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(南京林業(yè)大學理學院,江蘇南京 210037)

黃秋葵多糖提取及其絮凝性能

王煒強,李本剛,羅振揚,周偉健,朱麗珺*

(南京林業(yè)大學理學院,江蘇南京 210037)

以水、酸、堿為浸提液,利用超聲輔助法從黃秋葵果中提取了三種多糖,并以紅外光譜和凝膠滲透色譜對其進行了表征。結(jié)果表明,三種多糖的組成基本相同,分子量不同。利用黃秋葵多糖、硫酸鐵和硫酸鐵-黃秋葵多糖復合絮凝劑對高嶺土懸濁液處理表明,單獨添加黃秋葵多糖時絮凝效果差;單獨用硫酸鐵時,只有Fe3+離子濃度接近0.1 mmol/L時才能達到90%左右的絮凝率;三種黃秋葵多糖與硫酸鐵復合可在0.1～0.6 mmol/L的Fe3+離子濃度范圍內(nèi)達到90%左右的絮凝率,絮凝時間也短。堿提多糖對提高絮凝率和縮短絮凝時間的效果最好,其次是酸提、水提多糖。

黃秋葵多糖,硫酸鐵,復合絮凝劑,絮凝率,絮凝時間

黃秋葵為錦葵科秋葵屬一年生草本植物,黃秋葵的果實、花、葉中含有豐富的多糖物質(zhì),具有很高的提取利用價值[1-3]。目前,黃秋葵多糖的應(yīng)用研究主要集中在食品和生物醫(yī)藥領(lǐng)域[4-9]。此外,國外研究者報道了黃秋葵多糖在絮凝方面的應(yīng)用,例如,黃秋葵多糖在污水處理過程中能夠有效地去除濁度、顏色及COD等[10],在污泥脫水過程中顯示出良好的懸浮固體去除率和水回收率[11]。

多糖是一類常用的天然高分子絮凝劑,具有原料來源豐富、安全無毒、易于生物降解等優(yōu)點。將天然高分子絮凝劑和無機絮凝劑復合使用,在增強絮凝能力的同時可降低絮凝劑用量,并減少對水體的二次污染,因此受到了廣泛關(guān)注[12-14]。例如,聚合硅酸鐵鋁-殼聚糖復合絮凝劑對重金屬離子有很強的絮凝能力[15],硫酸鐵-大豆多糖復合絮凝劑處理高嶺土懸濁液可達到較高的絮凝率[16]。

本文采用超聲輔助浸提法從黃秋葵果中提取了三種多糖,并以高嶺土懸濁液為處理對象,選擇具有投放簡單、使用方便、見效快等優(yōu)點[17]的硫酸鐵作無機絮凝劑,分別研究了黃秋葵多糖、硫酸鐵、硫酸鐵-黃秋葵多糖復合絮凝劑的絮凝性能,以便為黃秋葵多糖在絮凝領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮黃秋葵果 由南京溧水曉康農(nóng)業(yè)合作社提供;高嶺土 阿拉丁試劑有限公司;硫酸鐵、乙醇、氫氧化鈉、一水合檸檬酸 國藥集團化學試劑有限公司;試劑 均為分析純。

YJ2-2型氣流式粉碎機 濟南億健醫(yī)療設(shè)備有限公司;KH3200DB型超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;TG16-WS型臺式高速離心機 湘儀離心機儀器有限公司;FD-1-50型冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;UV-2450型紫外-可見分光光度計 日本島津公司;VERTEX 80V型傅里葉變換紅外光譜儀 德國布魯克公司;PerkinElmer-200型凝膠滲透色譜儀 美國珀金埃爾默公司。

