大孔樹脂純化柿子黃色素工藝優化

謝三都，方豪，黃東東

(1.閩南科技學院 生命科學與化學學院，福建 泉州 362332；2.廈門市產品質量監督檢驗院，福建 廈門 361024；3.福建農林大學 食品科學學院，福州 350002)

柿(DiospyroskakiL.)[1]又名朱果、米果、猴棗[2]，為雙子葉植物柿樹科(Ebenceae)柿樹屬(Dispryosl)中最常見的栽培植物，以柿果為原料制備柿子黃色素是柿子深加工產業的一條新途徑[3]。溶劑法是提取植物色素最常見的方法之一[4]，但采用溶劑法提取色素時，植物細胞中還存在多種成分溶出，導致植物色素溶液含有大量雜質而影響其應用[5-6]。為了改善天然色素的純度、穩定性和著色性能，必須在工藝中引入分離純化技術進行精制。目前，大孔樹脂純化技術是植物色素最常用的純化技術之一[7]。大孔吸附樹脂法是根據吸附性和分子篩原理將具有一定極性的有機大分子物質進行分離，該方法具有吸附選擇性好、處理容量大、再生簡便、解吸條件溫和、使用周期長、成本低等優點[8]，適合于工業化生產[9]。周業豐等[10]報道了采用大孔樹脂純化紅棗色素工藝條件，篩選出的X-5型大孔樹脂對棗皮紅色素有良好的吸附與解吸性能，適用于紅棗色素的批量純化。趙昕等[11-12]研究了大孔樹脂分離純化黑胡蘿卜紅色素，篩選出吸附和解吸性能均較好的BM-2樹脂。婁濤濤等[13]采用X-5大孔樹脂純化黑枸杞色素，其純化色素產率可達7.33%，色素質量較好，色價為21.7，重復性較好，適合于工業化生產。

本文以永定柿子為原料采用微波輔助乙醇溶劑法提取柿子黃色素，通過研究大孔樹脂的靜態吸附與解吸、動態吸附與解吸的工藝參數，研究了大孔樹脂純化柿子黃色素的工藝條件，以期為柿子黃色素的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料：永定柿子，永定縣百貳歲紅柿專業合作社提供；AB-8樹脂、HPD600樹脂，鄭州勤實科技有限公司；201×7樹脂，廊坊中水化工有限公司；HP-20樹脂，北京綠百草科技發展有限公司。

試劑：蒸餾水、95%乙醇、磷酸緩沖液等，均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2802S紫外可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司；電子精密天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SBS-160自動收集器、HL-2S恒流泵、Φ1.6 cm×50 cm玻璃層析柱 上海滬西分析儀器廠有限公司；EG823LC2-NA型美的微波爐 美的微波電器制造有限公司；SHB-III循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 柿子黃色素提取液的制備

將柿子洗凈后去核，搗成泥狀，以95%乙醇溶液配制成料液比為1∶3(g/mL)，準確稱取20.0 g樣品，經240 W微波處理90 s后，過濾、離心(5000 r/min，10 min)后獲得柿子黃色素溶液。

1.3.2 樹脂的預處理和再生

參照彭彬[14]關于大孔樹脂的預處理方法和再生方法處理大孔樹脂。

1.3.3 大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附及解吸

1.3.3.1 不同型號大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附率

經預處理過的大孔樹脂，晾干表面水分，分別稱取AB-8樹脂、HPD600樹脂、201×7樹脂、HP-20樹脂各8.000 g于錐形瓶中，加入50 mL柿子黃色素溶液，封口、室溫下避光放置，分別于1，2，3，4，5 h后吸取上清液于波長為451 nm處[15]測定吸光值A，比較不同型號的大孔樹脂對柿子黃色素的吸附性能，吸附率按以下公式計算[16]：

式中：Qra為大孔樹脂對柿子黃色素的吸附率，%；A0為吸附前柿子黃色素溶液在451 nm處的吸光值，A0=0.281；A1為吸附后柿子黃色素溶液在451 nm處的吸光值。

