼寧沈陽110866）

為了篩選出對紫玉米花青素粗提液純化性能好的樹脂，采用AB-8型、X-5型、D101型和NKA-9型4種大孔樹脂對紫玉米花青素進行靜態吸附和解吸實驗，研究了大孔樹脂對紫玉米花青素的靜態吸附動力學曲線，以Langmuir單層吸附方程制定吸附等溫曲線，并研究了不同pH條件下對大孔吸附樹脂吸附的影響及不同樹脂的解吸特性。結果表明：X-5樹脂吸附平衡速率常數最大，達到飽和吸附量所用時間最短，經Langmuir單層吸附回歸方程預測出X-5樹脂靜態吸附時最大吸附量可達到53.1915mg/g。在pH=4時，飽和吸附量最大。因而X-5可用做純化紫玉米花青素較為合適的吸附劑，解吸時宜選用40%乙醇做為洗脫液。

紫玉米花青素，大孔樹脂，吸附，解吸

紫玉米（Purple corn）原產南美山區，被原屬印加帝國范圍內的居民作為糧食食用，其大小與普通玉米相同，但其種子呈紫黑色，有的植株和葉片也帶有紫色[1]。紫玉米色素屬于花青素類物質，研究表明[2-4]，花青素不僅是良好的天然著色劑，而且還具有抗氧化、抗突變、預防心腦血管疾病等功能，在食品、藥品、化妝品等領域有著廣闊的應用前景。然而由于紫玉米花青素粗提液中含有糖類、蛋白質等雜質，會影響花青素的品質和穩定性，因此必須對紫玉米花青素粗提液提純后才能應用于工業化生產。大孔吸附樹脂是一類新型非離子型高分子化合物，具有物理化學穩定性高、吸附選擇性好、富集效果強、再生簡便、使用周期長等優點，近年來逐漸被應用于花青素、類黃酮及酚類物質的分離純化研究中[5]。目前，已有大量研究利用大孔樹脂對葡萄皮色素[6-7]、蘿卜色素[8]、蜀葵花色素[9]和紫甘薯色素[10-11]等進行純化，并取得了一些成果。本文就大孔樹脂對紫玉米花青素的吸附和解吸性能、吸附動力學曲線和吸附等溫曲線進行了研究，探討不同樹脂分離純化紫玉米花青素的方法和條件，旨在為紫玉米花青素純化工藝的建立和優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫玉米組合SZ15沈陽農業大學特種玉米研究所選育，將風干的紫玉米穗軸用粉碎機粉碎，過100目篩，避光保存備用；大孔吸附樹脂AB-8型、X-5型、D101型和NKA-9型，樹脂性能見表1；乙醇、鹽酸分析純。

電動粉碎機、電子天平北京賽多利斯儀器系統有限公司；PH-3C型精密酸度計上海雷磁儀器廠；721型可見分光光度計上海奧諾勒儀器有限公司；數顯電熱恒溫水浴鍋北京市光明醫療儀器廠；SHB-Ⅲ真空循環水勢多用泵鄭州長城科工貿有限公司；LGR16-W臺式高速冷凍離心機北京京立離心機有限公司；WD-9405B型水平搖床北京市六一儀器廠沃德生物醫學儀器公司。

表1大孔吸附樹脂的理化性質Table 1Physical properties of four kinds of macro porous resins

1.2 實驗方法

1.2.1 紫玉米色素提取方法紫玉米穗軸粉→提取劑提取（無水乙醇+20%鹽酸）→過濾→真空濃縮，得色素濃縮液，以pH=3的緩沖液（檸檬酸-磷酸氫二鈉）稀釋，用于靜態吸附及解吸特性研究。

1.2.2 紫玉米色素標準曲線制作準確稱取干燥至恒重的紫玉米色素0.05g，用pH=3的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液定容至25mL，得到濃度為2.0mg/mL的色素液，取1、2、3、4、5、6mL該色素液于25mL容量瓶中，加pH3的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液稀釋至刻度，以蒸餾水為空白于526nm處測定吸光度，以y表示色素液濃度（mg/mL），x表示色素液吸光度，繪制標準曲線。

1.2.3 靜態吸附及解吸指標

其中：Qra—吸附率（%），Qa—吸附量（mg/g），C0—溶液初始濃度（mg/mL），Cr—吸附平衡后的溶液濃度（mg/mL），Va—色素溶液體積（mL），W—樹脂質量（g），Qd—解吸量（mg/g），Cd—解吸液濃度（mg/mL），Vd—解吸液體積（mL），Qrd—解吸率（%）。

