大孔樹脂吸附分離黑胡蘿卜紅色素的研究

趙昕，于一帆，蘇婉瑩，阿米娜·艾爾肯，武敏，常秀蓮，*，展亞莉

（1.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺264005；2.青島鵬遠康華天然產物有限公司，山東萊西266612）

大孔樹脂吸附分離黑胡蘿卜紅色素的研究

趙昕1，于一帆1，蘇婉瑩1，阿米娜·艾爾肯1，武敏1，常秀蓮1，*，展亞莉2

（1.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺264005；2.青島鵬遠康華天然產物有限公司，山東萊西266612）

采用酸性水溶液浸提法提取黑胡蘿卜紅色素。用6種大孔樹脂（LS-610B、BM3、D101、LSA-40、AB-8、LSA-305）對粗提液進行初步分離純化，預選出兩種（LS-610B、BM3）吸附性能較好的樹脂，進行了黑胡蘿卜紅色素的吸附等溫線和靜態吸附/解吸動力學實驗研究。研究結果表明，樹脂吸附的最適宜的料液pH值為2.0；LS-610B樹脂適合Langmuir模型和Freundlich模型擬合，相關系數分別為0.979 9和0.974 0；BM3樹脂更適合Langmuir模型擬合，相關系數為0.966 2，屬于單分子層吸附機理；這兩種樹脂的吸附過程特征都能用擬一階動力學模型能很好地描述，主要因素是內外膜擴散影響吸附的；最佳解吸條件為65%乙醇水溶液（含0.3%的檸檬酸）。

大孔樹脂；黑胡蘿卜紅色素；吸附；解吸；分離純化

胡蘿卜是現在大眾所經常食用的主要農作物之一，雖然黑胡蘿卜（Daucus carota L.）屬于胡蘿卜的一個特殊品種，但是對它的了解卻是很少，實際上黑胡蘿卜的種植歷史要遠遠早于胡蘿卜。黑胡蘿卜的外觀為紫黑色，因其所能提供的紅色素在粉紅色到紅色范圍內為相關的食品飲料提供相應的天然色素而被廣泛研究[1]，同時紅色素中富含花青素[2]，花青素一般在自然狀態下以花色苷的形式存在，主要為槐糖或矢車菊-3-葡萄糖。花青素具有一系列的生物活性，包括抗氧化[3]、抗炎[4-5]、抗腫瘤[6]、抗突變[7]、化學預防[8]、α-葡萄糖苷酶抑制性[9]等。此外，花青素類天然色素還能有效調節動脈保護機制，從而降低冠心病發病風險[10]，防止血小板聚集病發生[11]，以及增強人體免疫功能等[12]。大量研究已經證明花青素以及其他黃酮類物質具有突出的藥理活性以及安全性，但是由于其種類繁多，結構復雜，性質不穩定，而且對其制備工藝尚不成熟，目前仍未被用作臨床治療藥物。呂曉玲等[13]研究利用熒光化學發光法測定色素對DPPH·以及O2-、·OH和H2O2等活性氧自由基的較強清除作用。因此也可推斷黑胡蘿卜色素中含有具有抗氧化、預防心腦血管疾病和高血壓等功效的活性成分。

黑胡蘿卜中花青素是一種水溶性色素，工業上水溶性色素常用的分離純化方法一般采用大孔樹脂吸附法[14]，該方法的主要優點有成本低，樹脂再生容易，產品純度高并且容易去除色素中的糖類等易吸濕成分，從而增加產品穩定性。檸檬酸的酸性能對黑胡蘿卜中含有的花青素起到保護作用，因此在洗脫時采用工業上常用的檸檬酸乙醇溶液進行洗脫。本研究中，根據生產企業的實踐結果，同時參照實驗室對多種色素的吸附經驗[15-17]，選擇來自不同廠家的6種大孔樹脂，以篩選出最佳樹脂并利用最佳樹脂開發一個簡單而有效的初步分離純化黑胡蘿卜花青素的工藝過程。

