大孔吸附樹脂精制紫膠紅色素的研究

張 弘，房桂干，鄭 華，甘 瑾

(1.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

大孔吸附樹脂精制紫膠紅色素的研究

張 弘1,2，房桂干1，鄭 華2，甘 瑾2

(1.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

研究大孔吸附樹脂吸附精制紫膠紅色素的工藝。以紫膠紅色素吸光度為指標，比較大孔吸附樹脂的吸附性能和解吸參數(shù)，篩選從紫膠洗色原液精制紫膠紅色素的較優(yōu)大孔吸附樹脂，確定大孔吸附樹脂精制紫膠紅色素的工藝參數(shù)。結果表明：AB-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素有良好的吸附性能；解吸液為pH7、20%乙醇溶液，除雜精制效果好，解吸率大于90%；經(jīng)AB-8大孔吸附樹脂吸附/解吸精制后的色素色價是未精制色素的2.96倍，樹脂可多次重復使用，說明采用大孔吸附樹脂精制紫膠紅色素是可行的。

紫膠紅色素；大孔吸附樹脂；精制

紫膠紅色素是紫膠蟲的新陳代謝產(chǎn)物，又稱紫膠色酸，是一種蒽醌衍生物，主要存在于紫膠蟲體內，因溶于水而在紫膠加工過程中被水洗出，通過加工精制而得到紫膠紅色素[1]。紫膠紅色素色調隨pH值而呈橙紅至紫紅，理化性質比較穩(wěn)定[2-3]，并有抗基因毒性[4]，是食品、化妝品[5]及紡織品[6-9]的優(yōu)良著色劑，為我國允許用于食品添加劑的天然色素[10-12]，在遠東地區(qū)為傳統(tǒng)的食用染料[13]。

在紫膠紅色素生產(chǎn)時，其洗色液濃度低且含有較多的蟲尸、灰分、糖、蛋白質及鹽等雜質，這些雜質的存在極大地影響了紫膠紅色素的品質和穩(wěn)定性，所以需對紫膠洗色液進行精制。大孔吸附樹脂是目前分離、純化物質的一種重要方法，本研究以紫膠洗色液為原液，通過大孔吸附樹脂處理，擬去除紫膠洗色液中大量的糖類、蛋白質及鹽等成分，從而提高紫膠紅色素品質。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

紫膠原膠，來源于中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所景東試驗站，為云南紫膠蟲(K. yunnanensis Ou et Hong)原膠[14]。

AB-8、DA-201、DM130、DM-301、H103、D-101和NKA-9大孔吸附樹脂 天津市海光化工有限公司；乙醇、鹽酸等均為分析純；水為去離子水。

DU-800型紫外-可見分光光度計 美國貝克曼-庫

爾特公司；PHS-3C型酸度計 上海雷磁儀器廠；BP2215電子天平 德國賽多利斯公司；SHZ-82恒溫振蕩器 金壇市富華儀器有限公司；XMT-DA型水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；離心機LD4-2A 北京醫(yī)用離心機廠；BCD-208K BS冰箱 青島海爾股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 大孔吸附樹脂的預處理

在燒杯中加入高于樹脂層10～20mm的乙醇浸泡3～4h，然后放凈洗滌液，為一次洗滌過程；用同樣方法反復洗滌至洗滌液在燒杯中加3倍量水不顯渾濁為止。然后再用清水充分淋洗至無明顯乙醇氣味，離心脫水后冷藏。

1.2.2 紫膠紅色素原液制備

將紫膠原膠人工粉碎成1～6mm級別顆粒，稱取適量顆粒紫膠，按料液比1:5(g/mL)加入去離子水，攪拌洗色2h，用200目紗布過濾，收集浸提色水，重復浸提6次。合并濾液，用檸檬酸調節(jié)合并后的色水pH值為3.5～4，攪拌澄清后用微濾膜真空抽濾，得到紫膠紅色素原液備用。

