大孔樹脂純化生姜多酚的研究

劉軍偉，李嘯晨，侯嬰惠，王蕓，宋榮珍，唐曉珍

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018）

大孔樹脂純化生姜多酚的研究

劉軍偉，李嘯晨，侯嬰惠，王蕓，宋榮珍，唐曉珍*

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018）

采用大孔樹脂吸附法對生姜多酚純化工藝進(jìn)行研究。選擇5種大孔吸附樹脂，篩選出AB-8樹脂為生姜多酚的純化樹脂并通過靜態(tài)試驗(yàn)及動態(tài)吸附對生姜多酚的大孔樹脂純化工藝優(yōu)化。確定生姜多酚純化樹脂的靜態(tài)吸附條件為：最佳吸附時(shí)間為2 h，最佳的吸附溫度為30℃，樹脂質(zhì)量為10 g；動態(tài)吸附條件為：將100 mL上樣濃度為1 mg/mL的生姜多酚，在上樣流速1 mL/min條件下進(jìn)行吸附，用體積為150 mL的70%乙醇溶液洗脫，此條件下解吸率為85.9%。

生姜；多酚；大孔樹脂；純化

生姜為姜科植物姜的鮮根莖，是日常生活中的調(diào)味料，也是傳統(tǒng)藥食兩用的植物。生姜多酚是生姜的主要功能成分，近年來國內(nèi)外研究表明，生姜多酚具有抗氧化[1-2]、抗炎[3]、抗糖尿病[4]、抗肥胖以及抗癌[5-6]等生物學(xué)功能，在食品、化妝品，醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[7-8]。

生姜多酚提取的方法很多，如溶劑法[9]，水蒸汽蒸餾法，超聲波法[10]，超臨界和微波萃取法，酶法輔助提取[11]等。由于提取的生姜多酚含有較多的雜質(zhì)[12]，還需要進(jìn)一步分離純化。而關(guān)于其純化工藝方法也有所不同，主要有大孔樹脂吸附法[13]、離子交換層析[14]法等。而大孔樹脂理化性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的選擇性、易解吸吸附、高機(jī)械強(qiáng)度、再生效果好、周期使用長等優(yōu)點(diǎn)且對提取物兼有分離和篩選作用，被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的分離純化[15-16]。李波等[17]研究了大孔樹脂純化紅松松球鱗片多酚。付瑞敏等[18]研究了大孔樹脂對蘋果多酚的吸附。馬藝丹等[19]研究了神秘果種子多酚的大孔樹脂工藝研究。

基于以上研究現(xiàn)狀，本試驗(yàn)通過對5種樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)，篩選出合適的大孔樹脂，并通過靜態(tài)試驗(yàn)及動態(tài)吸附對生姜多酚的大孔樹脂純化工藝進(jìn)行研究，得出最佳工藝條件，為生姜多酚的綜合利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮生姜：山東濰坊江海食品有限公司。

1.2 試劑

無水乙醇：天津凱通化學(xué)試劑有限公司；香草醛：天津市百世化工有限公司；AB-8、HPD-400、S-8、AL-1、D4020大孔樹脂：滄州寶恩化工有限公司。

1.3 主要儀器

RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、SHZ-ⅢD型循環(huán)水真空泵：上海亞榮生化儀器廠；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇常州國華電器有限公司；TDL-5-A離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；萬分之一天平：上海臺鈺電子有限公司；UV-725型紫外可見分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；恒流泵、層析柱、HD-3紫外檢測儀、HD-A層析圖譜采集分析儀、SBS-100數(shù)控計(jì)滴自動部分收集器：上海滬西分析儀器廠有限公司。

1.4 方法

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

參照黃雪松等[20]的方法，配制濃度為20 μg/mL的香草醛標(biāo)準(zhǔn)溶液。準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mL，95%乙醇定容，在280 nm測定吸光度。以香草醛濃度為橫坐標(biāo)（μg/mL）、吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.137 3x-0.129，R2=0.996 2

1.4.2 大孔樹脂的預(yù)處理

用95%乙醇浸泡大孔樹脂24 h，水洗至無醇味，無白色渾濁；加入5%HCl浸泡3 h，水洗至中性；加入5%NaOH浸泡3 h，水洗至中性，加水浸泡。每次洗脫完畢，需重復(fù)以上操作，達(dá)到樹脂的再生[21]。