1.2實驗方法

1.2.1 黃秋葵多糖的提取 先用水超聲浸提黃秋葵中的水溶性多糖,剩余的殘渣再用酸、堿超聲浸提,從而將非水溶性多糖轉(zhuǎn)化成水溶性多糖溶出。水提法:先用刀將黃秋葵果切開并于50 ℃烘干至恒重,然后用氣流式粉碎機將其粉碎至600目。以固液比1∶44 (m/v)加入超純水,于52 ℃超聲100 W浸提1 h[18]后,冷卻,8000 r/min 離心分離8 min,收集上層清液并濃縮,向濃縮液中加入乙醇(最終體積分數(shù)為70%)使多糖析出,離心收集沉淀物,乙醇洗滌三次,最后冷凍干燥得水提多糖p1。酸提法:將水提法剩余的殘渣烘干并碾碎,以固液比1∶44 (m/v)加入pH為2的檸檬酸溶液,在52 ℃下超聲浸提1 h。其余步驟同水提法,最后得酸提多糖p2。堿提法:步驟同酸提法。不同的是以pH為12的氫氧化鈉溶液浸提,得堿提多糖p3。

1.2.2 黃秋葵多糖的表征 紅外光譜測定:將干燥的黃秋葵多糖粉末用KBr壓片后進行紅外光譜測定,掃描波段4000～400 cm-1。凝膠滲透色譜(GPC)測定:水作流動相,流速0.6 mL/min,測定溫度40 ℃,進樣量20 μL。

1.2.3 絮凝率測定 配制2 g/L的三種黃秋葵多糖溶液,并稀釋至所需濃度待用;配制30 mmol/L的Fe3+離子溶液,并稀釋至所需濃度待用;配制 5 g/L的高嶺土懸濁液待用。向10 mL試管中加入 9.3 mL上述高嶺土懸濁液、0.5 mL指定濃度的黃秋葵多糖水溶液和 0.2 mL指定濃度的硫酸鐵水溶液,振蕩1 min,然后靜置20 min。移取上清液 1 mL,稀釋50倍,于500 nm測定吸光度A。以相同體積的蒸餾水代替黃秋葵多糖和硫酸鐵溶液作為空白組,測定吸光度B,按以下公式計算絮凝率η[16]:

η(%)=(B-A)/B×100

式(1)

式(1)中,A為加入黃秋葵多糖及硫酸鐵時的吸光值,B為空白組的吸光值。

1.2.4 絮凝率與時間關(guān)系曲線的繪制 按照1.2.3的方法,固定黃秋葵多糖濃度為1 mg/L、固定Fe3+濃度(0.1、0.4、0.6 mmol/L),分別測定在靜置時間為1、2、3、4、5、6、7、8、10、15、20 min時的絮凝率,并繪制成絮凝率與時間關(guān)系曲線。

1.3數(shù)據(jù)處理

絮凝實驗均重復3次,采用Excel對數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果以平均值±標準差(Mean±SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1黃秋葵多糖表征

圖1給出了水提多糖(p1)、酸提多糖(p2)和堿提多糖(p3)的紅外光譜圖。由圖1可見,酸提、堿提黃秋葵多糖均在1738 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰,而水提多糖沒有出現(xiàn)該吸收峰;這是因為在稀酸或稀堿作用下非水溶液多糖容易發(fā)生部分水解和降解[19-20],糖苷鍵被打斷,多糖分子鏈上出現(xiàn)了更多的羰基。同時,三種多糖其它特征峰的位置基本一致,說明三種多糖的成分基本相同。

圖1 黃秋葵多糖的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of okra polysaccharides

圖2給出了三種黃秋葵多糖的GPC曲線。由圖2可見,三種多糖的分子量分布都較寬,根據(jù)GPC曲線最高峰的流出時間可初步判斷三種多糖的分子量大小順序為:堿提多糖>酸提多糖>水提多糖。

圖2 黃秋葵多糖的GPC曲線Fig.2 Gel permeation chromatograms of okra polysaccharides

2.2單一絮凝劑的絮凝性能

2.2.1 黃秋葵多糖 圖3給出了不同濃度的黃秋葵多糖溶液對高嶺土懸濁液的絮凝率結(jié)果。由圖3可見,單獨使用黃秋葵多糖作為絮凝劑時,隨著三種黃秋葵多糖濃度的提高,絮凝率從1%提高到7%,但最高也不超過10%。由此可見,單獨用黃秋葵多糖作絮凝劑時效果并不好。這是因為懸浮顆粒表面通常帶負電荷,黃秋葵多糖屬于陰離子型多糖,沒有辦法通過架橋作用使懸浮顆粒凝聚成大顆粒。

圖3 黃秋葵多糖濃度對絮凝率的影響Fig.3 Influence of okra polysaccharide concentration on the flocculation rate

