分離提取葛根淀粉生產(chǎn)廢水中的葛根素

，*，

(1 廣西產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南寧 530007； 2 廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

葛根素是豆科植物野葛Puerarialobata(Wild.) Ohwi 或甘葛藤PuerariathomsoniiBenth 的干燥根中提取并分離出來的一種單體, 主要成分為4, 7-二羥基8-β-D 葡萄糖異黃酮，可用于治療高血壓、心絞痛、冠心病、腦缺血、腦梗死、視網(wǎng)膜動靜脈阻塞、突發(fā)性耳聾和糖尿病等癥[1～3]。葛粉中由于含有葛根素而具有多種保健功能，被人們稱為“長壽粉”。隨著將葛粉開發(fā)為葛粉粉絲、固體飲料、面條、面包、果凍等中、高檔的食品，我國的葛粉加工行業(yè)蓬勃發(fā)展起來了。但在葛根淀粉工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的葛根素隨葛粉工業(yè)廢水廢渣流失，造成了資源浪費(fèi)。當(dāng)前，關(guān)于從葛粉工業(yè)廢水中回收分離葛根素的成熟工藝未見報道。因此，從生產(chǎn)葛根淀粉廢水中回收分離葛根素，對有效利用葛根資源具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要儀器

UV-2802H型紫外可見光分光光度計(尤尼柯儀器有限公司)，卷式膜小型試驗(yàn)機(jī)(大連屹東膜工程設(shè)備公司)，通風(fēng)微孔板分光光度計(基因有限公司)。

1.2 試劑

無水乙醇(分析純)；氫氧化鈉(分析純)；36%鹽酸(分析純)；BCA Protein Assay Kit(分析純)；亞硫酸鐵(分析純)；硫酸鋁(分析純)；氯化鐵(分析純)；十二水硫酸鋁鉀(分析純)。實(shí)驗(yàn)所用水均為蒸餾水。PES10-1812型膜(大連屹東膜工程設(shè)備公司)；大孔樹脂(型號有：HPD100、HPD600、HPD722、HPD826、D101；滄州寶恩吸附材料科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 葛根素的測定

葛根淀粉生產(chǎn)工業(yè)廢水采用添加十二硫酸鋁鉀作為絮凝劑，其添加量為0.1 g/L時在25℃條件下絮凝30 min去除廢水中的蛋白質(zhì)，以消除蛋白質(zhì)在葛根素測定時的影響，處理后的廢水中葛根素含量的測定參照文獻(xiàn)[4]中的紫外檢測方法進(jìn)行。

1.3.2 樹脂預(yù)處理

HPD系列大孔樹脂預(yù)處理：將大孔樹脂以無水乙醇浸泡4 h后，以蒸餾水沖洗至洗滌液不渾濁且在紫外光譜掃描下無吸收峰檢出，處理后將大孔樹脂浸泡于蒸餾水中備用。

聚酰胺樹脂預(yù)處理：將聚酰胺樹脂浸泡于95%乙醇中，持續(xù)攪拌，并不間斷更換乙醇，直至浸泡液不產(chǎn)生白色渾濁；再以蒸餾水沖洗樹脂至無乙醇味后，用5%NaOH浸泡2～4 h后，以蒸餾水洗至pH中性；以10% 醋酸水溶液浸泡2～4 h，用蒸餾水洗滌至pH值中性。蒸餾水浸泡保持濕潤，備用。

D101、AB-8大孔樹脂預(yù)處理：用95%乙醇浸泡24 h后，更換乙醇，直至乙醇浸泡液不出現(xiàn)白色渾濁。用蒸餾水洗滌樹脂，直至樹脂無乙醇味。濾干樹脂表面水分后，立即進(jìn)行酸堿處理。處理步驟為：以5%的HCl 溶液浸泡大孔樹脂2～4 h，蒸餾水沖洗至pH值中性；然后以2%的NaOH 溶液浸泡靜置2～4 h，蒸餾水沖洗樹脂至pH值中性為止。用蒸餾水浸泡大孔樹脂保持表面濕潤，備用。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂的選擇實(shí)驗(yàn)

2.1.1 葛根素及蛋白質(zhì)的靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)