1.4.3 多酚提取液的制備

取100 g生姜去皮切絲，200 mL 80%乙醇打漿，浸提2 h，4 500 r/min離心5 min，抽濾，收集上清液，抽濾液減壓濃縮，過超濾。

1.4.4 吸附率、解吸率、泄露率的計(jì)算

式中：C0為吸附前多酚的濃度，mg/mL；C1為吸附后多酚的濃度，mg/mL；C2為解吸后多酚的濃度，mg/mL。

1.4.5 大孔樹脂的篩選

準(zhǔn)確稱取處理好的5份大孔樹脂各10 g于250 mL燒杯中，分別加入100 mL的生姜多酚提取液，于30℃水浴鍋中靜置2 h，使其充分吸附飽和。按照1.4.1的方法測吸光度，按照1.4.4的方法計(jì)算吸附率。

1.4.6 大孔樹脂的靜態(tài)吸附

按照1.4.5的方法，加入不同的樹脂質(zhì)量，在不同的吸附時(shí)間和溫度下，以吸附率為指標(biāo)，分別確定最佳的樹脂質(zhì)量、吸附時(shí)間、溫度。

1.4.7 大孔樹脂的動態(tài)吸附

通過靜態(tài)吸附試驗(yàn)，將篩選出的樹脂濕法裝柱，考察上樣速率、上樣濃度對泄漏率的影響以及洗脫劑濃度、洗脫劑體積對解吸效果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂的篩選

大孔樹脂的吸附性主要依靠分子間的范德華力或氫鍵的作用，吸附的性能與吸附的比表面積有關(guān)[22]。同一成分但不同類型的樹脂吸附性能不同，同一型號的樹脂對不同的吸附量也存在不同程度的差異[22]。為了選擇合適的樹脂，分別進(jìn)行吸附率的測定如表1所示。

表1 5種樹脂吸附吸附結(jié)果Table 1 Results of adsorption of five types of resin

由表1可以看出5種不同極性的大孔樹脂都存在吸附率，說明大孔樹脂均有不同程度的吸附，其中AB-8大孔樹脂相對于其他的樹脂的吸附率最高，這與生姜多酚極性較弱，更易被弱極性的大孔樹脂吸附有關(guān)。故選擇AB-8大孔樹脂進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.2 大孔樹脂的靜態(tài)吸附

2.2.1 吸附時(shí)間的確定

大孔樹脂吸附的速率，是分析吸附效果的重要指標(biāo)[23]。靜態(tài)吸附時(shí)間的確定見圖1。

圖1 靜態(tài)吸附時(shí)間的確定Fig.1 Determination of static adsorption time

由圖1可知，大孔樹脂的吸附率隨著時(shí)間的延長而升高（P＜0.05），在2 h之前吸附率上升較快，2 h后基本上保持不變，差異不顯著（P＞0.05）。這是因?yàn)樵诙喾幼銐蚨嗟那闆r下，樹脂與多酚充分接觸，吸附速率較快，隨著時(shí)間的延長，料液中的多酚含量下降較快。2 h之后多酚基本完全吸附，故吸附率基本保持不變。因此，最佳的吸附時(shí)間為2 h。

2.2.2 吸附溫度的確定

溫度是影響吸附效果的重要因素[24]。靜態(tài)吸附溫度的確定見圖2。

圖2 靜態(tài)吸附溫度的確定Fig.2 Determination of static adsorption temperature

由圖2可以看出大孔樹脂的吸附率隨溫度升高而顯著增加，30℃時(shí)達(dá)到最大，隨后顯著降低，這是因?yàn)榇罂讟渲奈绞俏锢砦剑蜏厥刮竭^程達(dá)不到平衡，隨著溫度升高，會使吸附的速率加快，出現(xiàn)吸附率增加的情況[24]。而物理吸附是一個(gè)放熱的過程，升高溫度，吸附量會有所降低。因此，最佳的吸附溫度為30℃。