圖4 Fe3+離子濃度對絮凝率的影響Fig.4 Influence of Fe3+ concentration on the flocculation rate

2.2.2 硫酸鐵濃度 圖4給出了不同F(xiàn)e3+離子濃度對高嶺土懸濁液的絮凝率的影響。由圖4可得,隨著Fe3+離子濃度的增大,絮凝率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且當Fe3+離子濃度為0.1 mmol/L時絮凝率達到最大,說明Fe3+離子濃度對絮凝率有很大影響。這是因為鐵鹽的絮凝機理主要是電性中和與吸附架橋,初期主要進行電中和,隨著添加量的增加產(chǎn)生吸附架橋作用,當添加量超過 0.1 mmol/L時會發(fā)生膠體保護作用,使脫穩(wěn)膠粒電荷變號或使膠粒被包卷起來重新穩(wěn)定,絮凝率降低[14]。

2.3硫酸鐵-黃秋葵多糖復合絮凝劑的絮凝性能

2.3.1 低Fe3+離子濃度下復合絮凝劑的絮凝效果 圖5給出了低Fe3+離子濃度下(0.01、0.03 mmol/L)黃秋葵多糖用量對高嶺土懸濁液絮凝率的影響。與圖4單一硫酸鐵相比,當添加的黃秋葵多糖濃度從1 mg/L增加到20 mg/L時,絮凝率均有所增加。在Fe3+濃度為0.01 mmol/L時,絮凝率從3.25%提高到15%;在Fe3+濃度為0.03 mmol/L時,絮凝率從6.75%提高到19%,最多提高了12%。這是因為在低Fe3+離子濃度下,膠粒間吸附和架橋作用比較弱,絮凝效果不是非常明顯。

圖5 低Fe3+離子濃度下黃秋葵多糖用量對絮凝率的影響Fig.5 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at low Fe3+ concentration

2.3.2 中Fe3+離子濃度下復合絮凝劑的絮凝效果 圖6給出了中Fe3+離子濃度下(0.1 mmol/L)黃秋葵多糖的用量對高嶺土懸濁液絮凝率的影響。與圖4單一硫酸鐵相比,添加黃秋葵多糖后的絮凝率均有所增加,但上升幅度很小,這是因為在此Fe3+離子濃度下單一硫酸鐵的絮凝率已達到90%以上。圖7給出了中Fe3+離子濃度下的絮凝率-時間曲線。由圖7可見,不添加黃秋葵多糖時,需要15 min才能達到90%的絮凝率;添加1 mg/L的黃秋葵多糖后,可在8 min內(nèi)達到90%的絮凝率;表明在中Fe3+濃度下,添加黃秋葵多糖可有效縮短絮凝時間。這是因為在中Fe3+濃度下,添加黃秋葵多糖,使膠體顆粒聚集,同時強化高分子物質(zhì)與膠粒間吸附,促進架橋。

圖6 中Fe3+離子濃度下黃秋葵多糖用量對絮凝率的影響Fig.6 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at medium Fe3+ concentration

綜合圖6和圖7可見,三種多糖中,堿提多糖對提高絮凝率和縮短絮凝時間的效果最好,其次是酸提、水提多糖,這與三種多糖的分子量大小順序一致。這是由于黃秋葵多糖的相對分子質(zhì)量越大,其分子的螺旋鏈越長,凝聚過程中與顆粒碰撞的概率越大,架橋作用的效果越好,形成的絮體也就更大,絮凝效果也就越好[21]。

圖7 中Fe3+離子濃度下的絮凝率與時間關(guān)系曲線Fig.7 Plots of flocculating rate and time at medium Fe3+ concentration