1.2.4 各種樹脂靜態吸附率比較將表1中各大孔吸附樹脂預處理后，去除表面水分，準確稱取大孔樹脂1.00g，置于100mL三角瓶中，加入1.26mg/mL的色素溶液30mL，將三角瓶放置于水平搖床上振蕩，振蕩速度為100r/min。每隔1h吸取上清液于526nm處測吸光度A，以蒸餾水為空白，繪制各種樹脂24h內吸附曲線，以吸附率比較各種樹脂的吸附性能。

1.2.5 大孔吸附樹脂吸附動力學研究準確稱取表1中各種預處理后的濕樹脂1g于100mL三角瓶，加入1.26mg/mL的色素溶液30mL，放置于水平搖床上振蕩，振蕩速度為100r/min。連續測定前5h及24h的吸附量，根據吸附量與時間的關系，以Langmuir方程計算四種樹脂的吸附速率常數K。該方程基于均一表面單層吸附假設，其一般形式為：lnQe/ln（Qe-Qt）=Kt，其中，Qe-吸附平衡后樹脂的吸附量（mg/g）；Qt-t時刻樹脂的吸附量（mg/g）。

1.2.6 色素液濃度對樹脂吸附的影響稱取表1中各種預處理后的濕樹脂2g于100mL三角瓶，分別加入5種不同濃度的紫玉米色素20mL，放置于水平搖床上振蕩吸附24h，振蕩速度為100r/min。根據靜態吸附平衡后測定的平衡濃度以及計算出的平衡吸附量繪制樹脂的等溫吸附曲線，觀測隨著色素液濃度增加樹脂飽和吸附量的變化。

1.2.7 pH對大孔吸附樹脂吸附的影響分別用pH為1、2、3、4、5、6的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液稀釋色素濃縮液，準確稱取表1中各種樹脂濕重1g于100mL三角瓶，分別加入不同pH由檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液稀釋的色素液各20mL，放置于水平搖床上振蕩吸附24h，振蕩速度為100r/min，計算吸附率。

1.2.8 各種樹脂靜態解吸率比較將已吸附飽和的4種樹脂AB-8型、X-5型、D101型和NKA-9型，各稱取2g于100mL三角瓶，依次用蒸餾水、20%、40%、60%、80%、100%乙醇（含0.05%鹽酸）梯度洗脫（各25mL）。每次洗脫振蕩30min（100r/min）。過濾，以蒸餾水作空白，在526nm處測濾液吸光度，A總為梯度洗脫濾液吸光度累加，以參數（A總/吸附率Qra）表示各樹脂解吸效果。

1.2.9 pH對紫玉米色素解析率的影響分別用pH為1、2、3、4、5、6的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液稀釋色素濃縮液，準確稱取6份上述實驗篩選出的最佳吸附樹脂濕重2g于100mL三角瓶，分別加入不同pH的色素濃縮液各25mL，放置于水平搖床上振蕩吸附24h，振蕩速度為100r/min，吸附飽和后，用上述實驗篩選出的最佳洗脫劑洗脫，計算不同pH對紫玉米色素的解析率。

2 結果與分析

2.1 紫玉米色素標準曲線

紫玉米色素標準曲線見圖1，回歸方程為：y=2.6468x+ 0.0211，R2=0.9989。

圖1 紫玉米色素標準曲線Fig.1Standard curve of purple corn anthocyanins

2.2 各種樹脂靜態吸附率比較

由圖2可以看出，隨著時間的推移，各樹脂吸附率逐漸增大然后趨于平穩，前1h內吸附速度增加較快，之后吸附速度增加逐漸變小，5h后吸附速度逐漸趨于緩慢至吸附平衡。X-5與AB-8兩種樹脂表現出對紫玉米色素較好的吸附性能，X-5樹脂的吸附率（5h）分別是AB-8、D101和NKA-9樹脂的1.03、1.06、1.02倍。當達到吸附平衡時，AB-8、D101、NKA-9與X-5樹脂的靜態吸附率分別為99.36%、99.14%、97.86%和95.72%。

圖2 各種樹脂靜態吸附率比較Fig.2Comparison of static adsorption rates of different macroporous resins