1.3.3.2 不同柿子黃色素濃度對大孔樹脂靜態吸附率的影響

不同濃度柿子黃色素的制備：以柿子黃色素提取液為原柿子黃色素濃度的100%，加95%乙醇稀釋為25%、50%、75%等濃度的柿子黃色素溶液。

準確稱取201×7樹脂8.000 g于100 mL錐形瓶中，分別加入濃度為25%、50%、75%、100%的柿子黃色素溶液各50 mL，封口、室溫下避光放置24 h后，吸取上清液于451 nm處測定各吸光度值A，按1.3.3.1中的吸附率計算公式，測定吸附前后柿子黃色素溶液的吸附率。

1.3.3.3 不同pH對大孔樹脂靜態吸附率的影響

準確稱取201×7樹脂8.000 g于100 mL錐形瓶中，分別加入經pH 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0緩沖液調節的柿子黃色素溶液各50 mL，封口、室溫下避光放置24 h后，吸取上清液于451 nm處測定各吸光度值A，按1.3.3.1中的吸附率計算公式，測定吸附前后柿子黃色素溶液的吸附率。

1.3.3.4 不同溫度對大孔樹脂靜態吸附率的影響

準確稱取201×7樹脂8.000 g于100 mL錐形瓶中，加入經pH 3.0緩沖液調節的柿子黃色素溶液0 mL，封口，分別于30，40，50 ℃的溫度下避光放置，分別于1，2，3，4，5，6 h后吸取上清液于451 nm處測定各吸光度值A。記吸附前色素液吸光值為A0，吸附后吸光值為A1，考慮到溫度對柿子黃色素穩定性的影響，以不加樹脂的柿子黃色素溶液為對照，其吸光值記為A2，則溫度對大孔樹脂的靜態吸附率有理論吸附率和實際吸附率兩種，按以下公式計算[17]：

1.3.3.5 不同洗脫劑pH對柿子黃色素解吸率的影響

準確稱取吸附了柿子黃色素的201×7樹脂4.000 g，加入以鹽酸調節pH 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0的65%乙醇溶液作為洗脫劑各25 mL，封口、室溫下避光放置30 min，過濾，取濾液于451 nm處測定其吸光度，并按以下公式計算大孔樹對柿子黃色素的解吸率[18]：

式中：Qrd為大孔樹脂對柿子黃色素的解吸率，%；A0為吸附前柿子黃色素溶液在451 nm處的吸光值，A0=0.122；Aa為吸附后柿子黃色素溶液在451 nm處的吸光值，Aa=0.010；Ad為解吸后的柿子黃色素溶液在451 nm處的吸光值。

1.3.3.6 不同乙醇濃度對柿子黃色素解吸率的影響

準確稱取吸附了柿子黃色素的201×7樹脂4.000 g，分別加入濃度為40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液及對應乙醇濃度的酸化乙醇(含0.054%鹽酸、0.1%檸檬酸)各25 mL，封口、室溫下避光放置30 min，過濾，取濾液于451 nm處測定其吸光度，按1.3.3.5中解吸率的計算公式研究不同乙醇濃度對大孔樹脂解吸率的影響。

1.3.4 大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附及解吸

1.3.4.1 流速對大孔樹脂動態吸附性能的影響

準確稱取經預處理的201×7樹脂10.000 g，濕法上柱。用恒流泵控制流速分別為6，10，16，21 BV/h，使柿子黃色素溶液上柱吸附(上柱液)，用自動部分收集器收集流出液，每管5 mL。流出液在451 nm處測定其吸光值，當吸光度值達到上柱液吸光度值的10%時，即認為達到泄露點，記錄泄露點(V，mL)、處理時間(T，h)，計算流速對大孔樹脂處理柿子黃色素的動態吸附率。

1.3.4.2 色素濃度對大孔樹脂動態吸附性能的影響

準確稱取經預處理的201×7樹脂10.000 g，濕法上柱。控制流速為6 BV/h，將濃度分別為25%、50%、75%、100%的柿子黃色素溶液上柱吸附，用自動部分收集器收集流出液，每管5 mL。流出液在451 nm處測定其吸光值，當吸光度值達到上柱液吸光度值的10%時，記錄泄露點(V，mL)、處理時間(T，h)，計算柿子黃色素濃度對大孔樹脂處理柿子黃色素的動態吸附率。