1 材料和方法

1.1 試驗儀器

HY-6雙層振蕩器：中外合資深圳天南海北有限公司；pH211酸度計：意大利哈納公司；752S紫外可見分光光度計：上海棱光技術有限公司；TDL-60B低速大容量離心機：長沙湘智離心機儀器有限公司；AR1530分析天平：奧豪斯國際貿易（上海）有限公司；RE-52A旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠。

1.2 試驗材料

黑胡蘿卜：青島鵬遠康華天然產物有限公司；樹脂LS-610B、LS-305：陜西藍深特種樹脂有限公司；BM3：山東魯抗立科藥物化學有限公司；D101、LSA-40：西安藍曉科技新材料股份有限公司；AB-8：天津南開大學化工廠；試劑均為分析純。

1.3 試驗方法

1.3.1 黑胡蘿卜色素提取液的制備

將黑胡蘿卜切成1 mm左右薄片，加入0.2%的稀鹽酸溶液，按一定的料液比（根據起始濃度的要求），在常溫避光的條件下浸提兩次（每次24 h），去渣，合并兩次浸提的濾液在4 000 r/min下離心15 min得黑胡蘿卜色素提取液，用分光光度法測定其色素含量。

1.3.2 樹脂的預處理

取適量大孔吸附樹脂，用3倍體積的95%乙醇浸泡24 h后，用蒸餾水反復清洗至無乙醇味，然后用3倍體積1 mol/L的NaOH溶液浸泡3 h，用蒸餾水反復清洗至中性，再用3倍體積1 mol/L的HCl溶液浸泡3 h，用蒸餾水反復清洗至中性。

處理完后的樹脂用濾紙吸干表面水分至無水印，用密度瓶測定濕樹脂的密度（在試驗過程中使用樹脂時，將相應的體積轉化成質量來稱量），最后密封保存至塑料袋中，備用。

1.3.3 大孔樹脂的預選

對 6 種樹脂（LS-610B、BM3、D101、LSA-40、AB-8、LSA-305）進行預選，主要是初步評估其吸附能力和解吸率。

1.3.3.1 樹脂的吸附能力

一定質量的樹脂（相當于1.5 mL的濕樹脂）和100 mLpH2.0的料液加入到250mL三角瓶中，在20℃，120 r/min搖床上吸附24 h，然后測其520 nm和700 nm的吸光度，計算花青素的含量以及吸附量。

黑胡蘿卜中的紅色素屬于花色苷類，對花色苷總量的測定[18]采用美國化學工程師協會（AOAC）的方法。

式中：吸光度 A 為（A520-A700）pH1.0-（A520-A700）pH4.5；M為表示摩爾質量，以矢車菊-3-葡萄糖苷為基準，449.2 g/mol；D為待測樣品的稀釋倍數；1為表示光路長，cm，測試時采用1 cm光路長的比色皿；ε為表示矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數，260900L/（mol·cm）；1 000表示g轉換成mg的系數。

式中：C0為黑胡蘿卜中色素初始含量，mg/L；Ce為平衡液相中黑胡蘿卜色素含量，mg/L；V0為料液的體積，L；V為濕樹脂堆積體積，mL。

1.3.3.2 樹脂的解吸能力

采用200目篩網過濾樹脂，然后用水清洗樹脂，再加入65%乙醇水溶液（含0.3%的檸檬酸），于20℃，120 r/min的搖床解吸3 h，最后測其520 nm和700 nm的吸光度，計算其解吸率。

樹脂解吸黑胡蘿卜中的色素，解吸率D：

式中：Cd為解吸液中色素含量，mg/L；Vd為解吸液的體積，L；其他符號含義同公式（2）。

1.3.4 不同條件對大孔樹脂的吸附試驗的影響

將100 mL一定pH值的料液與一定質量的濕樹脂（相當于1.5 mL的濕樹脂）加入到250 mL的三角瓶中，于20℃，120 r/min的搖床上吸附一定的時間，再用分光光度法測定吸附量。

