大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的吸附解析性能研究

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(1.浙江工業大學海洋學院,浙江杭州 310014;2.浙江省海洋水產養殖研究所,浙江溫州 325005;3.加拿大紀念大學工程與應用科學學院,加拿大 A1C5S7)

鼠尾藻(Sargassumthunbergii)是一種大型海藻,鼠尾藻組分中的鼠尾藻多酚具有較強的抗氧化活性,結構特殊、具有生物活性和醫藥價值的天然海洋生物活性化合物,但因其含量少、結構復雜、不易純化等諸多問題,使提取分離純化此類化合物成了一大難題。國內外目前多是對其抑菌、神經保護等性能進行試驗研究[1-3],缺乏面向工業化開發的探索,這也致使市場上到目前為止還沒有鼠尾藻多酚的產品。

目前提取分離鼠尾藻多酚的方法還是以傳統浸提、微波輔助和索式回流法為主[4-6]。傳統方法雖然操作簡單,技術較為成熟,但是有機溶劑消耗量大,提取時間長,提取率不高。大孔吸附樹脂由于其具有理化性質穩定性高、比表面積大、吸附容量大、再生處理方便等諸多優點,越來越多地應用于植物多酚提取分離。如Samee Haider等[7]則通過比較三種不同柱填料(大孔樹脂、硅膠、聚乙烯吡咯烷酮)對軟葉馬尾藻多酚的吸附性能,得出大孔吸附樹脂的吸附及解吸性能最佳,可得到的軟葉馬尾藻純度為62.43%。劉曉麗等[8]通過5種大孔吸附樹脂(XDA-1、LSA-10、H103、S-8、AB-8)對海帶多酚的吸附性能比較,發現XDA-1大孔吸附樹脂表現出較好的吸附性能與解吸效果,優化條件下可得到純度為80.5%的海帶多酚。馮進等[9]用非極性HPD400樹脂吸附較弱極性的藍莓葉多酚,經過HPD400樹脂的純化,藍莓葉多酚的純度由原來的38.75%提高到69.38%。

已有的研究表明,大孔吸附樹脂在分離多酚的領域具有廣闊的應用前景?；谑笪苍宥喾訉儆跇O性物質,根據相似相溶的原理,結合對常用大孔吸附樹脂的主要參數分析[10-11],在大孔吸附樹脂對親水性酚類衍生物吸附作用的研究[12-13],以及多種適用于多酚提取的樹脂篩分[14-15]等工作基礎上,本實驗采用XDA-1B大孔吸附樹脂來對鼠尾藻多酚進行吸附研究,探索得到適于鼠尾藻多酚分離純化的大孔吸附樹脂及優化的分離提純參數,并對其吸附及解吸動力學和等溫吸附進行考察。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鼠尾藻 采自浙江省溫州水產養殖研究所洞頭基地;XDA-1B大孔吸附樹脂 鄭州勤實科技有限公司;鎢酸鈉、鉬酸鈉、沒食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;濃磷酸、濃鹽酸、硫酸鋰、液溴乙醚、無水碳酸鈉、無水乙醇、氫氧化鈉、無水乙酸鈉等 均為分析純。

HY-6雙層調速多用振蕩器、SHA-C數顯水浴恒溫振蕩器 金壇市江南儀器廠;中草藥粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;UV-3200PCS紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;智能磁力加熱攪拌器 SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵 LZB-2常規型玻璃轉子流量計 鞏義市予華儀器有限責任公司;RE-52AA旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 鼠尾藻的預處理 取已曬干的鼠尾藻藻體頂部,用自來水沖洗干凈,除去附生生物和泥土等雜質,放入烘箱110 ℃充分烘干,然后用中草藥粉碎機將其粉碎,將粉碎后的鼠尾藻藻粉過80目篩裝入袋中,密封保存。

取適量上述藻粉于250 mL錐形瓶中,然后加入體積分數為85%的乙醇溶液過量,置搖床上轉速150 r/min常溫提取12 h。將提取液用旋轉蒸發儀減壓蒸餾除去乙醇,得到鼠尾藻多酚粗提物。

1.2.2 鼠尾藻粗提物紅外光譜測定 采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測定樣品的表面官能團信息。掃描條件:KBr壓片,分辨率4 cm-1,4000～400 cm-1掃描。分析測試前樣品進行真空干燥處理,110 ℃干燥12 h。