2.3 不同樹脂的吸附速率常數的比較

不同樹脂的吸附速率常數K見表2。樹脂吸附速率常數K值越大，說明樹脂達到吸附平衡所需要的時間越短。與AB-8、D101和NKA-9相比，X-5樹脂有較大的吸附速率常數，因此，可以初步判定，X-5樹脂對紫玉米色素表現出優良的選擇吸附性。

表2 各種樹脂的吸附速率常數Table 2The K of different macroporous resins

2.4 色素液濃度對樹脂吸附的影響

由于不同樹脂的理化性質，如孔徑、極性、比表面積的不同，可能會對不同濃度的色素液產生不同的吸附效果。由以上實驗可以得出，在一定色素濃度下，AB-8、X-5、D101和NKA-9這四種樹脂對紫玉米色素均表現出較好的吸附性能。為進一步篩選不同樹脂對色素液吸附適宜的濃度范圍，本實驗繪制了等溫吸附曲線，見圖3。在所設定的濃度范圍內，隨著色素液濃度的增加，AB-8、NKA-9和X-5樹脂的飽和吸附量上升最明顯，其中X-5樹脂的飽和吸附量最大，而D-101上升幅度則比較平緩。

圖3 不同樹脂吸附等溫曲線Fig.3The adsorption isothermal curves of different macroporous resins

樹脂吸附等溫曲線可用Langmuir單層吸附方程表示：

Ce/Qe=Ce/Qmax+1/aQmax

式中：Qmax—樹脂的最大吸附量，mg/g；Qe—樹脂在一定色素濃度下的平衡吸附量，mg/g；Ce—色素液吸附平衡后濃度，μg/mL；a—常數。

X-5樹脂對紫玉米色素靜態吸附的回歸Langmuir方程曲線見圖4，由此可以計算得到X-5樹脂的最大吸附量（見表3）。Langmuir方程能很好地描述X-5樹脂對紫玉米色素的靜態吸附。

圖4 X-5樹脂對紫玉米色素靜態吸附線性回歸Fig.4The static adsorption curve of X-5 resin

表3X-5樹脂吸附的Langmuir方程參數Table 3Langmuir equation parameters of X-5 resin

2.5 pH對紫玉米色素靜態吸附率的影響

不同紫玉米色素液pH對樹脂吸附性能的影響見圖5。各種樹脂均表現為pH在3~4時，對紫玉米色素有較好的吸附效果，隨著色素液pH的增大，吸附率逐漸下降。其中X-5樹脂在pH=4時吸附率最高可達89.63%。一般來說，色素在酸性介質下穩定性較強，因此，應該選擇在色素液pH為3~4的條件下進行吸附才能達到較好的吸附效果。

圖5 pH對樹脂靜態吸附率的影響Fig.5Effect of pH on static adsorption rates of different macroporous resins

2.6 各種樹脂解吸性能比較

由表4可以看出，AB-8、D101、X-5和NKA-9四種樹脂的梯度洗脫性能，從總的解吸性能來看，X-5＞AB-8＞D101＞NKA-9；從解吸液乙醇濃度來看，AB-8、D101、NKA-9和X-5樹脂的洗脫峰均集中在40%乙醇濃度處，且X-5樹脂在用40%乙醇洗脫時，洗脫液的濃度最大，洗脫效果最好，這樣可以避免在用低濃度乙醇洗脫時一些糖類、蛋白質等物質的殘留，從而進一步提高色素的純度。因此，綜合來看，X-5樹脂可以作為紫玉米色素的純化樹脂。

2.7 X-5樹脂對不同pH紫玉米色素解析率的影響

一般來說，色素在酸性介質下比較穩定。根據上述實驗篩選出40%乙醇對X-5樹脂的解吸效果最好，圖6為X-5樹脂對不同pH紫玉米色素液解吸性能的影響。由圖6可知，40%乙醇對pH=3的紫玉米色素液解吸效果最好，解吸率為43.23%，而隨著pH的升高，解吸率有所下降。前面已研究表明，紫玉米色素液在pH=3~4的條件下吸附率最高，因此在精制純化紫玉米色素時，應選用pH=3~4的色素液為宜。

表4 各種樹脂解吸性能比較Table 4Comparison of desorption properties of different macroporous resins

圖6 X-5樹脂對不同pH紫玉米色素解析率的影響Fig.6Effect of X-5 resin on desorption rate of purple corn anthocyanins with different pH