2.2.3 樹脂質(zhì)量的確定

樹脂質(zhì)量是影響吸附效果的重要因素。樹脂質(zhì)量不同，吸附率也不同，樹脂質(zhì)量的確定見圖3。

圖3 樹脂質(zhì)量的確定Fig.3 Determination of resin quality

由圖3可以看出隨著樹脂質(zhì)量的增加，吸附率逐漸增加（P＜0.05），當(dāng)質(zhì)量為10 g時(shí)達(dá)到最大值。10 g后基本上保持不變，差異不顯著（P＞0.05）。這是因?yàn)闃渲瑢Χ喾拥奈搅渴怯邢薜模詷渲|(zhì)量較少時(shí)，不足以完全吸附多酚，當(dāng)樹脂質(zhì)量增加到一定量時(shí)，多酚已完全吸附，再增加質(zhì)量，多酚的吸附率也不會增加。故樹脂質(zhì)量為10 g。

2.3 大孔樹脂的動態(tài)吸附

2.3.1 上樣速率的確定

上樣流速是影響大孔樹脂吸附效率的重要因素。上樣流速對吸附效果的影響，主要體現(xiàn)在料液在樹脂表面的擴(kuò)散，流速不同則樹脂的飽和吸附量不同，若流速過高，料液來不及擴(kuò)散到樹脂表面就被沖出柱子而發(fā)生泄露，而上樣流速過小，雖有利于樹脂對料液的吸附，但樹脂達(dá)到飽和的時(shí)間會延長，降低樹脂吸附率[25-26]。上樣流速對泄露率的影響見圖4。

圖4 上樣流速對泄露率的影響Fig.4 Effect of feeding speed on leakage rate

由圖4可知，在上樣量低于80 mL時(shí)，不同流速樣液泄漏率基本不變，當(dāng)超過100 mL時(shí)，泄漏率隨著流速的增大而增大，這是因?yàn)樯蠘右毫魉俨煌瑯渲c多酚的接觸時(shí)間也會有差別，流速過快多酚沒有與樹脂充分接觸就流出，導(dǎo)致泄露點(diǎn)提前到80 mL，流速減慢能使多酚與樹脂充分接觸，從而吸附更多的量，而1mL/min的泄漏率在同樣的上樣體積下低于2mL/min，同時(shí)，若上樣速率低于1 mL/min，等量多酚的情況下，耗時(shí)會增加，效率變低。綜合以上因素最佳的上樣速率為1 mL/min。同時(shí)確定了最佳的上樣體積為100 mL。

2.3.2 上樣濃度的確定

上樣濃度也是影響吸附效果的重要因素。一般來說，大孔樹脂的吸附量一般與上樣濃度成反比，低濃度有利于吸附[27]。上樣濃度過低，純化時(shí)間長、效率低，而上樣濃度過高易引起吸附不充分，堵塞樹脂，泄露點(diǎn)出現(xiàn)較早，吸附量較低，造成樣品浪費(fèi)[27]。上樣濃度對泄露率的影響見圖5。

圖5 上樣濃度對泄露率的影響Fig.5 Effect of sample concentration on leakage rate

由圖5可知，在上樣量低于60 mL時(shí)，不同濃度樣液泄漏率基本不變，當(dāng)80 mL時(shí)，2 mg/mL的樣液泄漏率顯著增加，其原因可能是樹脂吸附達(dá)到飽和，而不能再吸附更多的多酚，導(dǎo)致泄漏率增加。當(dāng)超過100 mL時(shí)泄漏率隨著濃度的增大而增大。可能是因?yàn)樵诙喾尤芤簼舛容^低時(shí)，增加濃度，可以增加多酚分子與樹脂的接觸，而當(dāng)試液濃度增加至一定量后，繼續(xù)升高濃度，樹脂接觸表面多酚分子過多，影響多酚分子在樹脂內(nèi)部的擴(kuò)散，導(dǎo)致泄漏率有所升高[26]。考慮到在泄露發(fā)生情況相同的條件下，1 mg/mL與0.5 mg/mL的泄漏率相差不大，考慮到吸附的效率，1 mg/mL濃度更適用于生產(chǎn)要求。因此選擇最佳上樣濃度為1mg/mL。

2.3.3 洗脫劑濃度的確定

影響洗脫效果的因素有很多，其中洗脫劑的濃度是影響的重要因素。選擇合適解吸劑時(shí)應(yīng)考慮溶解吸附物質(zhì)效果好，而且具備沸點(diǎn)低，易回收，環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)[28]。試驗(yàn)中常用的洗脫劑有甲醇、乙醇、丙酮等，由于甲醇和丙酮的毒性較大，而乙醇無毒且溶解性較好，且生姜多酚主要應(yīng)用在食品及醫(yī)藥領(lǐng)域，出于安全性的考慮[28]，選用無毒的乙醇作為解吸劑。洗脫劑濃度對解吸率的影響見表2。