1.3.5 不同條件對大孔樹脂解吸試驗的影響

吸附完畢的樹脂，用濾網過濾并用水沖洗，加入一定體積、一定濃度的乙醇水溶液（含一定質量分數的檸檬酸），在20℃，120 r/min的搖床解吸3 h，最后用分光光度法測定解吸溶液中的色素含量。

2 結果與討論

2.1 樹脂的預選

6種不同的大孔樹脂分別吸附pH2.0，濃度為71.64 mg/L的黑胡蘿卜色素提取液，吸附時間為24 h；樹脂解吸的條件為65%的乙醇溶液和0.3%的檸檬酸。吸附和解吸平衡后結果如表1所示。

表1 樹脂的特性和對黑胡蘿卜色素的吸附能力Table 1 Characteristics of the adsorbent resins used and their adsorption properties on black carrot red color

根據表1的結果可知，在吸附方面，BM3和LS-610B的吸附性能遠高于其它4種樹脂；在解吸方面，6種樹脂的解吸能力均在90%以上，差異并不是很大。BM3和LS-610B的孔徑雖然不大，但是比表面積卻很大，使樹脂的吸附容量高。綜合考慮，在后面的試驗中采用BM3和LS-610B樹脂。

2.2 料液pH值對樹脂吸附的影響

用BM3和LS-610B兩種樹脂在初始料液濃度為71.64 mg/L，pH 值分別為 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5的條件下，在搖床上吸附24 h，結果如圖1所示。

圖1 料液pH值對LS-610B和BM3樹脂吸附黑胡蘿卜色素吸附量的影響Fig.1 The effect of pH value on adsorption of black carrot red color by LS-610B and BM3 resin

兩種樹脂變化的趨勢接近，均在pH2.0時吸附量最大，BM3吸附性能高于LS-610B。在pH1.5時，吸附量少，溶液的酸度太大，對設備的腐蝕性增加。而在pH值大于2.0時。隨著pH值的增加樹脂的吸附量隨之減少，可能是因為pH值越大色素的極性發生改變使其變得越不穩定，從而影響樹脂對色素的吸附力。工業上常采用的色素提取pH值也為2.0左右，因此后續試驗均采用pH2.0。

2.3 吸附等溫試驗

比較樹脂的吸附能力和吸附機理[3]的兩個常用理論模型為Langmuir模型和Freundlich模型。

Langmuir方程：

Freundlich方程：

qe和Ce分別代表樹脂的吸附量（mg/mL）和吸附平衡后溶液中黑胡蘿卜色素含量（mg/L），qmax代表最大吸附容量（mg/mL），KL代表 Langmuir常數，表示吸附劑和被吸附物質之間的親和系數；KF和n代表Freundlich常數，分別表示最大吸附量和非均質系數。

黑胡蘿卜色素的吸附等溫線如圖2所示。

圖2 20℃下LS-610B和BM3樹脂對黑胡蘿卜色素的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherm of black carrot red color onto LS-610B and BM3 resin at 20℃

Langmuir模型中 Langmuir常數，qmax和 KL，根據Ce/qe和 Ce的線性關系計算，Freundlich模型中Freundlich常數KF和n根據lg qe和lg Ce的線性關系計算。對計算得到的試驗數據進行統計分析，如表2所示。

兩個常用的理論模型Langmuir方程模型表示單分子層吸附；Freundlich方程模型則表示多分子層體系吸附。試驗得到的吸附等溫線分別用Langmuir方程和Freundlich方程擬合，擬合結果見表2。

表2 在20℃下Langmuir方程和Freundlich方程的擬合參數Table 2 The evaluated constants for Langmuir and Freundlich equations at 20℃