3 結論與討論

3.1 X-5樹脂在純化紫玉米色素中表現出良好的選擇吸附性及解吸性，綜合表現優于AB-8、D101和NKA-9三種樹脂。各樹脂的吸附率（5h），X-5為94.23%、AB-8為91.87%、D101為88.88%、NKA-9為92.30%。且X-5樹脂具有較高的吸附速率常數，能更快達到吸附平衡。國內文獻已有研究利用X-5樹脂吸附和分離純化甘藍紅色素，結果表明在pH=3.5時，X-5樹脂吸附甘藍紅色素的能力較強，同時用無水乙醇作為洗脫液效果最佳。本實驗研究結果與之基本一致，因此，本文研究結果對X-5樹脂純化紫玉米色素的工業化生產具有一定意義。

3.2 隨著色素液濃度的增加，X-5樹脂的平衡吸附量逐漸增多，適合較高濃度色素液的吸附，達到飽和吸附量所用時間短，且吸附量大，從實驗成本考慮，X-5為最佳紫玉米吸附樹脂，并預測出X-5樹脂靜態吸附時最大吸附量可達到53.1915mg/g。

3.3 在紫玉米色素液濃度一定時，X-5樹脂在色素液pH=4時，其飽和吸附量可達到52.03mg/g濕樹脂，比其它三種樹脂飽和吸附量要大，吸附條件溫和，具有良好的工業應用前景。

3.4 X-5樹脂用于純化紫玉米色素時，40%乙醇可作為最佳解吸劑。

3.5 40%乙醇對pH=3的紫玉米色素液解吸效果最好。

[1] Hiromitsu Aoki，Noriko Kuze，Yoshiaki Kato.Foods and food ingredients[J].J of Jap，2002，199：41-45.

[2] Yasuko Nods，Takao Kneyuki，Kiharu Igarashi，et al.Antioxidant activityofnasunin，ananthocyaninin eggplant peels[J].Toxicology，2000，148：119-23.

[3] T Osawa.Functional activity of polyphenolsincluding anthocyanins[J].Foods and Food Ingredients（Jap），2001，192：4-10.

[4] T Osawa，et al.Protective effects of dietary cyanidin-3-O-β-D-glucoside on liver ischemia-reperfusion injury in rats[J].Arch Biochem Biophys，1999，368：361-366.

[5] 韓兆軒.大孔樹脂純化菠蘿皮黃酮類化合物的研究[J].廣東海洋大學學報，2009（3）：90-94.

[6] 鄧潔紅.HP-20樹脂對刺葡萄皮色素純化特性研究[J].食品工業科技，2008，29（2）：145-148.

[7] 鄧潔紅.刺葡萄皮色素的研究[D].長沙：湖南農業大學，2007.

[8] 徐忠，張亞麗.D101大孔樹脂對蘿卜紅色素的吸附特性研究[J].食品科學，2002（1）：59-60.

[9] 孫健，蔣躍明，彭子模.利用大孔吸附樹脂提取蜀葵花色素的研究[J].生物技術，2005（1）：65-67.

[10] 陳勇，張晴.AB-8大孔吸附樹脂吸附和分離紫甘薯色素的研究[J].中國食品添加劑，2001（1）：6-9.

[11] 朱洪梅，韓永斌，顧振新，等.大孔樹脂對紫甘薯色素的吸附與解吸特性研究[J].農業工程學報，2006，22（5）：153-156.

Study on the purification characteristics of macroporous resins to purple corn anthocyanins

ZHU Min，SHI Zhen-sheng，LI Feng-hai，WANG Zhi-bin
（Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China）

In order to screen the optimum macroporous resins and conditions for the purification of anthocyanins from purple corn，the static adsorption and desorption of four kinds of macroporous resins（AB-8，X-5，D10 1 and NKA-9）were investigated.The static adsorption dynamic processes of resins were studied.The isothermal curves of resins were analyzed by Langmuir equation.The characteristics of adsorption in different pH and desorption characteristics were also studied.The result indicated that X-5 type macroporous resin was the suitable resin for purifying purple corn anthocyanins.The K of X-5 resin was the highest and the time of saturation was the shortest.The X-5 adsorption amount was 53.1915mg/g under saturation adsorption which predicted by Langmuir equation.The saturation adsorption of X-5 was the highest when the pH=4.The result of desorption experiment showed that 40%ethanol solution was the optimum solution for desorbing purple corn anthocyanins.

：purple corn anthocyanins；macroporous resins；adsorption；desorption

TS210.1

A

1002-0306（2012）01-0152-04

2010－06－30

朱敏（1982-），女，在讀博士，研究方向：紫玉米花青素分離純化研究。