表2 洗脫劑濃度對解吸率的影響Table 2 Effect of eluent concentration on desorption rate

由表2可以看出以不同濃度的乙醇作為洗脫劑，解吸率隨濃度的升高而顯著增加，濃度為70%時(shí)達(dá)到最大，隨后降低，這可能是由于不同濃度乙醇的極性不同，在一定程度上影響多酚的解吸效果，濃度較高時(shí)極性偏小，會溶解一些醇溶性的雜質(zhì)，導(dǎo)致解吸率下降[29]。由于乙醇濃度過高，揮發(fā)性會增大，出于經(jīng)濟(jì)因素等，選擇70%乙醇作為洗脫溶劑。

2.3.4 洗脫劑體積的確定

洗脫劑體積對解吸率的影響見圖6。

由圖6可以看出，在低于150 mL時(shí)隨著洗脫劑體積的增加，解吸率逐漸增加（P＜0.05）。超過150 mL時(shí)解吸率基本保持平衡，差異不顯著（P＞0.05）。這是因?yàn)殡S著洗脫劑的增加，多酚被逐漸洗脫下來，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，多酚基本洗脫完全，解吸率保持平衡。綜合考慮，在多酚被充分洗脫下的前提下，出于經(jīng)濟(jì)的考慮，應(yīng)盡量節(jié)省洗脫劑的用量。故最佳的洗脫劑體積為150 mL。

圖6 洗脫劑體積對解吸率的影響Fig.6 Effect of eluent volume on desorption rate

3 結(jié)論

AB-8樹脂為生姜多酚的純化樹脂，生姜多酚的純化樹脂的靜態(tài)吸附條件為：最佳的吸附時(shí)間為2 h，最佳的吸附溫度為30℃，樹脂質(zhì)量為10 g；動態(tài)吸附條件為：將100 mL上樣濃度為1 mg/mL的生姜多酚，在上樣流速1 mL/min條件下進(jìn)行吸附，用體積為150 mL的70%乙醇溶液洗脫，此條件下解吸率為85.9%。

[1]SLi S Q,NAGENDRA P S.Characterization,antioxidative and bifidogenic effects of polysaccharides from Pleurotus eryngii after heat treatments[J].Food Chemistry,2016,197：240-249

[2]DONG H M,ZHANG Q,LI Y,et al.Extraction,characterization and antioxidant activities of polysaccharides of Chuanminshen violaceum[J].International Journal of Biological Macromolecules,2016,86：224-232

[3]WEN Z S,XIANG X G,JIN H X,et al.Composition and anti-inflammatory effect of polysaccharides from Sargassum horneri in RAW264.7 macrophages[J].International Journal of Biological Macromolecules,2016,88：403-413

[4]Fuhrman B,Volkovan,Aviram M,et al.Pomegranate juice polyphenols increase recombinant paraoxonase-1 binding to high-density lipoprotein：studies in vitro and in diabetic patients[J].Nutrition，2010,26(4)：359-366

[5]Almuammar M,Khan F.Obesity：the preventive role of the pomegranate(Punica-granatum)[J].Nutrition,2012,28(6)：595-604

[6]Yanagi S,Matsumura K,Marui A,et al.Oral pretreatment with a green tea polyphenol for cardioprotection against ischemia-reperfusion injury in an isolated rat heart model[J].Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery，2011,141(2)：511-517

[7]NicollR,Henein MY.Ginger（Zingiberofficinale Roscoe）：ahot remedy for cardiovascular disease[J].Int J Cardiol,2007,31(3)：408-409

[8]李大峰,賈冬英,姚開,等.生姜及其提取物在食品加工中的應(yīng)用[J].中國調(diào)味品,2011,36(2)：20-23

[9]Judith Kammerer,Dietmar R Kammerer,Reinhold Carle.Impact of saccharides and amino acids on the interaction of apple polyphenols with ion exchange and adsorbent resins[J].Journal of Food Engineering,2010,98(2)：230－239

[10]Daniella Pingret,Anne-Sylvie Fabiano-Tixier,Carine LeBourvellec,et al.Lab and pilot－scale ultrasound－assisted water extraction of polyphenols from apple pomace[J].JournalofFoodEngineering,2012,111(1)：73－81