參照文獻(xiàn)[5～7]對7種不同型號的大孔樹脂

(包括極性、弱極性、非極性大孔樹脂)在同等條件下進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn)。稱取處理好的大孔樹脂約1 g，置100 mL具塞錐形瓶中，加入葛粉工業(yè)廢水20 mL。在25℃、105 rpm條件下振蕩2 h，于1，2，3，4，5，6，7，8 h時分別測定廢水中葛根素的含量。參照文獻(xiàn)[5～7]計算樹脂的葛根素吸附量，繪制各大孔樹脂的葛根素靜態(tài)吸附曲線如圖1所示(測試廢水中葛根素含量為760.88 mg/L，蛋白質(zhì)含量為1 609.19 mg/L)。

圖1 大孔樹脂的靜態(tài)吸附量與解吸率

從圖1可知，與極性樹脂相比較，弱極性及非極性樹脂如AB-8、HPD722等的葛根素、蛋白質(zhì)吸附量與解吸率比較高，是對葛根素吸附效果較好的大孔樹脂，蛋白質(zhì)的吸附效果亦好，而蛋白質(zhì)的飽和吸附量比葛根素的吸附量要大。由圖知，AB-8大孔樹脂的葛根素解吸率最高，達(dá)到了95.50%，D101及HPD722的葛根素解吸率次之，分別為91.37%、88.80%；盡管HPD600的葛根素吸附量最大，其解吸率卻不高，僅為76.64%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AB-8的葛根素解吸率。HPD600的葛根素吸附量雖然大，但其解吸率偏低，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中時，易造成較多的葛根素被吸附在樹脂上無法被洗脫下來，若周期性使用，則會導(dǎo)致樹脂的吸附能力下降，回收分離效果受影響。HPD722的蛋白質(zhì)解吸率為86.33%，達(dá)到幾種樹脂的最大值，而D101及HPD826的蛋白質(zhì)解吸率略低，分別為85.51%與80.97%。AB-8的蛋白質(zhì)解吸率較低，僅為75.55%。綜合葛根素及蛋白質(zhì)的飽和吸附量、解吸率進(jìn)行選擇，弱極性大孔樹脂AB-8及HPD722是較為理想的樹脂。

2.1.2 葛根素靜態(tài)吸附曲線

在使用大孔樹脂對葛粉廢水中的葛根素進(jìn)行吸附時，大孔樹脂的吸附速率也是一個重要的指標(biāo)。各型號樹脂的葛根素靜態(tài)吸附曲線參照文獻(xiàn)[5～7]繪制如圖2所示。

圖2 25℃時大孔樹脂的葛根素靜態(tài)吸附曲線

快速吸附的大孔樹脂可縮短吸附時間，而吸附較慢的大孔樹脂則可能會延長整個吸附解吸過程。由圖2可看出，在吸附開始的3 h內(nèi)，各型號大孔樹脂的葛根素吸附量均呈較快的上升。在此之后，部分樹脂已經(jīng)達(dá)到吸附飽和，因而曲線趨于平緩。最快達(dá)到吸附飽和的是D101、AB-8及HPD600樹脂，其平衡時間約為3 h，屬于快速飽和類型。前3 h樹脂的葛根素吸附速率較快，原因在于葛粉工業(yè)廢水中葛根素在樹脂中的快速擴(kuò)散，3 h后，吸附速率減緩，主要是由于廢水中大量存在的其他物質(zhì)與葛根素產(chǎn)生競爭性吸附作用及大孔樹脂內(nèi)部產(chǎn)生的傳送阻力[8]。HPD600大孔樹脂的吸附效率快，葛根素的飽和吸附量高(為12.50 mg/g干樹脂)，但其葛根素的解吸率低(僅為76.64%)；D101大孔樹脂的吸附速率也較快，但其飽和吸附量小于AB-8大孔樹脂，因而這兩種大孔樹脂的吸附效果稍遜。HPD722的吸附速率雖略慢于AB-8，約5 h才達(dá)到飽和，但其葛根素吸附解吸效果較好(飽和吸附量12.36 mg/g干樹脂，解吸率為88.80%)，因而綜合考慮，選擇AB-8及HPD722較為合適。

2.2 大孔樹脂動態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)

2.2.1 洗脫劑的優(yōu)化選擇

在利用大孔樹脂分離純化時，選擇適宜的洗脫劑對洗脫效果較為重要。由于葛根素結(jié)構(gòu)中有一個非極性黃酮母核，因而弱極性大孔樹脂對葛根素具有較好的吸附效果。參考文獻(xiàn)[9，10]，本實(shí)驗(yàn)選擇乙醇水為洗滌劑，不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇對AB-8、HPD722兩種樹脂解吸效果如圖3所示。