1.2.3 大孔吸附樹脂預處理 XDA-1B大孔吸附樹脂做吸附實驗前需要進行預處理,先將XDA-1B大孔吸附樹脂用無水乙醇室溫下密封浸泡24 h,蒸餾水洗后再用5%(體積分數)鹽酸溶液浸泡8 h,水洗至中性,再用5% 氫氧化鈉溶液浸泡8 h,水洗至中性,備用。

1.2.4 標準曲線的建立 參考GB/T 8313-2008,選用沒食子酸對多酚含量進行測定。分別取0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL 0.1 mg/mL沒食子酸標準液于7個50 mL容量瓶中,各加30 mL蒸餾水,搖勻。加入2.5 mL FC試劑充分搖勻。1 min之后,加入7.5 mL 20%碳酸鈉溶液,混勻定容。水浴75 ℃下反應10 min,冷卻至室溫。即得0、1、2、3、4、5、6 μg/mL的沒食子酸溶液。

取適量0、2 μg/mL的沒食子酸溶液于比色皿中,0 μg/mL沒食子酸溶液作為空白對照組,用紫外-可見分光光度計在680～800 nm波長之間測定2 μg/mL沒食子酸溶液的吸光度,取其吸光度最大的波長為最佳吸收波長為760 nm,分別取適量不同濃度的沒食子酸溶液于比色皿中測定,建立標準曲線,線性回歸方程為y=0.0773x+0.0028(R2=0.9985)。

1.2.5 XDA-1B大孔吸附樹脂靜態吸附和解吸的動力學特性測定 稱取0.5 g 已預處理的XDA-1B大孔吸附樹脂三份,分別置于100 mL錐形瓶中,各加入50 mL鼠尾藻多酚粗提物,水浴搖床30 ℃,轉速150 r/min下振蕩吸附。每隔1 h取0.5 mL粗提物懸清液于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸餾水,搖勻,再各加入2.5 mL FC(福林)試劑,7.5 mL 20% 碳酸鈉溶液,混勻定容。水浴75 ℃下反應10 min,冷卻后,分別取適量于比色皿中,將其與空白組于最佳吸收波長760 nm下比色,測定其吸光度,并通過標準曲線計算得出鼠尾藻多酚濃度,取其平均值。再按公式(1、2)計算出每個時段的吸附量Q(mg/g),以Q對時間t(h)作圖,得樹脂對鼠尾藻多酚的吸附動力學曲線。

上述溶液吸附平衡后,抽濾,洗滌兩次,取樹脂分別置于3個100 mL錐形瓶中,各加入80 mL 80%(體積分數)乙醇,水浴搖床30 ℃下振蕩解吸。每隔1 h取0.5 mL溶液于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸餾水,搖勻,各加入2.5 mL FC試劑,7.5 mL 20% 碳酸鈉溶液,混勻定容。水浴75 ℃下反應10 min,冷卻后,分別取適量于比色皿中,將其與空白組于最佳吸收波長760 nm下比色,測定其吸光度,并通過標準曲線計算得出鼠尾藻多酚濃度,取其平均值。

根據測定的結果,按下式計算XDA-1B大孔吸附樹脂的吸附量及解吸率:

式(1)

式(2)

式中:Q為樹脂吸附量,(mg/g);C0為鼠尾藻多酚初始濃度,(mg/mL);C1濾液中鼠尾藻多酚的濃度,(mg/mL);V1為濾液體積,(mL);C2為洗脫液鼠尾藻多酚濃度,(mg/mL);V2為洗脫液體積,mL;W為大孔樹脂濕重,(g);ζ為解吸率(%)。

1.2.6 XDA-1B大孔吸附樹脂等溫吸附曲線的測定 分別稱取0.5 g XDA-1B大孔吸附樹脂于6個100 mL錐形瓶中,各加入濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL的鼠尾藻多酚水溶液50 mL,置于轉速150 r/min水浴搖床,在不同溫度(20、30、40、50 ℃)下振蕩吸附3 h后,然后各取1 mL于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸餾水,搖勻,再各加入2.5 mL FC試劑,7.5 mL 20% 碳酸鈉溶液,混勻定容。水浴75 ℃下反應10 min,冷卻后,分別取適量于比色皿中,將其與空白組于最佳吸收波長760 nm下比色,測定其吸光度,并通過標準曲線計算得出鼠尾藻多酚濃度,取其平均值,再按公式(1、2)計算出每個時段的吸附量Qe(mg/g),以Qe對多酚吸附平衡濃度Ce作圖,得樹脂對鼠尾藻多酚的等溫吸附曲線,得到的實驗數據用Langmuir和Freundlich模型擬合。