1.2.3 吸附樹脂的篩選

移取50mL紫膠紅色素原液于7組100mL的錐形瓶中，分別加入經(jīng)過預處理的AB-8、DA-201、DM130、DM-301、H103、D-101和NKA-9等大孔吸附樹脂(2± 0.001)g，放入恒溫振蕩器中，在20℃條件下振蕩吸附24h。測定上清液吸光度，計算吸附量和吸附率。

式中：Q為24h紫膠紅色素在大孔吸附樹脂上的吸附量/(A/g)；EQ為24h紫膠紅色素在大孔吸附樹脂上的吸附率；A0、At、Ae分別為吸附前、t時間和吸附后紫膠紅色素原液吸光度；V0、Vt、Ve分別為吸附前、t時間和吸附后吸附液體積/mL；m為吸附樹脂質量/g。

將上述7組吸附液濾除，再分別加入新蒸的95%乙醇50mL，重新放入恒溫振蕩器中在20℃振蕩解吸24h。分別汲取各解吸液5mL置于燒杯中蒸干，再用5mL的純水溶解蒸干的色素，測定吸光度，按下式計算解吸量和解吸率。

D=AdVd/m

ED=D/Q

式中：D為24h紫膠紅色素在大孔吸附樹脂上的解吸量/(A/g)；Ad為解吸液吸光度；Vd為解吸液體積/mL；ED為24h紫膠紅色素在大孔吸附樹脂上的解吸率。

分析吸附量、吸附率及解吸率，優(yōu)選出較優(yōu)的一種吸附樹脂繼續(xù)做靜態(tài)及動態(tài)實驗。

1.2.4 溫度對吸附能力的影響

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂1.00g多份，置于100mL三角瓶中，加入50mL的色素原液，分別置于20、30、40、50℃恒溫振蕩器中振蕩，每隔30min測定一次三角瓶中上清液吸光度，直到吸光度不再減小為止，計算不同溫度下大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的吸附率與時間紫膠紅的關系。

1.2.5 乙醇體積分數(shù)對解吸能力的影響

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂1.00g多份，置于100mL三角瓶中，加入50mL的紫膠紅色素原液，置于20℃恒溫振蕩器振蕩6h后，用去離子水洗去溶液中殘余色素后并吸干水分。分別量取體積分數(shù)為20%、40%、60%、80%和95%的乙醇溶液50mL解吸12h。測解吸液的吸光度時，吸取5mL解吸液置于小燒杯中蒸干，加5mL去離子水將色素全部溶解后測吸光度，計算不同體積分數(shù)乙醇溶液的解吸量和解吸率。

1.2.6 pH值對解吸能力的影響

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂1.00g多份，置于100mL三角瓶中，加入50mL的紫膠紅色素原液，置于20℃恒溫振蕩器振蕩6h后，用去離子水洗去溶液中殘余色素后并吸干水分。量取20%乙醇溶液50mL，分別調整pH2～8解吸12h，測解吸液的吸光度，計算不同pH值的乙醇水溶液的解吸量和解吸率。

1.2.7 吸附液流量對樹脂吸附能力的影響

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂5.00g，濕法裝柱。取一定濃度的已預處理的紫膠紅色素原液，分別在0.5、1.0、2.0、3.0、4.0mL/min條件下通過裝填有大孔吸附樹脂的吸附柱，每隔5min測定流出液的吸光度At，以At=1/10A0時為始漏點，合并到達始漏點前流出液，測流出液吸光度Ae和體積Vt，計算吸附量和吸附率。

1.2.8 解吸液流量對樹脂解吸能力的影響

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂5.00g，加入一定濃度的紫膠紅色素原液，靜態(tài)吸附至飽和。將吸附飽和的樹脂濕法裝柱，分別在0.5、1、2、2.5、3mL/min條件下洗脫。每隔5min測定流出液的吸光度At，以流出液的吸光度At為最大吸光度的1/10時為終點，合并到達終點前所有流出液，測流出液吸光度Ad和體積Vd，計算解吸量和解吸率。