由表2中相關系數R2的數據可知，LS-610B樹脂的吸附用兩個模型方程擬合出的試驗數據都較好，Langmuir方程略好，BM3樹脂則是Langmuir方程擬合效果更好。在此濃度范圍，兩種樹脂對黑胡蘿卜色素的吸附機理都可以用單分子層吸附理論描述。在Freundlich模型中，兩種樹脂的1/n分別為0.260和0.217，均在0.1～0.5之間，表明LS-610B和BM3很容易進行黑胡蘿卜的色素吸附過程[19]。

2.4 吸附動力學

圖3為在20℃時，LS-610B和BM3兩種樹脂對黑胡蘿卜紅色素的吸附量qt隨吸附時間t的變化曲線。

圖3可知，在大約6 h后樹脂達到了吸附平衡。

樹脂的吸附過程常用擬一階模型、擬二階模型以及粒子擴散動力學模型3個理論模型研究。

擬一階模型：

圖3 LS-610B和BM3樹脂在20℃下對黑胡蘿卜色素的吸附動力學Fig.3 Adsorption kinetics of black carrot red color onto LA610B and BM3 resin at 20℃

擬二階模型：

粒子擴散動力學：

qt和qe分別代表樹脂吸附料液不同時間對應的吸附量和吸附平衡時黑胡蘿卜色素的吸附量（mg/mL）。k1、k2和 kp分別是擬一階速率常數（h-1）、擬二階速率常數[mL/（mg·h）]和內擴散速率常數[mg/（mL·h1/2）]。X表示邊界層的擴散效應（外部薄膜電阻）。表3中列出了3個模型的相關參數。

在表3中根據相關系數R2可知，黑胡蘿卜中的色素在兩種樹脂上對擬一階和擬二階模型的擬合效果都很好，粒子擴散模型的擬合效果一般。從qe值來看，兩種樹脂都是擬一階模型的數值與實驗值更接近，因此擬一階模型能更好的表達LS610B和BM3兩種樹脂的吸附動力學。根據擬二階速率常數k2可知，LS-610B的吸附速率要大于BM3。擬一階模型和擬二階模型基本上都考慮了試驗過程中的外部膜擴散、內擴散和吸附過程的相互作用。

圖4為在20℃下LS-610B和BM3樹脂對黑胡蘿卜色素的吸附量與吸附時間的平方根曲線。

圖4 黑胡蘿卜色素在LS-610B和BM3樹脂上吸附的內擴散Fig.4 Intraparticle diffusion kinetics for black carrot red color adsorption onto LS-610B and BM3 resin

雖然上圖兩種樹脂的粒子擴散動力學模型不能代表整個吸附過程，但是也能反映出一定的吸附機制。由圖4可以看出兩種樹脂在整個過程中粒子呈現出多線性關系，第一階段（1.8 h以內）呈線性，第二階段（＞1.8 h）為非線性。LS-610B參數X（0.963）和BM3參數X（1.264）均大于0，由于X值是與邊界層厚度成正比，所以第一階段內外膜擴散是影響吸附的主要因素，吸附過程為次要的。第二階段的非線性表明吸附過程是由多種擴散共同作用的結構，其中包括內擴散和外擴散[20-21]。

2.5 解吸動力學

圖5為20℃時，LS-610B和BM3兩種樹脂對黑胡蘿卜色素的解吸液濃度C隨解吸時間t的變化曲線。

圖5 LS-610B和BM3樹脂在20℃時對黑胡蘿卜色素的解吸動力學曲線Fig.5 Desorption of black carrot red color from LS-610B and BM3 resin at 20℃

由圖5可以看出兩種樹脂的解吸都非常的快，均在0.5 h時達到平衡，但BM3的解吸量明顯要高于LS-610B，再一次證明BM3的吸附量要高于LS-610B。

2.6 不同乙醇濃度對解吸效果的影響

圖6為解吸劑體積為50 mL檸檬酸濃度為0.3%時，不同濃度乙醇對LS-610B和BM3兩種樹脂的解吸影響。

圖6 乙醇濃度對LS-610B和BM3樹脂解吸率的影響Fig.6 Effect of ethanol concentration on desorption ratio by LS-610B and BM3 resin

