木瓜多糖的冷電弧-光催化-吸附脫色工藝研究

謝 勇，王中來*

（福州大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350001）

木瓜為薔薇科植物貼梗海棠（Chaenomeles speciosaNakai）干燥近成熟果實，習(xí)稱”皺皮木瓜”，又名鐵腳梨等[1]。木瓜不僅可藥用，還可食用，木瓜果實中含有蛋白質(zhì)、多糖、還原糖、黃酮、枸櫞酸、抗壞血酸等成分[2]。木瓜多糖（papaya polysaccharide）具有一定的抗氧化活性、保濕性等功效，可用于藥物載體、保濕劑等方面[3-4]。

木瓜中的色素成分主要包括類胡蘿卜素及黃酮等。目前木瓜多糖的脫色方法多為吸附法和氧化法，這些脫色技術(shù)不僅效果不佳而且脫色時間較長。冷電弧又稱冷等離子體，特指由帶電的電子、離子、中性粒子、活性自由基及射線組成[5]。光催化是指半導(dǎo)體光催化劑TiO2等利用紫外線，激發(fā)光生電子和光生空穴，催化氧化產(chǎn)生大量的自由基。冷電弧-光催化-吸附技術(shù)脫色的基本原理就是將光催化劑負載于具有吸附作用的載體（如活性炭、層狀石墨、陶瓷、氧化鋁等）上，然后將其填充于產(chǎn)生冷電弧（冷等離子體）的裝置中，在高強度電場作用下冷電弧裝置產(chǎn)生大量的可以激發(fā)TiO2產(chǎn)生大量的自由基的紫外線，產(chǎn)生的高活性自由基即對吸附在填充物介質(zhì)周圍的目標(biāo)物進行氧化降解，使其轉(zhuǎn)化為可降解或容易分離的小分子物質(zhì)，甚或直接降解成H2O和CO2，從而達到脫色目的。納米TiO2有金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型3種晶型，其中銳鈦礦型光催化活性最高[6]。由于半導(dǎo)體TiO2的禁帶寬度僅為3.2eV，對可見光的利用率不高[6]，為拓寬TiO2光催化劑的光譜響應(yīng)范圍和提高光量子效率，可采用離子參雜的方法對其進行修飾?？讋︼w等[7]利用過渡金屬離子鈷（Co2+）和稀土離子鈰（Ce6+）摻雜到TiO2中，且取得了一定的成果。冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)不僅利用了冷電弧技術(shù)，還綜合了TiO2的催化作用及活性炭的吸附作用。郭剛等[8-9]已利用冷電弧-光催化技術(shù)對荔枝多糖和龍眼多糖進行脫色，并取得了良好的效果。本研究采用離子參雜的方法對光催化劑進行修飾，然后負載于活性炭上，制得冷電弧-光催化-吸附集成裝置，并利用該裝置對木瓜多糖進行脫色研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木瓜：市售，福州市永輝超市；活性炭（Φ1.5～2.0mm）：長沙市中質(zhì)環(huán)?？萍加邢薰荆烩佀崴亩□?、濃硫酸、無水乙醇、硫酸亞鐵、蒽酮、冰醋酸、乙酰丙酮、葡萄糖等均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PTI-15/17KV-60HZ高壓變壓器：PlasmaTechnics，Inc；日立UV900 紫外可見分光光度計：美國Perkin Elmer公司；Zetasizer Nano ZS90 Malvern激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；ZT60-600 恒流泵：蘭格恒流泵有限公司；DRZ-80電阻爐溫度控制器：天津市華北試驗儀器有限公司；冷電弧-光催化-吸附裝置：自制。

1.3 試驗方法

1.3.1 TiO2光催化劑的制備及負載

A液：鈦酸四丁酯/無水乙醇/冰醋酸/乙酰丙酮=65∶100∶2.5∶1（V/V）；B液：體積分數(shù)為2%的硝酸溶液，4倍于無水乙醇體積；C液：體積分數(shù)為10%的三乙醇胺溶液，與無水乙醇等體積。將B液緩慢加入A液中并不斷攪拌直至白色沉淀消失為止，后緩慢加入C液并快速攪拌，然后加入1/5倍無水乙醇體積的0.01mg/mL亞硫酸鐵，直至溶液呈淡藍色，避光儲存7d后用Malvern激光粒度儀測定納米TiO2顆粒的粒徑。按液固比2∶1將鈦膠與活性炭混合，加入一定量的可溶性淀粉并迅速攪拌30min、靜置24h，然后過濾瀝干，于120℃烘箱中干燥2h。最后將其置于電阻爐溫度控制器中500℃條件下處理2h，即得所需TiO2光催化劑[6]。