1.2.9 動態(tài)驗證實驗

準確稱取已預處理的較優(yōu)大孔吸附樹脂5.00g，濕法裝于內徑為8mm的吸附柱內；取一定濃度的已預處理的紫膠紅色素原液，在較佳的流量下，進行動態(tài)吸附。樹脂吸附飽和后，首先用0.01% HCl溶液進行洗脫，除去極性較強、水可以洗脫的物質，再用解吸效果最好的乙醇溶液在最佳的解吸流量下進行解吸。

收集上述動態(tài)吸附解吸液及紫膠紅色素原液，分別放入精確稱量過的燒杯中，蒸發(fā)并干燥至質量恒定。1.2.10樹脂重復性檢驗

按上述所確定的紫膠紅色素原液吸附和解吸條件，取紫膠紅色素原液進行上柱、吸附和解吸，在同一樹脂柱上重復操作20次，分別計算解吸紫膠紅色素的吸光度和色價，考察較優(yōu)大孔吸附樹脂的重復使用性能。

1.2.11 分析方法

按GB 4571—1996《食品添加劑紫膠紅色素》[15]標準檢測紫膠紅色素色價。以波長490nm處測定的吸光度代替濃度進行計算，控制、調整吸光度在0.1～0.7范圍內。

2 結果與分析

2.1 紫膠洗色原液可見光區(qū)吸收光譜

圖1 紫膠洗色原液可見光區(qū)吸收光譜圖Fig.1 Absorption spectrum of original lac red pigment solution

由圖1可以看出，紫膠洗色原液有多處吸收峰，而在490nm處有最大吸收峰，為紫膠紅色素的特征吸收峰[2,15]，表明紫膠洗色原液為紫膠紅色素粗提水溶液，含量較低，雜質較多。

2.2 不同型號的大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的吸附和解吸能力

表1 各種大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附/解吸結果Table1 Adsorption and desorption results of lac red pigment using different types of resin

由表1可以看出，AB-8對紫膠紅色素的吸附量和解吸率較高，效果較好，由此選擇AB-8大孔吸附樹脂作為吸附劑，系統(tǒng)研究其對紫膠紅色素的吸附和解吸過程。

2.3 溫度對吸附能力的影響

圖2 溫度對吸附率的影響Fig.2 Effect of temperature on absorption capacity of resin AB-8

AB-8大孔吸附樹脂在不同溫度下對紫膠紅色素的吸附隨時間的變化見圖2。由圖2可以看出，隨吸附時間延長，大孔吸附樹脂對紫膠紅色素吸附率增加；溫度愈高，吸附率愈高，表明適宜的溫度可以提高大孔吸附樹脂的吸附效率。

2.4 乙醇體積分數(shù)對解吸能力的影響

圖3 不同體積分數(shù)的乙醇解吸液對解吸率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on desorption rate of resin AB-8

由圖3可以看出，隨解吸液乙醇體積分數(shù)升高，對AB-8大孔吸附樹脂解吸率降低，解吸效果最好的乙醇體積分數(shù)為20%。

2.5 解吸液pH值對解吸能力的影響

圖4 不同pH值解吸液對解吸率的影響Fig.4 Effect of pH in desorption solution on desorption rate of resin AB-8

由圖4看出，用20%乙醇水溶液解吸，解吸液pH值為5～8時，解吸效果較好，而洗脫液pH值為7時，解吸率最高。

2.6 吸附液流量對樹脂吸附能力的影響

圖5 吸附液流量對樹脂吸附能力的影響Fig.5 Effect of flow rate of adsorption solution on adsorption capacity of resin AB-8

由圖5可以看出，當流量為0.5mL/min時，AB-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的吸附量和吸附率最高，并隨原液流量加大，吸附量和吸附率均有下降。在大孔吸附樹脂柱動態(tài)吸附過程中，如果流量過快，色素原液與樹脂接觸時間短，溶質分子尚未擴散至樹脂的內表面并被吸附就會發(fā)生漏液現(xiàn)象。結果表明色素原液的上樣流量將影響大孔樹脂的吸附效率。

2.7 解吸液流量對樹脂解吸能力的影響

圖6 解吸液流量對樹脂解吸能力的影響Fig.6 Effect of flow rate of desorption solution on adsorption capacity of resin AB-8