由圖6可知，BM3明顯比LS-610B解吸率要高，但兩種樹脂變化趨勢相同，均是在乙醇濃度為65%時，洗脫率最高，50%～65%時，洗脫率隨著乙醇水溶液濃度的增加而增加，65%～70%時，洗脫率又隨著乙醇水溶液的溶度增加而降低。可能是由于洗脫液在乙醇濃度65%（含0.3%的檸檬酸）時的極性與黑胡蘿卜中的色素極性最接近，從而有利于色素的溶解。同時工業上最常用的乙醇濃度為65%，因此確定乙醇濃度65%為最佳濃度值。

2.7 不同檸檬酸含量對解吸效果的影響

圖7為解吸劑體積為15 mL、乙醇濃度為65%時，不同檸檬酸含量對LS-610B和BM3兩種樹脂解吸的影響。

圖7 檸檬酸含量對LS-610B和BM3樹脂解吸率的影響Fig.7 Effect of citric acid concentration on desorption ratio by LS610B and BM3 resin

由圖7可以看出，BM3解吸率要高于LS-610B，檸檬酸的加入量對LS-610B樹脂的解吸率的影響要大于BM3，LS-610B的解吸量隨著檸檬酸含量的增加而增加，兩種樹脂都在檸檬酸含量0.3%時的解吸率最高。檸檬酸是天然水溶性色素，它作為添加劑符合國家安全標準；解吸液中加入檸檬酸使溶液成弱酸性環境能夠增加色素的穩定性，也是終產品所需要存在的組分。參考工業上其他花青素的洗脫劑組成，最后確定檸檬酸的加入量為0.3%。

3 結論

樹脂最佳吸附pH值為2.0，黑胡蘿卜中色素的濃度越大吸附量會隨之增加，在解吸中最佳的解吸劑組合為65%的乙醇水溶液（含0.3%的檸檬酸）。并且發現BM3能用Langmuir模型能很好地擬合，LS-610B能用Langmuir和Freundlich兩種模型很好地擬合，兩種樹脂的擬一階模型能更好的擬合靜態動力學模型。BM3樹脂的吸附容量和解吸率均高于LS-610B樹脂，因此確定BM3樹脂適合工業化生產。

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Study on Adsorption and Separation of Red Color from Daucus carota L.by Macroporous Resins

ZHAO Xin1，YU Yi-fan1，SU Wan-ying1，ERKEN A-mina1，WU Min1，CHANG Xiu-lian1，*，ZHAN Ya-li2
（1.School of Life Sciences，Yantai University，Yantai 264005，Shandong，China；2.Qingdao Pengyuan Kanghua Natural Products Co.，Ltd.，Laixi 266612，Shandong，China）

Acidic aqueous solution was used as the extractant for the extraction of red color from black carrot.Adsorption of black carrot red color onto six macroporous resins（LS-610B，BM3，D101，LSA-40，AB-8，LSA-305）was screened to develop a potential approach for large-scale production of black carrot red color，and two promising resins（LS-610B，BM3）were selected for the following static and dynamic adsorption/desorption experiments.Results showed that the optimal adsorption pH of the extracted solution was 2.0，the adsorption data of resin LS-610B could be well fitted both by Langmuir and Freundlich equations，with correlated coefficient of 0.979 9 and 0.974 0，respectively.The adsorption data of resin BM3 could be better fitted by Langmuir equation，with correlated coefficient of 0.966 2，exhibiting mono-layer adsorption mechanism，and them pseudo first-order model could describe the dynamic model better for the two resins，internal and external diffusion controlling the adsorption rate.The optimal desorption condition was 65%ethanol aqueous solution containing 0.3%citric acid.

macroporous resin；black carrot red color；adsorption；desorption；separation and purification

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.23.007

國家級星火計劃項目（2014GA741008）；煙臺大學研究生科技創新基金（YDYB1716）；煙臺大學開放實驗室

趙昕（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：天然產物的分離提取。

*通信作者

2017-04-26