1.3.2 冷電弧-光催化-吸附裝置的制作

冷電弧反應(yīng)器以鋼化玻璃為介質(zhì)，紗布為流面層，銅箔為電極導(dǎo)體，采用典型的立式介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)[5]。

1.3.3 試驗流程

圖1 冷電弧-光催化-吸附集成反應(yīng)器脫色試驗流程圖Fig.1 Technology process of decoloration experiment by non-thermal plasma-photocatalytic-adsorption

將負載有TiO2的活性炭添加到冷電弧-光催化-吸附裝置中。調(diào)節(jié)圖1中二級變壓器將220V交流電壓調(diào)至試驗所需電壓，同時調(diào)節(jié)恒流泵流速至試驗所需的流速，然后用蒸餾水對反應(yīng)器進行清洗，同時注意保持裝置外部干燥。待蒸餾水基本流盡后，將木瓜多糖混合液泵入該裝置中以進行脫色處理。具體試驗流程如圖1所示[8]。

1.3.4 木瓜多糖溶液的制備

將新鮮木瓜削皮、去籽、切片、烘干、粉碎后，過40目篩，稱取一定量的木瓜粉，按液固比40∶1添加蒸餾水、超聲處理35min、75℃水浴浸提65min，離心去除濾渣，將所得溶液定容于一定體積的容量瓶中，待脫色處理。

1.3.5 木瓜多糖的測定

采用蒽酮-硫酸法[10]測定溶液中的總糖，3，5-二硝基水楊酸（dinitrosalicylic acid，DNS）法[11]測定其還原糖，兩者之差即為木瓜多糖的含量。

1.3.6 多糖提取液最大吸收波長的測定

將木瓜多糖提取液進行紫外-可見光譜全波長掃描，確定溶液有色物質(zhì)的最大吸收波長。

1.3.7 單因素試驗

在常溫、常壓、空氣相對濕度＜70%的條件下，量取100mL木瓜多糖粗提液，以脫色率和多糖保留率為指標(biāo)。研究多糖初始濃度、電壓、脫色時間及活性炭填充率4個因素對木瓜多糖粗提液脫色效果的影響，脫色率與糖保留率計算公式如下：

式中：A0為脫色前的吸光度值，A1為脫色后的吸光度值。

式中：C1為脫色后木瓜多糖的質(zhì)量濃度，mg/mL，C0為脫色前木瓜多糖的質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.3.8 木瓜多糖脫色工藝的優(yōu)化

選取脫色時間、電壓、活性炭填充率及多糖初始質(zhì)量濃度4個因素，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計優(yōu)化脫色條件[12]。以木瓜多糖溶液的脫色率（Y1）和糖保留率（Y2）為考察指標(biāo)，采用綜合評分法進行評價[13]。評分標(biāo)準(zhǔn)為多糖脫色率和保留率的權(quán)重各占50%，即綜合得分Y=（Y1+Y2）×50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 多糖粗提液最大吸收波長的確定

掃描結(jié)果表明，木瓜多糖溶液無最大吸收波長。根據(jù)多糖溶液脫色前后均為橙黃色，故從溶液的互補色考慮，選擇450nm為檢測波長[14]。

2.2 單因素試驗

2.2.1 脫色時間對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

在多糖初始質(zhì)量濃度3.13mg/mL、電壓14.0kV、載有光催化劑納米TiO2活性炭填充率33.0%條件下，脫色時間對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖2所示。

圖2 脫色時間對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.2 Effect of time on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖2中可知，多糖粗提液的脫色率隨脫色時間的增加逐漸升高，而糖保留率卻隨之逐漸降低。處理時間的增加，增加了木瓜多糖液的循環(huán)次數(shù)從而增加了與反應(yīng)體系的接觸時間，有利于冷電弧、光催化、吸附作用及其協(xié)同作用的累積，色素分子大量被氧化從而提高了脫色效率；但時間不宜超過45min，以免造成多糖的大量損失。

2.2.2 電壓對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當(dāng)多糖初始質(zhì)量濃度為3.13mg/mL、脫色時間15min、納米TiO2活性炭填充率33.0%時，電壓對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖3所示。

圖3 電壓對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.3 Effect of voltage on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖3可知，電壓升高，木瓜粗提液的脫色率明顯增加，糖類物質(zhì)的保留率一直呈遞減的趨勢。當(dāng)電壓從10kV上升到13kV后，脫色率急劇增加，之后雖然也呈遞增趨勢，但比緩慢，而糖類物質(zhì)保留率的下降趨勢平緩。這可能是因為低于13kV時，冷電弧效果比較微弱，產(chǎn)生的紫外光較少，光催化效果比較差，冷電弧、光催化作用及其協(xié)同效應(yīng)都相對較弱，所以脫色率不高；當(dāng)增大電壓后，綜合作用得到顯著加強，脫色率明顯上升，但高于25kV時操作不安全，故電壓保持在18～25kV較合適。

