分離紫薯果膠多糖樹脂的篩選及其工藝優化

唐婷，韋璐，趙琤，陳智理

廣西農業職業技術學院食品工程系（南寧 530007）

紫薯又叫黑薯，薯肉呈紫色至深紫色，是一種集食用、藥用及保健功能于一體的高營養蔬菜[1]。紫薯自引進后在中國廣為種植，具有良好的經濟效益，在國內外市場上十分走俏，發展前景廣闊[2]。紫薯嫩莖葉含有豐富的纖維素與果膠，能刺激腸胃蠕動，促進腸道中致癌毒物的排泄，營養價值不低于米面食品[3]。同時，中國中醫學研究表明，甘薯莖葉具有補虛、益氣、健脾強胃、益肺生津、補肝明目、延緩衰老等作用，具有較高的食用價值和藥用價值[4-6]。目前紫薯主要以鮮食形式出現，亦有利用紫薯加工成休閑食品、果酒、飲料等的研究[7]。而對于紫薯中功能性成分的研究主要集中在對花青素、膳食纖維等的提取，對于紫薯中果膠類多糖的研究還鮮有報道。

果膠類多糖是植物細胞壁多糖類家族中結構最為復雜的一種，具有良好的膠凝性和乳化性及多種生理功效[8]。果膠是由D-半乳糖醒酸經α-1, 4糖苷鍵聯結并與鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖等其中性糖連接聚合而成的雜多糖，此外還含有一些非糖成分如甲醇、乙酸和阿魏酸，廣泛存在于高等植物的果實、根、莖、葉中[9-11]。果膠是人體七大營養素中膳食纖維的主要成分，具有良好的抗腹瀉、抗癌、治療糖尿病和減肥等功效[12-14]。因果膠具有良好的凝膠性和乳化穩定性，在食品工業中應用廣泛，也是醫藥和化妝品工業不可缺少的輔料。試驗主要是對分離紫薯果膠多糖的樹脂進行篩選，優選出純化該果膠多糖的較佳樹脂，分離純化工藝采用L9(34)正交設計優化，為進一步開發利用紫薯提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紫薯（廣西南寧市）；D296R、D301R、D401陰離子交換樹脂、X-5、AB-8、D101聚酰胺樹脂（天津市津達正通環保科技有限公司）；濃硫酸、苯酚、乙醇、酒石酸等（分析純）。

1.2 主要儀器及設備

T6-新世紀紫外可見分光光度計（北京北分瑞利分析儀器（集團）有限責任公司）；HH-S1數顯恒溫水浴鍋（金壇市醫療儀器廠）；雷磁PHS-3C型pH計（上海精密科學儀器股份有限公司）；KYC-111型恒溫搖床（上海福瑪有限公司）；低速離心機（上海安亭科學儀器廠）；ALPHA2-4LD plus型真空冷凍干燥機（德國Chist公司）；超聲波清洗機（長春吉大小天鵝儀器有限公司）；RE 52-99旋轉蒸發器（上海亞榮生化儀器廠）；BSS-100電腦全自動部份收集器、HL-2B數顯恒流泵（上海滬西分析儀器廠有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理

紫薯用清水洗干凈，攪拌粉碎后，用95%乙醇浸泡30 min，用水淘洗2～3次，紫薯渣擠干后置于燒杯中加入適量水，用85 ℃水浴加熱5～10 min，冷卻后用流水漂洗、擠干。目的是洗去紫薯渣中可溶性糖分及部分色素類物質。所得紫薯于60 ℃烘箱干燥，粉碎，過60目塞后，冷藏，備用[15]。

1.3.2 紫薯果膠類多糖的提取

稱取一定量取處理好紫薯粉末，物料比1∶4，充分溶解后，纖維素酶酶解后用檸檬酸調節pH 2.0，于50 ℃恒溫水浴90 min后，超聲波（300 W）超聲波20 min，以4 000 r/min離心15 min，收集上層清液，將清液于旋轉蒸發儀上濃縮至原體積的1/4，待濃縮好的原液冷卻后按1∶3加入5%酒石酸乙醇溶液，靜置90 min，沉淀。之后進行第2次離心，以4 000 r/min離心15 min，所得沉淀即為紫薯果膠類多糖。

1.3.3 多糖保留率的測定

采用苯酚-硫酸法[16]，得標準曲線回歸方程為：A=3.082 5C+0.007 2，R2=0.997 1。取1 mL樣品液按照標準曲線步驟操作顯色，蒸餾水作空白對照，在490 nm波長處測定吸光度，計算多糖含量及多糖保留率。

