木瓜多糖的冷電弧-光催化-吸附脫色工藝研究

謝 勇，王中來(lái)*

（福州大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350001）

木瓜為薔薇科植物貼梗海棠（Chaenomeles speciosaNakai）干燥近成熟果實(shí)，習(xí)稱(chēng)”皺皮木瓜”，又名鐵腳梨等[1]。木瓜不僅可藥用，還可食用，木瓜果實(shí)中含有蛋白質(zhì)、多糖、還原糖、黃酮、枸櫞酸、抗壞血酸等成分[2]。木瓜多糖（papaya polysaccharide）具有一定的抗氧化活性、保濕性等功效，可用于藥物載體、保濕劑等方面[3-4]。

木瓜中的色素成分主要包括類(lèi)胡蘿卜素及黃酮等。目前木瓜多糖的脫色方法多為吸附法和氧化法，這些脫色技術(shù)不僅效果不佳而且脫色時(shí)間較長(zhǎng)。冷電弧又稱(chēng)冷等離子體，特指由帶電的電子、離子、中性粒子、活性自由基及射線(xiàn)組成[5]。光催化是指半導(dǎo)體光催化劑TiO2等利用紫外線(xiàn)，激發(fā)光生電子和光生空穴，催化氧化產(chǎn)生大量的自由基。冷電弧-光催化-吸附技術(shù)脫色的基本原理就是將光催化劑負(fù)載于具有吸附作用的載體（如活性炭、層狀石墨、陶瓷、氧化鋁等）上，然后將其填充于產(chǎn)生冷電?。ɡ涞入x子體）的裝置中，在高強(qiáng)度電場(chǎng)作用下冷電弧裝置產(chǎn)生大量的可以激發(fā)TiO2產(chǎn)生大量的自由基的紫外線(xiàn)，產(chǎn)生的高活性自由基即對(duì)吸附在填充物介質(zhì)周?chē)哪繕?biāo)物進(jìn)行氧化降解，使其轉(zhuǎn)化為可降解或容易分離的小分子物質(zhì)，甚或直接降解成H2O和CO2，從而達(dá)到脫色目的。納米TiO2有金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型3種晶型，其中銳鈦礦型光催化活性最高[6]。由于半導(dǎo)體TiO2的禁帶寬度僅為3.2eV，對(duì)可見(jiàn)光的利用率不高[6]，為拓寬TiO2光催化劑的光譜響應(yīng)范圍和提高光量子效率，可采用離子參雜的方法對(duì)其進(jìn)行修飾?？讋︼w等[7]利用過(guò)渡金屬離子鈷（Co2+）和稀土離子鈰（Ce6+）摻雜到TiO2中，且取得了一定的成果。冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)不僅利用了冷電弧技術(shù)，還綜合了TiO2的催化作用及活性炭的吸附作用。郭剛等[8-9]已利用冷電弧-光催化技術(shù)對(duì)荔枝多糖和龍眼多糖進(jìn)行脫色，并取得了良好的效果。本研究采用離子參雜的方法對(duì)光催化劑進(jìn)行修飾，然后負(fù)載于活性炭上，制得冷電弧-光催化-吸附集成裝置，并利用該裝置對(duì)木瓜多糖進(jìn)行脫色研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木瓜：市售，福州市永輝超市；活性炭（Φ1.5～2.0mm）：長(zhǎng)沙市中質(zhì)環(huán)保科技有限公司；鈦酸四丁酯、濃硫酸、無(wú)水乙醇、硫酸亞鐵、蒽酮、冰醋酸、乙酰丙酮、葡萄糖等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PTI-15/17KV-60HZ高壓變壓器：PlasmaTechnics，Inc；日立UV900 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：美國(guó)Perkin Elmer公司；Zetasizer Nano ZS90 Malvern激光粒度儀：英國(guó)馬爾文儀器有限公司；ZT60-600 恒流泵：蘭格恒流泵有限公司；DRZ-80電阻爐溫度控制器：天津市華北試驗(yàn)儀器有限公司；冷電弧-光催化-吸附裝置：自制。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 TiO2光催化劑的制備及負(fù)載

