大孔吸附樹脂分離純化紫甘薯色素的動力學(xué)分析

昝立峰， 李丹花， 殷春燕， 葉 嘉， 王 帥

(1.邯鄲學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056005； 2.河北省高校冀南太行山區(qū)野生資源植物應(yīng)用研發(fā)中心，河北邯鄲 056005)

紫甘薯[Ipomoeabatatas(L.) Lam]屬于旋花科的草本植物，肉質(zhì)為深紫紅色，含有大量的花青素類色素，主要成分為矢車菊素和芍藥素等色苷[1]。國家衛(wèi)生部2012年第6號公告批準(zhǔn)紫甘薯色素為食品添加劑新品種，該色素具有良好的抗氧化、抗突變、抗腫瘤、降血糖、預(yù)防心血管疾病等功效，在食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

大孔吸附樹脂已廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)天然色素。紫甘薯色素經(jīng)過大孔吸附樹脂的純化處理后，可以有效地除去粗提液中大多數(shù)的淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)、黏液質(zhì)等雜質(zhì)，使色素的有效成分高度富集從而提高色素的品質(zhì)[3]。因此，篩選廉價高效的大孔吸附樹脂并研究其吸附及解吸狀況，對開發(fā)及生產(chǎn)紫甘薯色素以及其他自然色素是非常有必要的。為此本研究主要探討了紫甘薯色素在大孔吸附樹脂上吸附分離特性以及動力學(xué)方程，旨在為該法工業(yè)化推廣應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮紫甘薯由河北省邯鄲市禾下土種業(yè)有限公司提供，低溫放置備用。

大孔吸附樹脂DM-21購于山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司；AB-8、HPD-600購于河北滄州寶恩吸附材料科技有限公司；LX-60、LX-69、LX-3020購于陜西西安藍(lán)曉科技新材料股份有限公司。

淀粉酶購于山東濟南德美生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TS-NS-100熱回流提取濃縮機組(上海順儀科技有限公司)；TU-1800紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；N-1100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(山東濟南普納儀器設(shè)備有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 樹脂的預(yù)處理 大孔吸附樹脂用95%乙醇溶液浸泡24 h后用純水沖洗至無醇味，然后分別用2%～5%鹽酸和氫氧化鈉溶液浸泡3～4 h，再用純水清洗至中性后備用。

1.3.2 色素液的制備 挑選新鮮紫甘薯切成厚度為2～3 mm 的薄片，按料液比1 g ∶5 mL迅速放入0.5%檸檬酸-磷酸水溶液中(pH值為3～4)，45 ℃提取2次，每次提取2.0 h，合并提取液。提取液經(jīng)過300目板框、孔徑為 0.5 μm 陶瓷膜過濾后，參考文獻(xiàn)[4]采用0.30%α-淀粉酶和 0.05% 酸性果膠酶在50 ℃、pH值為4.0條件下酶解 2 h，得到紫甘薯色素液備用。

1.3.3 色素色價及矢車菊-3-葡萄糖苷含量的測定

1.3.3.1 色價測定 準(zhǔn)確稱取紫甘薯色素樣品0.1～0.2 g，用pH值3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液稀釋至 100 mL，用1 cm比色皿以緩沖液作為空白，在(530±5) nm處測定吸光度。

1.3.3.2 矢車菊-3-葡萄糖苷含量的測定 測定分別經(jīng)過pH值1.0的緩沖溶液(0.025 mol/L 氯化鉀)和pH值4.5的緩沖溶液(0.4 mol/L 乙酸鈉)稀釋的樣品在520、700 nm波長下的吸光度，以水作空白。樣品制備完畢后要求在20～50 min 的時間內(nèi)測定吸光度。

式中：D為(D520 nm-D700 nm)pH值1.0-(D520 nm-D700 nm)pH值4.5；MW(分子量)為矢車菊-3-葡萄糖苷的分子量 449.2 g/mol；DF為樣品儲備液的稀釋倍數(shù)；1為光路長，cm；ε為矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)， 269 000 L/(mol·cm)；1 000為由g換算成mg的轉(zhuǎn)換系數(shù)；V為儲備液的體積(50 mL)，mL；m為樣品的質(zhì)量，mg。

1.3.4 大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附和解吸性能考察 分別取6種大孔吸附樹脂2.00 g置于250 mL具塞磨口錐形瓶中，每個錐形瓶加入150 mL吸光度為D0的色素液，在25 ℃、100 r/min 恒溫振蕩吸附4 h，測定色素溶液上清液的吸光度D1，吸附量=D0-D1，吸附率=(D0-D1)/D0×100%。D0和D1分別為吸附液初始吸光度和吸附平衡吸光度。

將吸附平衡后對各種吸附飽和的大孔樹脂進行抽濾放入250 mL錐形瓶中，加入150 mL濃度為70%的乙醇溶劑，置于25 ℃、100 r/min的振蕩箱中振蕩解吸7 h，測定解吸液吸光度D2，解吸量=D2，解吸率=D2/(D0-D1)×100%。

