大孔樹脂對紅薯葉總黃酮的吸附及解吸特性研究

趙玉芬, 李佩艷, 鄭小林, 尹 飛

1.山東省東營市河口區(qū)實(shí)驗中學(xué), 山東 東營 257200；2.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 河南 洛陽471023；3.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室， 杭州 310035;4.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 洛陽 471023

紅薯學(xué)名甘薯(sweet potato), 旋花科一年生草本植物，屬根莖類作物，是我國廣泛栽培的四大農(nóng)作物之一[1]。我國紅薯常年種植面積約1 000萬hm2左右，年總產(chǎn)量約1 500億kg，種植面積和總產(chǎn)量均居世界首位[2]。紅薯通常以食用塊根為主，而紅薯葉是紅薯作物生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)品，研究發(fā)現(xiàn)紅薯葉營養(yǎng)成分豐富，具有提高免疫力、抗腫瘤、抗誘變性、止血、降膽固醇、降血脂、清除自由基和保護(hù)視力等作用[3]，具有很大的應(yīng)用價值，但當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中，紅薯葉通常被直接廢棄，或作為畜禽飼料，利用率極低，造成了極大的資源浪費(fèi)[4,5]。

紅薯葉所富含的營養(yǎng)物質(zhì)包括黃酮類化合物，具有多種生理保健功能，如抗癌、抗炎、提高免疫力和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌等，是新興功能食品中的重要生物活性因子之一[6]。由于紅薯種植地區(qū)廣泛，紅薯葉分布廣其產(chǎn)量大，是黃酮類物質(zhì)提取的良好來源[7]。因此，以廢棄的紅薯葉為原料進(jìn)行黃酮類化合物的提取，不僅可以變廢為寶，增加紅薯葉的利用價值以及紅薯產(chǎn)業(yè)的附加值，而且可以減少廢棄物對環(huán)境的污染，具有一定的實(shí)際意義[4]。

大孔樹脂是一種人工合成的具有多孔立體結(jié)構(gòu)的聚合物，對一些芳香族化合物有很強(qiáng)的吸附能力，已廣泛應(yīng)用于很多活性成分如黃酮、內(nèi)酯、生物堿等大分子化合物的提取分離[8]。對于紅薯葉黃酮的研究大多集中在有機(jī)溶劑提取法[1]、超聲波輔助提取法[7]、酶提取法等[5]方面，有關(guān)大孔吸附樹脂對于紅薯葉黃酮的吸附分離研究報道較少，尤其是缺乏其吸附、解吸特性的研究，因此，本試驗研究了大孔樹脂對紅薯葉中總黃酮的吸附與解吸特性，優(yōu)選出適合紅薯葉總黃酮提取的樹脂材料并確定了最佳吸附及解吸參數(shù)，以期為紅薯葉的綜合開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，為紅薯葉黃酮的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅薯葉，由河南科技大學(xué)農(nóng)場提供。大孔樹脂備選型號為：D101、AB-8和DM130型，購自安徽三星樹脂科技有限公司。乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、鹽酸等試劑均為分析純。

1.2 試驗儀器

101-2-BS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海市躍進(jìn)醫(yī)療器械廠產(chǎn)品；722N型分光光度計，上海市精科儀器廠產(chǎn)品；HH-S型恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市億通電子有限公司產(chǎn)品；BS200S型電子分析天平，北京賽多利斯天平有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1紅薯葉總黃酮提取工藝流程 紅薯葉經(jīng)揀選、清水漂洗后，用吸水紙吸干表面水分，80℃烘至恒重，粉碎后過40目篩得紅薯葉粉末備用。稱取紅薯葉粉末5 g，用70%乙醇于70℃水浴中提取5 h，得到紅薯葉黃酮提取液。

1.3.2樹脂的預(yù)處理 參照于智峰等[9]方法進(jìn)行。

1.3.3總黃酮的測定方法 參照李佩艷等[5]方法進(jìn)行。

1.3.4樹脂的靜態(tài)吸附及解吸試驗 2.0 g樹脂加入已知濃度的紅薯葉總黃酮提取溶液中室溫吸附24 h，計算樹脂靜態(tài)吸附率。將吸附后樹脂，加入到一定體積的解吸液中，于室溫下解吸24 h，按下式計算樹脂靜態(tài)解吸率：

吸附率(%)=(C0-Ce)× Vi× 100 %/C0× Vi

解吸率(%)=Cd× Vd× 100 % /(C0-Ce)× Vi

式中，C0：為脂吸附前溶液中初始總黃酮濃度(mg/L)；Ce為樹脂吸附平衡后溶液中總黃酮濃度(mg/L)；Vi為樹脂吸附前溶液體積(mL)；Cd為樹脂解吸平衡后解吸液中總黃酮濃度(mg/L)；Vd為樹脂解吸平衡后解吸液體積(mL)。