A液：鈦酸四丁酯/無(wú)水乙醇/冰醋酸/乙酰丙酮=65∶100∶2.5∶1（V/V）；B液：體積分?jǐn)?shù)為2%的硝酸溶液，4倍于無(wú)水乙醇體積；C液：體積分?jǐn)?shù)為10%的三乙醇胺溶液，與無(wú)水乙醇等體積。將B液緩慢加入A液中并不斷攪拌直至白色沉淀消失為止，后緩慢加入C液并快速攪拌，然后加入1/5倍無(wú)水乙醇體積的0.01mg/mL亞硫酸鐵，直至溶液呈淡藍(lán)色，避光儲(chǔ)存7d后用Malvern激光粒度儀測(cè)定納米TiO2顆粒的粒徑。按液固比2∶1將鈦膠與活性炭混合，加入一定量的可溶性淀粉并迅速攪拌30min、靜置24h，然后過(guò)濾瀝干，于120℃烘箱中干燥2h。最后將其置于電阻爐溫度控制器中500℃條件下處理2h，即得所需TiO2光催化劑[6]。

1.3.2 冷電弧-光催化-吸附裝置的制作

冷電弧反應(yīng)器以鋼化玻璃為介質(zhì)，紗布為流面層，銅箔為電極導(dǎo)體，采用典型的立式介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)[5]。

1.3.3 試驗(yàn)流程

圖1 冷電弧-光催化-吸附集成反應(yīng)器脫色試驗(yàn)流程圖Fig.1 Technology process of decoloration experiment by non-thermal plasma-photocatalytic-adsorption

將負(fù)載有TiO2的活性炭添加到冷電弧-光催化-吸附裝置中。調(diào)節(jié)圖1中二級(jí)變壓器將220V交流電壓調(diào)至試驗(yàn)所需電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)恒流泵流速至試驗(yàn)所需的流速，然后用蒸餾水對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清洗，同時(shí)注意保持裝置外部干燥。待蒸餾水基本流盡后，將木瓜多糖混合液泵入該裝置中以進(jìn)行脫色處理。具體試驗(yàn)流程如圖1所示[8]。

1.3.4 木瓜多糖溶液的制備

將新鮮木瓜削皮、去籽、切片、烘干、粉碎后，過(guò)40目篩，稱(chēng)取一定量的木瓜粉，按液固比40∶1添加蒸餾水、超聲處理35min、75℃水浴浸提65min，離心去除濾渣，將所得溶液定容于一定體積的容量瓶中，待脫色處理。

1.3.5 木瓜多糖的測(cè)定

采用蒽酮-硫酸法[10]測(cè)定溶液中的總糖，3，5-二硝基水楊酸（dinitrosalicylic acid，DNS）法[11]測(cè)定其還原糖，兩者之差即為木瓜多糖的含量。

1.3.6 多糖提取液最大吸收波長(zhǎng)的測(cè)定

將木瓜多糖提取液進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光譜全波長(zhǎng)掃描，確定溶液有色物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng)。

1.3.7 單因素試驗(yàn)

在常溫、常壓、空氣相對(duì)濕度＜70%的條件下，量取100mL木瓜多糖粗提液，以脫色率和多糖保留率為指標(biāo)。研究多糖初始濃度、電壓、脫色時(shí)間及活性炭填充率4個(gè)因素對(duì)木瓜多糖粗提液脫色效果的影響，脫色率與糖保留率計(jì)算公式如下：

式中：A0為脫色前的吸光度值，A1為脫色后的吸光度值。

式中：C1為脫色后木瓜多糖的質(zhì)量濃度，mg/mL，C0為脫色前木瓜多糖的質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.3.8 木瓜多糖脫色工藝的優(yōu)化

選取脫色時(shí)間、電壓、活性炭填充率及多糖初始質(zhì)量濃度4個(gè)因素，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化脫色條件[12]。以木瓜多糖溶液的脫色率（Y1）和糖保留率（Y2）為考察指標(biāo)，采用綜合評(píng)分法進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為多糖脫色率和保留率的權(quán)重各占50%，即綜合得分Y=（Y1+Y2）×50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 多糖粗提液最大吸收波長(zhǎng)的確定

掃描結(jié)果表明，木瓜多糖溶液無(wú)最大吸收波長(zhǎng)。根據(jù)多糖溶液脫色前后均為橙黃色，故從溶液的互補(bǔ)色考慮，選擇450nm為檢測(cè)波長(zhǎng)[14]。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 脫色時(shí)間對(duì)木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

在多糖初始質(zhì)量濃度3.13mg/mL、電壓14.0kV、載有光催化劑納米TiO2活性炭填充率33.0%條件下，脫色時(shí)間對(duì)木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖2所示。