1.3.5 大孔吸附樹脂吸附動力學(xué)研究 準(zhǔn)確稱取大孔吸附樹脂2.00 g，置于250 mL錐形瓶中，每個瓶中加入150 mL的色素溶液，置于25 ℃氣浴搖床100 r/min振蕩吸附，每隔 30 min 測定1次吸光度，連續(xù)測定4 h，計算樹脂對色素的吸附量與時間的關(guān)系。吸附量為=D0-Dt，吸附率=(D0-D1)/D0×100%，Dt為t時刻的吸光度。以吸附時間為橫坐標(biāo)、吸附率為縱坐標(biāo)，制作樹脂對色素的靜態(tài)吸附曲線，根據(jù)Langmuir平衡方程Q/Qm=KC/(1+KC)對數(shù)據(jù)進行分析并計算出吸附速率平衡常數(shù)K，其中Q為吸附量；C為溶液濃度；Qm和K為常數(shù)。

1.3.7 大孔吸附樹脂動態(tài)吸附條件測定 根據(jù)“1.3.4”節(jié)試驗樹脂篩選結(jié)果，以吸附率和解吸率較好的大孔吸附樹脂為對象，選取吸附液pH值、解吸液乙醇濃度對大孔樹脂動態(tài)吸附色素條件的影響，試驗中pH值采用檸檬酸進行調(diào)節(jié)。當(dāng)色素吸附飽和后，用蒸餾水沖洗干凈后再用一定濃度的乙醇解吸，解吸液測定色價和含量。

1.3.8 統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=3)表示，再用SPSS 20.0進行一元方差分析(one-way ANOVA)，顯著水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔吸附樹脂的篩選

通過靜態(tài)吸附率和解吸率來評價6種大孔吸附樹脂對色素的吸附性能，結(jié)果如表1所示，DM-21、LX-60、LX-69、LX-3020這4種樹脂的吸附率較高，分別為(96.20±1.42)%、(96.51±0.33)%、(96.26±0.39)%、(95.07±0.20)%，但解吸率差距明顯，4種樹脂的解吸率分別為(81.95±0.58)%、(77.60±1.08)%、(71.69±0.88)%、(80.38±0.94)%，綜合考慮大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率，DM-21和LX-3020大孔吸附樹脂對紫甘薯色素的分離純化最為合適，DM-21樹脂的吸附和解吸率略高于 LX-3020，因此以下試驗均選擇DM-21作為吸附材料。

表1 不同大孔樹脂對色素的吸附量和解吸量以及對應(yīng)的吸附率和解吸率

2.2 大孔樹脂吸附動力學(xué)曲線

大孔吸附樹脂對紫甘薯色素的吸附速率是衡量其選擇性的重要指標(biāo)之一。本試驗采用在低濃度吸附平衡研究中應(yīng)用較多的Langmuir方程來定量比較6種樹脂對紫甘薯色素的吸附速率。由圖1可以看出，吸附初期各樹脂吸附速率較大，在2.5 h后增長均變緩，4 h后吸附過程基本趨于平衡，DM21、LX69、LX60以及LX3020這4種樹脂達(dá)到平衡狀態(tài)的速率快且吸附量大。根據(jù)Langmuir平衡方程得出各樹脂的吸附速率平衡常數(shù)，如表2所示，DM-21樹脂吸附略有優(yōu)勢，LX-3020、LX-60、AB-8差異不明顯，HPD-600相對較差。

表2 不同大孔樹脂吸附平衡速率常數(shù)

2.3 大孔樹脂吸附等溫曲線

采用Freundlich和Langmuir吸附方程對吸附等溫線數(shù)據(jù)(表3)進行處理，并作等溫曲線圖(圖2)，根據(jù)Freundlich吸附經(jīng)驗公式Q=KCen，即lnQ=nlnCe+lnK(其中Q為吸附量，Ce為平衡濃度，K和n為常數(shù))，以lnQ對lnC作圖(圖3)，回歸得到常數(shù)K和n，K可以評價吸附量的大小，n可以表示等溫線的變化趨勢，結(jié)果如表4所示，隨著吸附溫度的升高，K值有下降的趨勢，說明在一定的溫度范圍內(nèi)升高溫度不利于吸附，而n值介于0.5～1.0之間，說明色素在該樹脂上的吸附相對容易，但隨著溫度升高有降低趨勢；Langmuir方程為Q/Qmax=KC/(1+KC)(其中Q為吸附量，C為溶液濃度，Qmax和K為常數(shù))，以1/Q對1/C作圖(圖4)，得到常數(shù)K值和Qmax，由表4可知，隨著溫度的升高，K值降低，而Qmax值先升高后降低，說明雖然在35 ℃時吸附樹脂的吸附量較大，但吸附速率則有降低趨勢，綜合以上分析，選擇樹脂吸附溫度不超過35 ℃為宜。