由圖6可以看出，當流量為3mL/min時，AB-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的解吸量和解吸率最高，并隨解吸液流量減小，吸附量和吸附率均有下降。

2.8 動態(tài)吸附/解吸驗證實驗

AB-8大孔吸附樹脂動態(tài)吸附/解吸紫膠紅色素過程見圖7、8，紫膠紅色素解吸效果見表2和圖9。結果表明：pH7、20%乙醇330mL可將AB-8大孔吸附樹脂中吸附的90%以上紫膠紅色素成分充分洗脫下來；圖9說明，經(jīng)過AB-8大孔吸附樹脂吸附/解吸可以精制較為純正的紫膠紅色素。

圖7 吸附液流量為0.5mL/min時AB-8的吸附穿透曲線Fig.7 Adsorption breakthrough curves of lac red pigment on resin AB-8 at a flow rate of 0.5 mL/min for adsorption solution

圖8 解吸液流速為3mL/min時AB-8的動態(tài)解吸曲線Fig.8 Dynamic desorption curves of lac red pigment on resin AB-8 at a flow rate of 3 mL/min for desorption solution

表2 AB-8大孔吸附樹脂動態(tài)吸附/解吸效果Table2 Dynamic absorption-desorption effect of resin AB-8

圖9 紫膠紅色素精制可見光區(qū)吸收光譜圖Fig.9 Absorption spectrum of refined lac red pigment

2.9 樹脂重復性檢驗

圖10 AB-8大孔吸附樹脂的重復使用性能Fig.10 Reuse capability of resin AB-8

由圖10可見，AB-8大孔吸附樹脂重復吸附/解吸20次后，雖然解吸液吸光度有所下降，但紫膠紅色素色價變化不大，表明AB-8大孔吸附樹脂重復使用性好。

3 結 論

3.1 通過對7種大孔吸附樹脂的靜態(tài)吸附/解吸特性研究，結果表明AB-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素吸附量大，解吸率高。適當?shù)厣邷囟扔欣贏B-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的吸附；而pH7、20%乙醇溶液對紫膠紅色素解吸效果最好。

3.2 AB-8大孔吸附樹脂動態(tài)吸附/解吸研究表明當流量為0.5mL/min時，AB-8大孔吸附樹脂對紫膠紅色素的吸附量和吸附率最高；0.01%的HCl溶液洗脫除雜后，以pH7、流量3mL/min的20%乙醇溶液對AB-8大孔吸附樹脂進行解吸，效果良好，解吸率大于90%。

3.3 AB-8大孔吸附樹脂吸附/解吸紫膠紅色素，精制后的紫膠紅色素色價是原液的2.96倍；AB-8大孔吸附樹脂重復使用性能好，該精制工藝條件便捷、經(jīng)濟，精制效果明顯，易工業(yè)化推廣。

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Purification of Lac Red Pigment by Macroporous Resin

ZHANG Hong1,2，F(xiàn)ANG Gui-gan1，ZHENG Hua2，GAN Jin2
(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry, Nanjing 210042, China；2. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China)

The purification of lac red pigment using macroporous absorption resin was investigated in this paper. The absorbance of lac red pigment was used to evaluate the absorption characteristics and desorption parameters of macroporous resins for screening optimal resin and establish an optimal purification processing parameters. Results indicated that type AB-8 macroporous resin had the best absorption capacity. The absorption rate was up to 90% at the condition of absorption solution with 20% ethanol at pH 7. Compared with lac red pigment without treatment of macroporous resin, the color value of lac red pigment treated with macroporous resin exhibited an enhancement of 2.96 folds. Meanwhile, macroporous resin can be repeatedly used. Therefore, it is feasible to purify lac red pigment by using macroporous resin.

lac red pigment；macroporous adsorption resin；purification

TQ028.3；TS264.4

A

1002-6630(2010)22-0232-05

2010-08-03

科技部農業(yè)科技成果轉化資金項目(2010GB24320619)；國家林業(yè)科技成果推廣項目([2010]11)

張弘(1963—)，男，研究員，主要從事林業(yè)生物資源化學與利用研究。E-mail：kmzhhong@163.com