圖2 脫色時(shí)間對(duì)木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.2 Effect of time on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖2中可知，多糖粗提液的脫色率隨脫色時(shí)間的增加逐漸升高，而糖保留率卻隨之逐漸降低。處理時(shí)間的增加，增加了木瓜多糖液的循環(huán)次數(shù)從而增加了與反應(yīng)體系的接觸時(shí)間，有利于冷電弧、光催化、吸附作用及其協(xié)同作用的累積，色素分子大量被氧化從而提高了脫色效率；但時(shí)間不宜超過(guò)45min，以免造成多糖的大量損失。

2.2.2 電壓對(duì)木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當(dāng)多糖初始質(zhì)量濃度為3.13mg/mL、脫色時(shí)間15min、納米TiO2活性炭填充率33.0%時(shí)，電壓對(duì)木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖3所示。

圖3 電壓對(duì)木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.3 Effect of voltage on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖3可知，電壓升高，木瓜粗提液的脫色率明顯增加，糖類(lèi)物質(zhì)的保留率一直呈遞減的趨勢(shì)。當(dāng)電壓從10kV上升到13kV后，脫色率急劇增加，之后雖然也呈遞增趨勢(shì)，但比緩慢，而糖類(lèi)物質(zhì)保留率的下降趨勢(shì)平緩。這可能是因?yàn)榈陀?3kV時(shí)，冷電弧效果比較微弱，產(chǎn)生的紫外光較少，光催化效果比較差，冷電弧、光催化作用及其協(xié)同效應(yīng)都相對(duì)較弱，所以脫色率不高；當(dāng)增大電壓后，綜合作用得到顯著加強(qiáng)，脫色率明顯上升，但高于25kV時(shí)操作不安全，故電壓保持在18～25kV較合適。

2.2.3 活性炭填充率對(duì)木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

選取多糖初始質(zhì)量濃度3.13mg/mL、脫色時(shí)間15min、電壓15kV，活性炭填充率對(duì)木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖4所示。

圖4 活性炭填充率對(duì)木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.4 Effect of activated carbon filling rate on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖4可知，隨著活性炭填充率的增加，多糖粗提液的脫色率逐漸升高，多糖的保留率逐漸降低。在沒(méi)有添加活性炭時(shí)，脫色率約為31%，遠(yuǎn)低于加入活性炭時(shí)的脫色率，這說(shuō)明單一冷電弧技術(shù)的脫色效果不如冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)的脫色效果。但當(dāng)填充率大于51%后，可能是因?yàn)榉磻?yīng)裝置內(nèi)氣液分布不均導(dǎo)致冷電弧作用減弱，雖然光催化劑及活性炭的量增加，但光催化劑需要的激發(fā)光如紫外線(xiàn)并沒(méi)有增加，光催化作用及冷電弧作用的減弱抵消了部分活性炭的吸附作用，總體上呈現(xiàn)平衡趨勢(shì)。

2.2.4 多糖初始質(zhì)量濃度對(duì)木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當(dāng)脫色時(shí)間為15min、電壓15kV、納米TiO2活性炭填充率40%時(shí)，多糖初始質(zhì)量濃度對(duì)木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖5所示。

圖5 木瓜多糖濃度對(duì)其脫色率和糖保留率的影響Fig.5 Effect of polysaccharide concentration on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖5可知，木瓜多糖質(zhì)量濃度為4.0～1.5mg/mL范圍時(shí)，脫色率達(dá)到50%～70%。脫色率呈先增后降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)楦哔|(zhì)量濃度時(shí)，多糖液體系中的色素含量較多，且色素分子的吸附抑制了電子空穴的復(fù)合，加強(qiáng)了光催化作用，被降解的色素也越多，但是在單位時(shí)間內(nèi)催化氧化降解色素分子的能力時(shí)有限的，質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，生產(chǎn)的中間產(chǎn)物富集在活性炭及光催化劑周?chē)?，阻礙了光催化劑的催化作用及活性炭的吸附作用[15]。

2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定木瓜多糖最佳脫色工藝條件

2.3.1 因素水平編碼

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的要求，需對(duì)所選因素進(jìn)行編碼，選取脫色時(shí)間、加載電壓、多糖初始質(zhì)量濃度及活性炭填充率4個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，因素水平編碼見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Factors and levels of response surface methodology

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Quadratic orthogonal rotary combination design and experimental results

2.3.2 回歸方程及回歸系數(shù)的檢驗(yàn)