表3 DM-21大孔吸附樹脂等溫線數(shù)據(jù)

表4 不同溫度下DM-21大孔吸附樹脂對色素的吸附方程

2.4 吸附液pH值對吸附的影響

紫甘薯色素屬于花色苷類物質(zhì)，在酸性條件下穩(wěn)定，將色素溶液的pH值分別調(diào)制為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，其他吸附條件相同，吸附同體積的色素液在(530±5)nm處測定吸光度D，并計算吸附率，結(jié)果如圖5所示。在pH值為2.0～4.0范圍時，隨著pH值升高，色素吸附率逐漸增加，當(dāng)pH值為 4.0 時，達(dá)到頂峰，吸附率為(90.88±0.60)%；而pH值為 5.0 時吸附率略有下降，為(89.60±0.46)%， pH值為6.0時，吸附率下降明顯，為(85.85±0.28)%，因此吸附液pH值4.0時吸附效果最佳。

2.5 乙醇濃度對解吸的影響

準(zhǔn)備吸附柱對同體積的紫甘薯色素提取液進行吸附，吸附完成后分別用濃度為40%、50%、60%、70%、80%的同體積乙醇溶液進行解吸，解吸完成后，稀釋相同倍數(shù)，以同濃度乙醇溶液作為空白對照在(530±5)nm處測定吸光度D，結(jié)果如圖6所示。乙醇濃度為50%～60%時，解吸率變化不明顯，而在70%乙醇解吸時達(dá)到最高，為(98.38±0.63)%，而后隨著乙醇濃度升高， 解吸率有所降低， 所以選擇70%乙醇溶液作為解吸液。

2.6 矢車菊-3-葡萄糖苷含量測定

根據(jù)以上試驗條件進行吸附分離，并噴霧干燥得到紫甘薯色素粉末產(chǎn)品，測定數(shù)據(jù)如表5所示，并根據(jù)“1.3.3(2)”節(jié)公式計算矢車菊-3-葡萄糖苷含量為0.77 mg/g。紫甘薯色素粉末產(chǎn)品色價為146.31，pH值為2.5～3.0；溶解度良好，用去離子水溶解12 h，無沉淀析出；氣味上有甘薯紅特有的香味，質(zhì)量規(guī)格優(yōu)于《紫甘薯色素應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

表5 色素含量測定

3 結(jié)論

大孔吸附樹脂是一類具有多孔網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，廣泛應(yīng)用于有機物的分離與純化。陳勇等對紫甘薯色素的吸附和分離條件進行研究，發(fā)現(xiàn)AB-8樹脂對紫甘薯紅色素具有較好的吸附能力，溫度、酸度條件對吸附能力有影響。溫度較高時，吸附較快，吸附能力在pH值2.5左右時比其他酸度條件下更強，乙醇濃度為70%時解脫效果最好[5]。程林潤等以0.2%鹽酸水溶液為提取溶劑，得到紫甘薯色素粗提物，過濾后用PDA-100大孔吸附樹脂吸附，70%乙醇解析，解析液濃縮干燥可得色價為100的高色價紫甘薯色素的粉狀產(chǎn)品[6]。本試驗紫甘薯色素液經(jīng)過酶解后靜態(tài)吸附和解吸性能測定，篩選得到DM-21大孔吸附樹脂為紫甘薯色素最佳分離樹脂，并通過動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著吸附溫度的升高，吸附速率有下降的趨勢，而吸附量在 35 ℃ 時達(dá)到最高，而45 ℃時吸附量又降低，總體分析高溫不利于色素在樹脂上的吸附分離。采用以上優(yōu)化條件對紫甘薯色素進行純化后，色素色價達(dá)到146.31，矢車菊-3-葡萄糖苷含量為0.77 mg/g，優(yōu)于已有文獻(xiàn)報道的工藝。因此，DM-21 大孔吸附樹脂可以作為紫甘薯色素純化的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊朝霞，王亦軍，高 磊. 紫甘薯花色苷色素研究進展[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版)，2004，19(2)：32-36.

[2]王洪云，張 毅，鈕福祥，等. 紫甘薯花青素研究進展[J]. 中國食物與營養(yǎng)，2015，21(5)：24-27.

[3]高彥祥，許正虹. 紫甘薯色素研究進展[J]. 中國食品添加劑，2005(1)：1-6.

[4]鮑 誠，李 玲，湯海賓，等. 紫甘薯花色苷酶法提取及純化[J]. 食品科學(xué)，2012，33(16)：59-62.

[5]陳 勇，張 晴. AB-8大孔吸附樹脂吸附和分離紫甘薯色素的研究[J]. 中國食品添加劑，2001(1)：6-9.

[6]程林潤，郭入安，朱 璞，等. 紫甘薯色素的提取及純化研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，1(1)：89-91.