1.3.5選定樹脂對紅薯葉總黃酮的動態(tài)吸附試驗 分別考察上樣濃度(100、200、300、400 mg/L)、上樣液流速(1、2、3、4、5 mL/min)、上樣液pH(3.0、4.0、5.0、6.0、7.0)對選定樹脂吸附紅薯葉黃酮吸附率的影響，并通過L9(34)三因素三水平正交試驗確立選定大孔吸附樹脂對紅薯葉中總黃酮的最佳吸附工藝參數(shù)。

1.3.6選定樹脂對紅薯葉總黃酮的動態(tài)解吸試驗 分別考察洗脫液濃度(50%、60%、70%、80%、90 %)、洗脫液流速(1、2、3、4、5 mL/min)、洗脫液用量(2、3、4、5、6 BV)對選定樹脂解吸率的影響，并通過L9(34)三因素三水平正交試驗確立選定大孔吸附樹脂對紅薯葉中總黃酮的最佳解吸工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂的篩選

D101、AB-8、DM130大孔吸附樹脂均可吸附黃酮，但3種大孔吸附樹脂對總黃酮的吸附率及解吸率差異較大(表1)。其中，AB-8大孔吸附樹脂的吸附和解吸效果相對于其他兩種樹脂較好。因此，選擇AB-8為紅薯葉總黃酮吸附分離的較優(yōu)樹脂。

表1 三種大孔樹脂對紅薯葉總黃酮的吸附和解吸能力Table 1 Adsorption and desorption capacity of three types resin for total flavonoids from sweet potato leaves.

2.2 AB-8大孔吸附樹脂對紅薯葉總黃酮的動態(tài)吸附條件優(yōu)化

2.2.1上樣液濃度的選擇 隨上樣液濃度增加，大孔吸附樹脂對總黃酮的吸附率也隨之增加，上樣液濃度為300 mg/L時，樹脂對總黃酮的吸附率最大，可達(dá)60.2%。上樣液濃度超過300 mg/L時，隨上樣液濃度增加，樹脂對總黃酮的吸附率反而會降低，可能由于上樣液濃度過大堵塞樹脂，降低了樹脂對總黃酮的吸附效果。最終確定300 mg/L濃度為大孔吸附樹脂吸附紅薯葉總黃酮的最佳上樣液濃度(圖1)。

圖1 不同上樣液濃度對大孔樹脂吸附率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of sample solution on adsorption of macroporous resin.

2.2.2上樣液流速的選擇 上樣液流速不同，大孔吸附樹脂對總黃酮的吸附率也隨之發(fā)生變化。過低或過高的流速下，大孔樹脂的吸附效率都下降。過低時吸附時間長，但也會提高解析率；過高流速下吸附不充分。當(dāng)流速為3 mL/min時，大孔吸附樹脂對總黃酮的吸附率最大，為63.8%。所以確定3 mL/min為大孔吸附樹脂吸附紅薯葉總黃酮的最佳上樣液流速(圖2)。

2.2.3上樣液pH的選擇 上樣液pH影響大孔吸附樹脂對總黃酮的吸附率。黃酮具有酚羥基結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一定酸性，它們在弱酸條件下，以分子狀態(tài)存在，可以憑借范德華力與樹脂發(fā)生吸附作用，pH 3～5區(qū)間，隨pH上升，大孔樹脂對黃酮的吸附率增加，pH超過5.0時，樹脂的吸附率迅速下降。上樣液pH為5.0時，樹脂的吸附率最大，為65.6%。最終確定上樣液的最佳pH為5.0(圖3)。

圖2 不同上樣液流速對大孔樹脂吸附率的影響Fig.2 Effects of different flow velocities of sample solution on adsorption of macroporous resin.

圖3 不同上樣液pH值對大孔樹脂吸附率的影響Fig.3 Effects of different pH values of sample solution on adsorption of macroporous resin.

2.2.4正交試驗結(jié)果 根據(jù)上述的三個單因素試驗結(jié)果進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表2。極差分析表明：三因素對大孔吸附樹脂吸附紅薯葉中總黃酮的影響主次順序為：A>B>C，即：上樣液濃度>流速>pH。最佳提取條件為A2B1C2，即上樣液濃度300 mg/L，流速2 mL/min，上樣液pH 5.0，大孔吸附樹脂對紅薯葉中總黃酮的吸附率最高，可達(dá)到66.8%。

表2 大孔吸附樹脂對紅薯葉總黃酮吸附條件的正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test on adsorption conditions of total flavonoids from sweet potato leaves.