1.3.4.3 洗脫速度對大孔樹脂動態解吸性能的影響

準確稱取經預處理的201×7樹脂10.000 g，濕法上柱。柿子黃色素以流速為6 BV/h上柱吸附至飽和，用流速為2 BV/h的蒸餾水沖洗樹脂柱床后，以100 mL 60%乙醇洗脫劑分別按6，10，16，21 BV/h的流速洗脫，計算不同洗脫速度對大孔樹脂動態解吸率的影響。

1.3.4.4 洗脫劑用量對大孔樹脂動態解吸性能的影響

準確稱取經預處理的201×7樹脂10.000 g，濕法上柱。柿子黃色素以流速為6 BV/h上柱吸附至飽和，用流速為2 BV/h的蒸餾水沖洗樹脂柱床后，以60%乙醇溶液作為洗脫劑，控制洗脫液流速為6 BV/h，控制洗脫劑用量分別為2，4，6，8，10，12，14 BV，計算不同洗脫劑用量對大孔樹脂動態解吸率的影響。

2 結果與分析

2.1 大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附及解吸

2.1.1 不同型號樹脂對柿子黃色素靜態吸附率的影響

由圖1可知，隨著吸附時間的延長，201×7樹脂、AB-8樹脂和HP-20樹脂對柿子黃色素的吸附率逐漸增加，而HPD600樹脂對柿子黃色素的吸附率逐漸下降。對比201×7樹脂、AB-8樹脂和HP-20樹脂這3種樹脂對柿子黃色素的吸附率高低可知，201×7樹脂的吸附效果最好。

圖1 不同型號樹脂對柿子黃色素的靜態吸附率Fig.1 The static adsorption rates of persimmon yellow pigments treated by different types of resins

2.1.2 不同柿子黃色素濃度對大孔樹脂靜態吸附率的影響

由圖2可知，隨著柿子黃色素濃度的增加，大孔樹脂對柿子黃色素的吸附率先增加后下降。當柿子黃色素濃度為50%時，吸附率達到最大值，為64.21%。柿子黃色素濃度增加，可能是由于色素顆粒的抱團，導致粒徑加大，不利于樹脂的吸附而使得吸附率下降。因此，大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附過程中，柿子黃色素宜維持在50%左右。

圖2 不同柿子黃色素濃度對大孔樹脂靜態吸附率的影響Fig.2 Effect of concentration of different persimmon yellow pigments on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.3 不同pH對大孔樹脂靜態吸附率的影響

由圖3可知，當pH值增加至3.0時，大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附率達到最高值，為84.34%；pH值低于或高于3.0，吸附率均呈下降趨勢。因此，采用201×7樹脂對柿子黃色素進行靜態吸附，宜調整pH為3.0，有利于吸附。

圖3 不同pH對大孔樹脂靜態吸附率的影響Fig.3 Effect of different pH values on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.4 不同溫度對大孔樹脂靜態吸附率的影響

由圖4可知，實際吸附率一般會比理論吸附率稍大。對比溫度和吸附時間可知，在吸附溫度為40 ℃、吸附時間為6 h時，樹脂對柿子黃色素的靜態實際吸附率最高，為98.85%；升溫有利于色素顆粒的吸附，但溫度過高可能導致色素顆粒的熱運動激烈反而不利于樹脂對色素顆粒的穩定吸附。

圖4 不同溫度對大孔樹脂靜態吸附率的影響Fig.4 Effect of different temperatures on the static adsorption rates of macroporous resins

2.1.5 不同洗脫劑的pH值對柿子黃色素解吸率的影響

由圖5可知，隨著洗脫劑的pH從1.0增加至5.0，柿子黃色素解吸率呈先升后降的趨勢。當pH為2.0時，解吸率達到最大值，為13.37%；繼續升高pH，其解吸率反而下降，不利于色素顆粒脫離大孔樹脂。

圖5 不同洗脫劑的pH值對柿子黃色素解吸率的影響Fig.5 Effect of different eluents＇ pH values on the desorption rates of persimmon yellow pigments