1.4 樹脂的篩選

1.4.1 樹脂的預處理

將樹脂放在大桶內，先用清水浸泡并用浮選法除去細小顆粒，漂洗干凈，濾干。用95%乙醇溶液浸泡24 h，洗去樹脂內的醇溶性有機物，用蒸餾水沖洗樹脂無乙醇氣味，進行酸堿處理，2 mol/L的HCl溶液浸泡3 h，洗去酸溶性雜質，水洗至中性，用2 mol/L NaOH溶液浸泡3 h，洗去堿溶性雜質，水洗至中性，放入50 ℃烘箱烘干，備用[17]。

表1 大孔樹脂性能參數

1.4.2 樹脂的靜態吸附和解析的測定

稱取已處理好的樹脂各5.0 g于250 mL錐形瓶中，加入果膠類多糖溶液30 mL，密封，置于100 r/min搖床中振蕩吸附12 h，恒溫45 ℃，將充分吸附后的樹脂過濾，置于250 mL錐形瓶中，加入95%乙醇25 mL，45 ℃于搖床振蕩洗脫12 h，計算樹脂的靜態飽和吸附率和解吸量、解吸率和多糖保留率，比較篩選出最佳的樹脂。

式中：CA為吸附容量，mg/g樹脂；C0為上樣果膠多糖液的質量濃度，mg/mL；C1為吸附液中果膠多糖的質量濃度，mg/mL；C2為解吸液中果膠多糖液的質量濃度，mg/mL；V1為樣液的體積，mL；C1為樹脂干質量，g。

1.5 樹脂動態吸附和解吸單因素試驗

將1.4中優選出的較佳樹脂D296R，稱量5份，每份100 g，預處理后，分別進行濕法裝柱。以紫薯果膠多糖吸附率和多糖保留率為考察指標，70%乙醇為洗脫劑，考察上樣質量濃度（1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 mg/mL）、上樣液pH（pH 1.0，1.5，2.0，2.5和3.0），洗脫液流速（1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和6.0 mL/min）和洗脫液體積（1，3，5，7和9 BV）的影響。

1.6 正交試驗方案

根據單因素試驗情況，以A上樣液質量濃度（mg/mL）、B上樣液pH、C洗脫液流速（mL/min）、D洗脫液體積（BV）為因素，以紫薯果膠多糖吸附率和多糖保留率為指標，進行四因素三水平L9(34)設計正交試驗。

表2 正交試驗因素與水平

1.7 數據分析

試驗至少重復3次，各指標均為3組平行。數據采用Excel軟件進行分析作圖，SPSS 20.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 大孔吸附樹脂的篩選

7種不同型號樹脂對紫薯果膠類多糖的靜態吸附和解吸性能試驗、果膠多糖保留率結果見圖1。對紫薯果膠多糖提取而言，吸附量較大的是D401和D296R，多糖保留率分別為62.53%和64.79%；而靜態解析試驗中，D296R的解析效果最好，綜合考慮吸附量、解吸率數據和多糖保留率，故選用D296R型樹脂為最佳的動態吸附樹脂。

圖1 不同樹脂對果膠多糖靜態吸附和解吸性能

2.2 大孔樹脂動態吸附單因素試驗

2.2.1 上樣液質量濃度對吸附效果的影響

上樣液pH 2.0，洗脫液流速為3.0 mL/min，洗脫液體積5 BV時，上樣質量濃度對果膠多糖吸附率和多糖保留率的影響見圖2。說明果膠多糖吸附率和保留率隨著上樣液質量濃度的增加逐漸增大。上樣液質量濃度為2.0 mg/mL時，吸附率和多糖保留率達到最大。上樣液濃度繼續增加時吸附率和多糖保留率下降。可能樹脂發生多層吸附，導致內部微孔堵塞，降低吸附率[18]，因此選擇上樣質量濃度為2.0 mg/mL較適宜。

圖2 上樣液質量濃度對吸附率和多糖保留率的影響

2.2.2 上樣液pH對吸附效果的影響

上樣液質量濃度2.0 mg/mL，洗脫液流速3.0 mL/min，洗脫液體積5 BV時，上樣液pH對吸附率和多糖保留率的影響見圖3。說明pH 2.0，吸附率達到最大值，多糖保留率在pH 3.0最大。隨著pH繼續增大，樹脂吸附率和多糖保留率均逐漸降低，故選擇上樣液pH 2.0較適宜。