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the fitted regression model

由表3 可知，回歸方程在α=0.01水平上高度顯著，X1X2、X1X3、X3X4和X2X4均不顯著，X2、X3、X1X4、X2X3、X22、X32及X42在α=0.01水平上高度顯著，X1、X12、X4在α=0.05水平上顯著，剔除不顯著項(xiàng)，并代入中心化公式X′=X2-0.667得回歸方程（3）：

2.3.3 零水平處重復(fù)試驗(yàn)

在中心點(diǎn)處有12次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為Y01，Y02，…，Y12，用由此產(chǎn)生的誤差平方和S誤對(duì)失擬平方和Slf進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如公式（4）所示：

由公式（5）可知，失擬誤差是由試驗(yàn)誤差引起的，回歸方程在中心點(diǎn)擬合較好。

2.3.4 回歸方程的還原

根據(jù)編碼公式，將簡(jiǎn)化后的回歸方程變換得方程（5）：

2.3.5 最佳工藝條件確定

對(duì)方程（5）求偏導(dǎo)數(shù)得最優(yōu)值，Z1=3.7、Z2=22.7、Z3=24、Z4=41.4，即多糖初始濃度3.7mg/mL、處理時(shí)間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%為最優(yōu)工藝條件，將其代入方程（6）得綜合得分73.7。將此條件進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，測(cè)得脫色率72.2%，糖保留率76.6%，綜合得分74.9，與預(yù)測(cè)值相差1.8%。

3 結(jié)論

乙酰丙酮、可溶性淀粉及硫酸亞鐵可顯著提高TiO2催化劑的催化活性，通過(guò)單因素試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)，得出最佳脫色工藝條件為多糖初始質(zhì)量濃度3.7mg/mL、處理時(shí)間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%，脫色率達(dá)73.2%，糖保留率達(dá)76.6%。在同等條件下，冷電弧-光催化-吸附技術(shù)的脫色率比單一冷電弧技術(shù)高26.8%。冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)在木瓜多糖脫色工藝中取得了良好的脫色效果，且具有脫色時(shí)間短、無(wú)二次污染、操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，這可為該技術(shù)在其它脫色工藝中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

[1]林 丹，郭素華.木瓜化學(xué)成分、藥理作用研究進(jìn)展[J].海峽藥學(xué)，2009，21（11）：85-86.

[2]孫連娜，洪永福，郭學(xué)敏，等.光皮木瓜化學(xué)成分的研究（Ⅱ）[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（10）：752.

[3]徐懷德，秦盛華.超聲波輔助提取光皮木瓜多糖及其體外抗氧化性研究[J].食品科學(xué)，2010，31（10）：106-111.

[4]ZHANG Z S,WANG X M,HAN Z P,et al.Purification,antioxidant and moisture-preserving activities of polysaccharides from papaya[J].Carbohyd Polym,2012,87（3）:2332-2337.

[5]郭 剛，王中來(lái)，程冬洋，等.龍眼多糖的冷電弧脫色工藝研究[J].食品工業(yè)科技，2011，32（4）：220-223.

[6]劉守新，陳 曦.TiO2/活性炭負(fù)載型光催化劑的溶膠-凝膠法合成及表征[J].催化學(xué)報(bào)，2008，29（1）：20-24.

[7]孔劍飛，翟玉春，谷亨達(dá)，等.鈰和錳參雜納米TiO2的溶膠-凝膠法制備及其光催化性能[J].工業(yè)催化，2007，15（8）：32-34.

[8]郭 剛，王中來(lái)，程冬洋，等.荔枝多糖的冷電弧-光催化脫色工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué)，2011，32（12）：14-18.

[9]劉丹丹，王中來(lái)，胡雅娜，等.TiO2光催化劑在活性炭上的固定化條件優(yōu)化及在枸杞多糖脫色中的應(yīng)用研究[J].食品工業(yè)科技，2012，33（18）：253-255.

[10]張 杰，李春艷，李勁平，等.蒽酮硫酸法與苯酚硫酸法測(cè)定竹節(jié)參多糖含量的比較研究[J].中南藥學(xué)，2012，10（6）：422-424.

[11]趙 凱，許鵬舉，谷廣燁.3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定還原糖含量的研究[J].食品科學(xué)，2008，29（8）：534-536.

[12]潘麗軍.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.

[13]郭純孝.計(jì)算化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[14]楊 云，劉福勤，馮衛(wèi)生，等.堿法提取大棗多糖及活性炭脫色的工藝研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30（7）：30-32.

[15]FUJI S M,HONG D.Electrochemical photolysis of water a semiconductor electrode[J].Nature,1972,238(5358):37-38.