Langmuir吸附等溫式:

式(3)

Freundlich吸附經驗公式:

lnQe=nlnce+lnKF

式(4)

式中:Qe-平衡吸附容量,mg/g;Qm-單分子層吸附達到飽和時對應的吸附容量,mg/g;Ce-吸附平衡濃度,mg/mL;KL-Langmuir吸附平衡常數,mL/mg;KF-Freundlich吸附平衡常數,mL/mg;n-常數。

2 結果與討論

2.1 粗提物中多酚類物質的紅外光譜檢測

鼠尾藻粗提物固體的紅外光譜圖,如圖1所示。在大致3300 cm-1和1250 cm-1有特征峰,這分別代表酚中-OH和C-O的伸縮振動,說明該粗提物中含有多酚物質[16]。另外,2926.5 cm-1處特征峰代表了-CH2-的不對稱伸縮振動,1618.5 cm-1和1416 cm-1兩個特征峰代表了-CH3的彎曲振動,1078.6 cm-1代表了C-O-C醚鍵的一個伸縮振動,而圖1中兩個小于1000 cm-1的特征峰則表示碳碳雙鍵面外的一個彎曲振動。

圖1 鼠尾藻多酚粗提物紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of crudeextract of Sargassum thunbergii polyphenol

2.2 XDA-1B大孔吸附樹脂吸附及解吸動力學

XDB-1A大孔吸附樹脂靜態吸附及解吸動力學曲線見圖2。鼠尾藻多酚初始濃度為2.5 mg/mL時,XDB-1A大孔吸附樹脂在0～2 h之間,對鼠尾藻多酚的吸附速率較快,2 h之后趨向飽和吸附量81.0 mg/g,而且趨于平衡狀態,說明XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的吸附時間較短。上樣流速2.0 mL/min,洗脫流速2.0 mL/min條件下,XDA-1B對鼠尾藻多酚的解吸速率較快,2 h之后趨向飽和解吸率,而且趨于平衡狀態,XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的解吸時間較短,突顯出了柱層析法分離鼠尾藻多酚快捷高效的優點。

圖2 XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的靜態吸附及吸動力學曲線Fig.2 Static adsorption and desorption kineticscurves of XDA-1B on Sargassum thunbergii polyphenol

2.3 XDA-1B大孔吸附樹脂的等溫吸附

不同溫度下XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的等溫吸附曲線見圖3。Langmuir和Frendlich等溫吸附方程擬合得到的相關參數見表1,計算得到的四個溫度下飽和吸附量為185、270、156、140 mg/g,呈現一個先上升后下降的趨勢,所以30 ℃是最適合XDA-1B大孔吸附樹脂吸附鼠尾藻多酚的溫度。在各個溫度下,當粗提物多酚初始濃度增加到一定數值后,吸附量反而降低,說明鼠尾藻多酚濃度不是越高越好。

圖3 XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的等溫吸附曲線Fig.3 Adsorption isotherm of Sargassum thunbergii polyphenols onto XDA-1B at different temperatures

擬合得到的模型參數列于表1,從表1 的數據可以看出,XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的等溫吸附曲線比較符合Freundlich方程。在各個溫度下,Freundlich方程的回歸系數均大于Langmuir方程回歸系數,Freundlich方程的回歸系數均在0.9以上,Freundlich吸附經驗公式進行擬合比較合適。Langmuir和Freundlich吸附等溫式都可以用來描述單分子層吸附,可以判斷在30 ℃下,XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的吸附都是單分子層吸附。XDA-1B大孔吸附樹脂的Freundlich模型中的常數n均介于0～1之間,屬于“優惠吸附”[17-18],說明鼠尾藻多酚在XDA-1B大孔吸附樹脂上的吸附還是比較容易實現的。

3 結論

采用XDA-1B大孔吸附樹脂柱層析法對鼠尾藻多酚吸附解析條件進行探討,表明XDA-1B大孔吸附樹脂適用于鼠尾藻多酚分離純化,當樣品溶液中鼠尾藻多酚初始濃度為2.5 mg/mL時,溫度為30 ℃時,XDA-1B大孔吸附樹脂對鼠尾藻多酚的靜態吸附量是最大的,飽和吸附量81.0 mg/g;上樣流速2.0 mL/min,洗脫流速2.0 mL/min條件下,鼠尾藻多酚的吸附和解吸速率較快,2 h之后均完成吸附和解吸。