圖3 上樣液pH對吸附率和多糖保留率的影響

2.2.3 洗脫液流速對吸附效果的影響

上樣液質量濃度2.0 mg/mL，上樣液pH 2.0，洗脫液體積5 BV時，洗脫液流速對吸附率和多糖保留率的影響見圖4。說明隨著洗脫液流速增加，果膠多糖吸附率和多糖保留率增大，洗脫液流速2.0和3.0 mL/min時，吸附率和多糖保留最高，之后呈下降趨勢，可能是因為流速的加快導致洗脫液與大孔樹脂不能充分接觸，不能使吸附在大孔樹脂上的紫薯果膠多糖成分被洗脫出來[19]。考慮到流速過低會增加純化周期和成本，因此選擇洗脫液流速3.0 mL/min較適宜。

圖4 洗脫液流速對吸附率和多糖保留率的影響

2.2.4 洗脫液體積對吸附效果的影響

上樣液質量濃度2.0 mg/mL，上樣液pH 2.0，洗脫液流速3.0 mL/min時，洗脫液體積對吸附率和多糖保留率的影響見圖5。說明隨著洗脫液體積增加，吸附率和多糖保留率逐步增加，洗脫液用量7 BV時，吸附率達到最大值，增加洗脫液用量，吸附率基本不再增大，說明果膠多糖洗脫完全[20]。選擇洗脫液體積選擇7 BV較適宜。

圖5 洗脫液體積對解吸率的影響

2.3 正交試驗結果與分析

以紫薯果膠多糖吸附率和多糖保留率為考察指標的L9(34)正交試驗結果及直觀分析見表3。以吸附率為考察指標，影響果膠多糖純化各因素依次為：上樣液質量濃度（A）＞洗脫液體積（D）＞洗脫流速（C）＞上樣液pH（B）。紫薯果膠多糖的最佳工藝條件為A2B1C2D2，即上樣液質量濃度2.0 mg/mL、上樣液pH 1.5、洗脫液流速3.0 mL/min、洗脫液體積5 BV。以多糖保留率為考察指標，影響果膠多糖純化各因素依次洗脫液體積（D）＞上樣液質量濃度（A）＞上樣液pH（B）＞洗脫流速（C），紫薯果膠多糖的最佳工藝條件為A2B3C1D3，即上樣液質量濃度2.0 mg/mL、上樣液pH 2.5、洗脫液流速1.5 mL/min、洗脫液體積7 BV。

表3 紫薯果膠多糖吸附的正交試驗結果

2.4 正交試驗與單因素試驗結果驗證試驗

單因素試驗中，通過試驗確定上樣液質量濃度、上樣液pH、洗脫液流速、洗脫液體積等因素分別為2.0 mg/mL，2.0，3.0 mL/min，7 BV。正交試驗中以吸附率為考察指標的最佳工藝為上樣液質量濃度2.0 mg/mL，上樣液pH 1.5，洗脫液流速3.0 mL/min，洗脫液體積5 BV；以多糖保留率為考察標的最優組合為：上樣液質量濃度2.0 mg/mL、上樣液pH 2.5、洗脫液流速1.5 mL/min、洗脫液體積7 BV。3組工藝條件不同的組合方案A，B，C進行試驗驗證，每組進行3次平行試驗。驗證試驗結果見圖6。

由圖6可知，B組結果最優，即正交試驗中以吸附率為考察指標的最佳優化組合結果最好，吸附率為72.36%，多糖保留率為65.57%。因此，最佳工藝為：上樣液質量濃度2.0 mg/mL、上樣液pH 1.5、洗脫液流速3.0 mL/min、洗脫液體積5 BV。

圖6 驗證試驗結果

3 結論

通過比較樹脂對紫薯果膠多糖吸附和解吸效果，同時考慮多糖保留率，D296R樹脂效果最佳。利用正交試驗對紫薯果膠多糖純化工藝進行優化，得到最佳工藝條件為：上樣液質量濃度2.0 mg/mL、上樣液pH 1.5、洗脫液流速3.0 mL/min、洗脫液體積5 BV。在此最佳工藝條件進行3次平行試驗，紫薯果膠多糖吸附率為72.36%，多糖保留率為65.57%，果膠多糖純度從20.7%提高到61.5%。試驗所建立的大孔吸附樹脂純化工藝合理可行，為紫薯果膠多糖的高效提純奠定基礎，也為紫薯的綜合開發利用提供重要理論依據。