大孔樹脂純化柿子黃色素工藝優(yōu)化

謝三都，方豪，黃東東

(1.閩南科技學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362332；2.廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門 361024；3.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)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(chǎn)業(yè)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(shí)，植物細(xì)胞中還存在多種成分溶出，導(dǎo)致植物色素溶液含有大量雜質(zhì)而影響其應(yīng)用[5-6]。為了改善天然色素的純度、穩(wěn)定性和著色性能，必須在工藝中引入分離純化技術(shù)進(jìn)行精制。目前，大孔樹脂純化技術(shù)是植物色素最常用的純化技術(shù)之一[7]。大孔吸附樹脂法是根據(jù)吸附性和分子篩原理將具有一定極性的有機(jī)大分子物質(zhì)進(jìn)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(yōu)點(diǎn)[8]，適合于工業(yè)化生產(chǎn)[9]。周業(yè)豐等[10]報(bào)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(chǎn)率可達(dá)7.33%，色素質(zhì)量較好，色價(jià)為21.7，重復(fù)性較好，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

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(tài)吸附與解吸、動態(tài)吸附與解吸的工藝參數(shù)，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(yīng)用提供技術(shù)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(yè)合作社提供；AB-8樹脂、HPD600樹脂，鄭州勤實(shí)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(fā)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(shè)備

UV-2802S紫外可見分光光度計(jì) 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(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)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(zhǔn)確稱取20.0 g樣品，經(jīng)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(yù)處理和再生

參照彭彬[14]關(guān)于大孔樹脂的預(yù)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(tài)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(tài)吸附率

經(jīng)預(yù)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(chǔ)，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(jì)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(tài)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(zhǔn)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(chǔ)，按1.3.3.1中的吸附率計(jì)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(tài)吸附率的影響

準(zhǔn)確稱取201×7樹脂8.000 g于100 mL錐形瓶中，分別加入經(jīng)pH 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0緩沖液調(diào)節(jié)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(chǔ)，按1.3.3.1中的吸附率計(jì)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(tài)吸附率的影響

準(zhǔn)確稱取201×7樹脂8.000 g于100 mL錐形瓶中，加入經(jīng)pH 3.0緩沖液調(diào)節(jié)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(chǔ)。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(wěn)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(tài)吸附率有理論吸附率和實(shí)際吸附率兩種，按以下公式計(jì)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(zhǔn)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(diào)節(jié)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(jì)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(zhǔn)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(yīng)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(jì)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(tài)吸附及解吸

1.3.4.1 流速對大孔樹脂動態(tài)吸附性能的影響

準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)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(dāng)吸光度值達(dá)到上柱液吸光度值的10%時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到泄露點(diǎn)，記錄泄露點(diǎn)(V，mL)、處理時(shí)間(T，h)，計(jì)算流速對大孔樹脂處理柿子黃色素的動態(tài)吸附率。

1.3.4.2 色素濃度對大孔樹脂動態(tài)吸附性能的影響

準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)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(dāng)吸光度值達(dá)到上柱液吸光度值的10%時(shí)，記錄泄露點(diǎn)(V，mL)、處理時(shí)間(T，h)，計(jì)算柿子黃色素濃度對大孔樹脂處理柿子黃色素的動態(tài)吸附率。

1.3.4.3 洗脫速度對大孔樹脂動態(tài)解吸性能的影響

準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)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(jì)算不同洗脫速度對大孔樹脂動態(tài)解吸率的影響。

1.3.4.4 洗脫劑用量對大孔樹脂動態(tài)解吸性能的影響

準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)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(jì)算不同洗脫劑用量對大孔樹脂動態(tài)解吸率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂對柿子黃色素的靜態(tài)吸附及解吸

2.1.1 不同型號樹脂對柿子黃色素靜態(tài)吸附率的影響

由圖1可知，隨著吸附時(shí)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(tài)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(tài)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(dāng)柿子黃色素濃度為50%時(shí)，吸附率達(dá)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(tuán)，導(dǎo)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(tài)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(tài)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(tài)吸附率的影響

由圖3可知，當(dāng)pH值增加至3.0時(shí)，大孔樹脂對柿子黃色素的靜態(tài)吸附率達(dá)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(jìn)行靜態(tài)吸附，宜調(diào)整pH為3.0，有利于吸附。

圖3 不同pH對大孔樹脂靜態(tài)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(tài)吸附率的影響

由圖4可知，實(shí)際吸附率一般會比理論吸附率稍大。對比溫度和吸附時(shí)間可知，在吸附溫度為40 ℃、吸附時(shí)間為6 h時(shí)，樹脂對柿子黃色素的靜態(tài)實(shí)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(dǎo)致色素顆粒的熱運(yùn)動激烈反而不利于樹脂對色素顆粒的穩(wěn)定吸附。

圖4 不同溫度對大孔樹脂靜態(tài)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(dāng)pH為2.0時(shí)，解吸率達(dá)到最大值，為13.37%；繼續(xù)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(qiáng)化效果，但并非解吸效果最佳的狀態(tài)，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(tài)吸附及解吸

2.2.1 流速對大孔樹脂動態(tài)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(tài)吸附率逐漸下降。當(dāng)流出液量在150 mL范圍內(nèi)時(shí)，流速的變化對柿子黃色素的動態(tài)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(tài)吸附率的影響顯現(xiàn)，隨著流速的增加，吸附率下降速度加快。針對這一特點(diǎn)，201×7型號的大孔樹脂對柿子黃色素的動態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)解吸性能的影響

由圖9可知，以60%乙醇溶液作為洗脫劑，當(dāng)流出液量為40 mL時(shí)，各洗脫速度對柿子黃色素的動態(tài)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(jìn)行動態(tài)解吸時(shí)，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(tài)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(tài)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(shí)，洗脫劑對柿子黃色素的動態(tài)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(shí)，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(tài)解吸率的影響Fig.10 Effect of different eluent amount on the dynamic desorption rates of persimmon yellow pigments

3 結(jié)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(tài)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(diào)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(dá)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(jìn)行解吸，解吸率可達(dá)19.64%。

大孔樹脂對柿子黃色素的動態(tài)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(diào)pH至3.0為上柱液，流出液量低于150 mL時(shí)采用流速為21 BV/h，流出液量高于150 mL時(shí)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(tài)吸附率可達(dá)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(jìn)行動態(tài)解吸，解吸率達(dá)到46.32%。