2.1.6 不同乙醇濃度對柿子黃色素解吸率的影響

由圖6可知，對201×7樹脂吸附的柿子黃色素顆粒解吸率最高的為60%乙醇溶液，解吸率為19.64%；酸化乙醇對柿子黃色素顆粒的解吸在特定濃度上有強化效果，但并非解吸效果最佳的狀態，即酸化乙醇無助于提升柿子黃色素的解吸率。

圖6 不同乙醇濃度對柿子黃色素解吸率的影響Fig.6 Effect of different ethanol concentration on the desorption rates of persimmon yellow pigments

2.2 大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附及解吸

2.2.1 流速對大孔樹脂動態吸附性能的影響

由圖7可知，隨著流出液量的增加，201×7型號的大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附率逐漸下降。當流出液量在150 mL范圍內時，流速的變化對柿子黃色素的動態吸附率影響并不明顯，各流速下的吸附率差別不大；但流出液量大于150 mL后，流速對柿子黃色素的動態吸附率的影響顯現，隨著流速的增加，吸附率下降速度加快。針對這一特點，201×7型號的大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附可采用變流速的吸附過程：前期采用高速21 BV/h提高吸附速度；后期采用低速6 BV/h提升吸附率。

圖7 不同流速對柿子黃色素動態吸附率的影響Fig.7 Effect of different flow rates on the dynamic adsorption rates of persimmon yellow pigments

2.2.2 柿子黃色素濃度對大孔樹脂動態吸附性能的影響

由圖8可知，高濃度的柿子黃色素溶液并不利于大孔樹脂對色素顆粒的吸附。因此，選擇25%柿子黃色素溶液上柱吸附。

圖8 不同柿子黃色素濃度對動態吸附率的影響Fig.8 Effect of different concentration of persimmon yellow pigments on the dynamic adsorption rates

2.2.3 洗脫速度對大孔樹脂動態解吸性能的影響

由圖9可知，以60%乙醇溶液作為洗脫劑，當流出液量為40 mL時，各洗脫速度對柿子黃色素的動態解吸率均為最高。其中，以6 BV/h的洗脫劑流速的解吸率最高，為99.96%，被吸附的柿子黃色素顆粒幾乎被洗脫。因此，201×7型號的大孔樹脂對柿子黃色素進行動態解吸時，洗脫劑流速宜選擇6 BV/h。

圖9 不同洗脫速度對柿子黃色素動態解吸率的影響Fig.9 Effect of different elution flow rates on the dynamic desorption rates of persimmon yellow pigments

2.2.4 洗脫劑用量對大孔樹脂動態解吸性能的影響

由圖10可知，在控制流速為6 BV/h的條件下，洗脫劑用量為 4 BV時，洗脫劑對柿子黃色素的動態解吸率最高,為46.32%。因此，對201×7型號的大孔樹脂吸附的柿子黃色素顆粒洗脫時，洗脫劑用量宜選擇4 BV。

圖10 不同洗脫劑用量對柿子黃色素動態解吸率的影響Fig.10 Effect of different eluent amount on the dynamic desorption rates of persimmon yellow pigments

3 結論

由大孔樹脂對柿子黃色素的吸附率可知，201×7型號的大孔樹脂比AB-8、HP-20、HPD600這3種型號的大孔樹脂對柿子黃色素的吸附效果好。

大孔樹脂對柿子黃色素的靜態吸附與解吸條件分別為：采用201×7型號的大孔樹脂，以50%柿子黃色素溶液為吸附液并調pH為3.0，在溫度為40 ℃條件下放置6 h，吸附效果最好，吸附率達到98.85%；采用60%乙醇溶液對吸附柿子黃色素顆粒的大孔樹脂進行解吸，解吸率可達19.64%。

大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附與解吸條件分別為：采用201×7型號的大孔樹脂，以25%柿子黃色素溶液并調pH至3.0為上柱液，流出液量低于150 mL時采用流速為21 BV/h，流出液量高于150 mL時采用速度為6 BV/h，201×7型號的大孔樹脂對柿子黃色素的動態吸附率可達到90.00%以上；采用60%乙醇溶液作為洗脫劑，洗脫劑流速為6 BV/h，洗脫劑用量為4 BV對被大孔樹脂吸附的柿子黃色素顆粒進行動態解吸，解吸率達到46.32%。