2.3 AB-8大孔吸附樹脂對紅薯葉總黃酮的動態(tài)解吸條件

2.3.1洗脫液濃度的選擇 隨著洗脫液乙醇濃度的增加，解吸液中總黃酮的量也逐漸增加，相應(yīng)的大孔吸附樹脂的解吸率也隨之增加(圖4)。當(dāng)乙醇溶液濃度達(dá)到80%時，大孔吸附樹脂解吸率達(dá)64.6%，當(dāng)乙醇濃度達(dá)到90%時，大孔吸附樹脂的解吸率為64.7%，變化不大。從解吸率和經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮，確定濃度80%的乙醇溶液為合適洗脫液。

圖4 不同洗脫液濃度對大孔樹脂解吸率的影響Fig.4 Effects of different concentrations of elution on desorption of macroporous resin.

2.3.2洗脫液流速的選擇 隨著洗脫液流速增加，大孔吸附樹脂對總黃酮解吸率也增加，直至洗脫液流速為4 mL/min時，大孔吸附樹脂解吸率達(dá)到最大，為69.3%。當(dāng)洗脫液流速超過4 mL/min時，樹脂解吸率開始下降，這是因為較低流速下，吸附和解吸會達(dá)到一種平衡，流速過高則會導(dǎo)致解吸不徹底，降低解析率。最終確定4 mL/min為洗脫液合適流速(圖5)。

圖5 不同洗脫液流速對大孔樹脂解吸率的影響Fig.5 Effects of different flow velocities of elution on desorption of macroporous resin.

2.3.3洗脫液用量的選擇 隨著洗脫液用量增加，大孔吸附樹脂對總黃酮解吸率不斷增加。當(dāng)洗脫液用量為5 BV時，大孔吸附樹脂解吸率為69.8%；洗脫液用量繼續(xù)增大到6 BV時，大孔吸附樹脂的解吸率為70.1%，與洗脫液用量為5 BV時的解吸率相比，僅增加了0.3%，這說明洗脫液用量超過5 BV時，大孔吸附樹脂隨洗脫液用量的增加解吸率變化很小。所以確定5 BV為洗脫液最佳用量(圖6)。

圖6 不同洗脫液用量對大孔樹脂解吸率的影響Fig.6 Effects of different elution volumes on desorption of macroporous resin.

2.3.4正交試驗結(jié)果 根據(jù)上述的三個單因素試驗結(jié)果進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表3。極差分析表明：三因素對大孔吸附樹脂解吸影響的主次順序為，A>B>C，即：洗脫液濃度>洗脫液流速>洗脫液用量。最佳解吸條件為A3B2C2，即洗脫液液濃度90%，洗脫液流速為4 mL/min，洗脫液用量為5 BV，在此條件下樹脂的解吸率可達(dá)70.3%。

3 討論

通過對3種吸附黃酮效果良好的樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附及解吸試驗，確定了吸附分離紅薯葉黃酮的最優(yōu)樹脂為AB-8大孔吸附樹脂，與任云霞等[10]、洪雪娥等[11]研究結(jié)果一致。通過正交試驗得到其最佳吸附條件為：上樣液濃度300 mg/L、流速2 mL/min、上樣液pH 5.0，其對紅薯葉總黃酮吸附率可達(dá)66.8%；最佳解吸條件為：洗脫液濃度90%、洗脫液流速4 mL/min、洗脫液用量5 BV，樹脂的解吸率可達(dá)70.3%。

表3 大孔樹脂對紅薯葉總黃酮解吸附條件的正交試驗結(jié)果Table 3 Results and layout of orthogonal test on desorption conditions of sweet potato leaves total flavonoids

有機(jī)溶劑提取法是提取黃酮最簡單的方法，其缺點(diǎn)是得到的黃酮提取液中除黃酮類化合物外還含有大量的雜質(zhì)[12]。紅薯葉黃酮因具有極性、親水性、較強(qiáng)的氫鍵生成能力等特點(diǎn)而能被大孔樹脂吸附[10]，因此紅薯葉黃酮提取液經(jīng)大孔樹脂純化后有利于得到高純度的紅薯葉黃酮制品。本試驗中，300 mg/L紅薯葉黃酮提取液經(jīng)AB-8樹脂吸附、解吸后濃度可達(dá)704 mg/L，濃度提高了1.35倍，說明AB-8樹脂適合用于紅薯葉黃酮的純化。本試驗研究結(jié)果可為大孔樹脂在提取紅薯葉中總黃酮的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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