2.2.3 活性炭填充率對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

選取多糖初始質(zhì)量濃度3.13mg/mL、脫色時間15min、電壓15kV，活性炭填充率對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖4所示。

圖4 活性炭填充率對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.4 Effect of activated carbon filling rate on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖4可知，隨著活性炭填充率的增加，多糖粗提液的脫色率逐漸升高，多糖的保留率逐漸降低。在沒有添加活性炭時，脫色率約為31%，遠低于加入活性炭時的脫色率，這說明單一冷電弧技術(shù)的脫色效果不如冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)的脫色效果。但當(dāng)填充率大于51%后，可能是因為反應(yīng)裝置內(nèi)氣液分布不均導(dǎo)致冷電弧作用減弱，雖然光催化劑及活性炭的量增加，但光催化劑需要的激發(fā)光如紫外線并沒有增加，光催化作用及冷電弧作用的減弱抵消了部分活性炭的吸附作用，總體上呈現(xiàn)平衡趨勢。

2.2.4 多糖初始質(zhì)量濃度對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當(dāng)脫色時間為15min、電壓15kV、納米TiO2活性炭填充率40%時，多糖初始質(zhì)量濃度對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖5所示。

圖5 木瓜多糖濃度對其脫色率和糖保留率的影響Fig.5 Effect of polysaccharide concentration on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖5可知，木瓜多糖質(zhì)量濃度為4.0～1.5mg/mL范圍時，脫色率達到50%～70%。脫色率呈先增后降的趨勢。這可能是因為高質(zhì)量濃度時，多糖液體系中的色素含量較多，且色素分子的吸附抑制了電子空穴的復(fù)合，加強了光催化作用，被降解的色素也越多，但是在單位時間內(nèi)催化氧化降解色素分子的能力時有限的，質(zhì)量濃度過高時，生產(chǎn)的中間產(chǎn)物富集在活性炭及光催化劑周圍，阻礙了光催化劑的催化作用及活性炭的吸附作用[15]。

2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計確定木瓜多糖最佳脫色工藝條件

2.3.1 因素水平編碼

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的要求，需對所選因素進行編碼，選取脫色時間、加載電壓、多糖初始質(zhì)量濃度及活性炭填充率4個因素進行優(yōu)化試驗，因素水平編碼見表1，設(shè)計結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平編碼Table 1 Factors and levels of response surface methodology

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計及試驗結(jié)果Table 2 Quadratic orthogonal rotary combination design and experimental results

2.3.2 回歸方程及回歸系數(shù)的檢驗

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the fitted regression model

由表3 可知，回歸方程在α=0.01水平上高度顯著，X1X2、X1X3、X3X4和X2X4均不顯著，X2、X3、X1X4、X2X3、X22、X32及X42在α=0.01水平上高度顯著，X1、X12、X4在α=0.05水平上顯著，剔除不顯著項，并代入中心化公式X′=X2-0.667得回歸方程（3）：

2.3.3 零水平處重復(fù)試驗

在中心點處有12次重復(fù)試驗，試驗結(jié)果分別為Y01，Y02，…，Y12，用由此產(chǎn)生的誤差平方和S誤對失擬平方和Slf進行檢驗，結(jié)果如公式（4）所示：

由公式（5）可知，失擬誤差是由試驗誤差引起的，回歸方程在中心點擬合較好。

2.3.4 回歸方程的還原

根據(jù)編碼公式，將簡化后的回歸方程變換得方程（5）：

2.3.5 最佳工藝條件確定

對方程（5）求偏導(dǎo)數(shù)得最優(yōu)值，Z1=3.7、Z2=22.7、Z3=24、Z4=41.4，即多糖初始濃度3.7mg/mL、處理時間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%為最優(yōu)工藝條件，將其代入方程（6）得綜合得分73.7。將此條件進行3組平行試驗，測得脫色率72.2%，糖保留率76.6%，綜合得分74.9，與預(yù)測值相差1.8%。

3 結(jié)論

乙酰丙酮、可溶性淀粉及硫酸亞鐵可顯著提高TiO2催化劑的催化活性，通過單因素試驗和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計優(yōu)化試驗，得出最佳脫色工藝條件為多糖初始質(zhì)量濃度3.7mg/mL、處理時間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%，脫色率達73.2%，糖保留率達76.6%。在同等條件下，冷電弧-光催化-吸附技術(shù)的脫色率比單一冷電弧技術(shù)高26.8%。冷電弧-光催化-吸附集成技術(shù)在木瓜多糖脫色工藝中取得了良好的脫色效果，且具有脫色時間短、無二次污染、操作簡單、成本低等特點，這可為該技術(shù)在其它脫色工藝中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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