2.3.3 高Fe3+離子濃度下復合絮凝劑的絮凝效果 圖8給出了高Fe3+離子濃度下(0.4、0.6 mmol/L)黃秋葵多糖的用量對高嶺土懸濁液絮凝率的影響。由圖8可見,不添加黃秋葵多糖時,絮凝率只有40%～50%;添加黃秋葵多糖后,絮凝率大幅提升,當黃秋葵多糖的用量為1 mg/L時,絮凝率可達90%左右;說明在高的Fe3+離子濃度(>0.1 mmol/L)下,添加少量黃秋葵多糖就可顯著提高絮凝率。這是因為單獨用硫酸鐵絮凝時,高Fe3+離子濃度會導致“再穩(wěn)”現(xiàn)象,使懸浮顆粒表面帶正電荷,無法產(chǎn)生架橋作用;而黃秋葵多糖為陰離子型多糖,可在“再穩(wěn)”懸浮顆粒間產(chǎn)生架橋作用,使絮凝率極大地提高[22]。圖9給出了高Fe3+離子濃度(0.4 mmol/L)下的絮凝率與時間關(guān)系曲線。由圖9可見,不添加黃秋葵多糖時,20 min時絮凝率還未達到最大;添加1 mg/L的黃秋葵多糖后,15 min后絮凝率幾乎不再上升;表明在高Fe3+離子濃度下,添加黃秋葵多糖還可有效縮短絮凝時間。

圖8 高Fe3+離子濃度下黃秋葵多糖用量對絮凝率的影響Fig.8 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at high Fe3+ concentration

圖9 高Fe3+離子濃度(0.4 mmol/L) 下絮凝率與時間關(guān)系曲線Fig.9 Plots of flocculating rate vs. time at a high Fe3+ concentratio of 0.4 mmol/L

綜合圖8和圖9,三種多糖中,堿提多糖對提高絮凝率和縮短絮凝時間的效果最好,其次是酸提、水提多糖,這與中Fe3+離子濃度下的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

先用水提法從黃秋葵果中提取多糖,再分別用酸提法、堿提法從水提后的殘渣中提取多糖,得到了三種黃秋葵多糖。三種多糖的組成基本一致,分子量大小順序為:堿提多糖>酸提多糖>水提多糖。

對高嶺土懸濁液,單獨添加黃秋葵多糖絮凝時效果差;單獨添加硫酸鐵絮凝時,只有在較窄的Fe3+離子濃度范圍內(nèi)才能達到90%左右的絮凝率;對硫酸鐵-黃秋葵多糖復合絮凝劑,添加1 mg/L的黃秋葵多糖后,可在較寬的Fe3+離子濃度范圍內(nèi)達到90%左右的絮凝率,并有效縮短絮凝時間,堿提多糖對提高絮凝率和縮短絮凝時間的效果最好,其次是酸提、水提多糖。本研究表明黃秋葵多糖在一定的條件下具有較好的絮凝性,能夠開發(fā)成為一種可生物降解的、無毒無害的、天然高分子絮凝劑,在環(huán)境保護領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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Extractionandflocculationpropertiesofokrapolysaccharide

WANGWei-qiang,LIBen-gang,LUOZhen-yang,ZHOUWei-jian,ZHULi-jun*

(College of Science,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

Three kinds of polysaccharide were extracted from okra fruit by ultrasonic technology using water,acid and alkali as soaking solvents. They were characterized by infrared spectroscopy and gel permeation chromatography. The results showed that three kinds of polysaccharide had almost the same composition and different molecular weight. Using kaolin suspensions as flocculating object,the flocculation properties of okra polysaccharide,ferric sulfate and ferric sulfate-okra polysaccharide composite flocculant were investigated. The results suggested that poor flocculation properties were exhibited by adding only okra polysaccharide as flocculant. Only the concentration of Fe3+close to 0.1 mmol/L,ferric sulfate could reach flocculation rate of 90%. However,ferric sulfate-okra polysaccharide composite flocculant could reach flocculation rate of 90% in a wide Fe3+concentration range of 0.1～0.6 mmol/L,and the flocculation time was also short. The order of flocculation rate from high to low and flocculation time from short to long was okra polysaccharide extracted by alkaline,okra polysaccharide extracted by acid and okra polysaccharide extracted by water.

okra polysaccharide;ferric sulfate;composite flocculant;flocculation rate;flocculation time

2017-03-22

王煒強(1993-),男,碩士研究生,研究方向:天然資源材料開發(fā)與利用,E-mail:wwq19930927@163.com。

*

朱麗珺(1960-),女,博士,教授,研究方向:環(huán)境友好材料,E-mail:lxyzlj@njfu.edu.cn。

江蘇省自然科學基金(BK20140967)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)21-0076-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.015