[11]王華斌,王珊,傅力.酶法提取石榴皮多酚工藝研究[J].中國食品學(xué)報(bào),2012,12(6)：56－65

[12]Judith Kammerer,Dietmar R Kammerer,Uwe Jensen,et al.Interaction of apple polyphenols in a multi-compound systemupon adsorption onto a food-grade resin[J].Journal of Food Engineering,2010,96(4)：544－554

[13]Jing Li,Howard A.Use of expanded bed adsorption to purify flavonoids from Ginkgo biloba L.[J].Journal of Chromatography A,2009,1216：8759-8770

[14]Zhang Jing,Yue Lin,Khizar Hayat,et al.Purification of flavonoid from Gingko biloba extract by zinc complexation method and its effect on antioxidant activity[J].Separation and Purification Technology,2010,71：273-278

[15]Zhang Yu,Jiao Jing-jing,Liu Cheng-mei,et al.Isolation and purification of four flavone C-glycosides from antioxidant of bamboo leaves by acroporous resin column chromatography and preparative high-performance liquid chromatography[J].Food Chemistry,2008,107：1326-1336

[16]劉安軍,劉慧慧,郭丹霄,等.大孔吸附樹脂分離純化枸杞葉總黃酮的研究[J].現(xiàn)代食品科技,2012,28(3)：292-296

[17]李波,包怡紅,王振宇.大孔樹脂純化紅松松球鱗片多酚及其抗氧化活性研究[J].食品工業(yè)科技,2012,33（22）：251－255

[18]Ruimin Fu,Yaya Wang,Feng Yu,et al.Optimization of the macroporous resin-based adsorption of apple polyphenol through response surface methodology[J].Toxicological&Environmental Chemistry,2016,98(3/4)：479-491

[19]馬藝丹,劉紅,馬思聰,等.神秘果種子多酚大孔樹脂純化工藝研究[J].食品與機(jī)械,2016,32(2)：139-143

[20]黃雪松,王建華,路福綏.姜酚的提取、分離和鑒定[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1998,29(4)：511-514

[21]張素華,王正云.大孔樹脂純化蘆筍黃酮工藝的研究[J].食品科學(xué),2006,27(2)：182-186

[22]董琦,高珊.大孔樹脂純化樺褐孔菌多酚及其成分分析[J].食品科學(xué),2015,36(22)：131-135

[23]譚永霞,王洪慶,陳若蕓.長穗桑中的α-葡萄糖苷酶抑制劑成分研究[J].中國藥學(xué)雜志,2010,45(18)：1376-1379

[24]王金亭,鞠秀萍,吳廣慶.大孔吸附樹脂純化紫荊花紅色素的研究[J].食品研究與開發(fā),2009,30(4)：49-53

[25]艾志錄,王育紅,王海,等.大孔樹脂對蘋果渣中多酚物質(zhì)的吸附研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(8)：245－248

[26]郭娟.蘋果渣中蘋果多酚的提取、純化及功效研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2006

[27]劉麗香.甘薯葉中多酚提純工藝及抗氧化活性研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2008

[28]田晶.AB-8樹脂法提取大豆皂苷的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),1999,26(1)：16-18

[29]王振宇,劉春平.大孔樹脂AB－8對蘋果多酚的分離純化[J].食品研究與開發(fā),2009,30(4)：21－24

Purification of Phenols from Ginger by Macroporous Resin

LIU Jun-wei，LI Xiao-chen，HOU Ying-hui，WANG Yun，SONG Rong-zhen，TANG Xiao-zhen*
（College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，Shandong，China）

The purification process of ginger polyphenol was studied by macroporous resin adsorption.Five kinds of macroporous adsorption resins were selected.AB-8 resin was selected as a suitable material to purify the polyphenols from ginger.The macroporous resin purification process of ginger polyphenol was optimized by static test and dynamic adsorption.The results were as follows：the optimum adsorption time 2 h，the optimum adsorption temperature 30℃and the resin mass 10 g.The the concentration of the sample 1 mg/mL，the volume 100 mL，low rate of sample solution 1mL/min，with 70%ethanol as eluting solvent，while elution volume was 150 mL.Under these conditions，desorption rate was 85.9%.

ginger；polyphenol；macroporous resin；purification

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.009

2016-12-02

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAD33B07）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014CM035）

劉軍偉（1990—），男（漢），研究生，主要從事功能食品方面研究。

*通信作者