由圖3可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，AB-8大孔樹脂的葛根素的解吸率總體呈上升趨勢。乙醇的體積分?jǐn)?shù)越小，極性越大，越不利于解吸。當(dāng)用80%乙醇作為洗脫劑，葛根素和蛋白質(zhì)的解吸率之間相差最為明顯，此時葛根素解吸率達(dá)到最大而蛋白質(zhì)的解吸率較小，二者相差約為22%。

與AB-8樹脂相類似，隨著洗脫劑中乙醇的增加，HPD722大孔樹脂的葛根素的解吸率逐漸增大。在葛根素解吸率最大的80%乙醇處，蛋白質(zhì)的解吸率也達(dá)到最大值，為89.98%，二者間無明顯差距，因而無法達(dá)到對葛粉廢水中葛根素與蛋白質(zhì)的差異性解吸的目的。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)乙醇的葛根素及蛋白質(zhì)解吸率(上圖為AB-8樹脂，下圖為HPD722樹脂)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，80%乙醇對葛根素的解吸效果最好；AB-8樹脂可對廢水中的葛根素及蛋白質(zhì)起到較好的差異性解吸作用，在最大限度地解吸葛根素的同時，可較少解吸蛋白質(zhì)。因而AB-8可作為適宜樹脂。

2.2.2 不同pH值洗脫劑對樹脂解吸的影響

通過調(diào)節(jié)乙醇溶液的pH值，可更好起到葛根素與蛋白質(zhì)間的差異解吸效果。選擇AB-8作為實(shí)驗(yàn)樹脂，在乙醇體積分?jǐn)?shù)相同的實(shí)驗(yàn)條件下，考察在酸性條件下，不同pH值的80%乙醇溶液對葛根素的解吸效果。結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同pH值下80%乙醇的葛根素及蛋白質(zhì)解吸率

圖4顯示了pH值對葛根素與蛋白質(zhì)解吸效果的影響。隨著pH值的變化，葛根素的解吸率變化不大，其值均在90%以上，當(dāng)pH值為5.5與7.0時，解吸率分別為98.25%、99.06%，均較高；而蛋白質(zhì)的解吸率隨pH值的不同，出現(xiàn)較大的波動。當(dāng)pH值為5.5時，蛋白質(zhì)的解吸率最小，為66.17%。pH5.5時，蛋白質(zhì)的解吸率出現(xiàn)最低值，原因可能在于此時洗脫劑與蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)間的極性作用。

綜合考慮，當(dāng)pH值為5.5時，葛根素的解吸率為98.25%，而蛋白質(zhì)的解吸率達(dá)到最低，為66.17%，此時二者相差最大，差異為32.08%，可達(dá)到二者的有效分離。因而選擇pH5.5作為洗脫劑的最佳pH值。

2.2.3 泄露曲線

采用動態(tài)上樣的方式，設(shè)定上樣流速為10 BV/h，使葛粉工業(yè)廢水基本保持勻速通過大孔樹脂，當(dāng)流出液中葛根素濃度為葛粉工業(yè)廢水中葛根素濃度的1/10時，停止上樣，確定此時為泄露點(diǎn)。泄露曲線如圖5所示。

圖5 葛根素泄露曲線

由圖5可知，隨著葛粉工業(yè)廢水上樣量的增加，流經(jīng)樹脂的流出液中葛根素逐漸增加；但在30倍柱體積的范圍內(nèi)，曲線的上升趨勢不明顯，較為平緩。當(dāng)上樣量達(dá)到28倍柱體積時，流出液中的葛根素濃度為18.20 mg/L，而葛粉工業(yè)廢水中的葛根素濃度為188.29 mg/L，此時流出液中的葛根素濃度接近葛粉工業(yè)廢水中葛根素濃度的1/10；當(dāng)上樣量為30倍柱體積時，流出液中的葛根素濃度開始出現(xiàn)較大的升高，達(dá)到31.16 mg/L，大于葛粉工業(yè)廢水中葛根素濃度的1/10(18.29 mg/L)，此時到達(dá)泄露點(diǎn)，樹脂吸附達(dá)到飽和，大量的葛根素得不到有效吸附而直接隨流出液流出。為了合理利用廢水，減少不必要的浪費(fèi)，確定30倍柱體積為最大上樣量。

2.3 葛根素動態(tài)洗脫曲線

選擇pH5.5的80%乙醇對吸附飽和的AB-8樹脂柱進(jìn)行洗脫，繪制葛根素及蛋白質(zhì)的動態(tài)洗脫曲線，以確定葛根素的洗脫峰及應(yīng)收集哪一階段的洗脫液。二者的動態(tài)洗脫曲線如圖6所示。

由圖6可看出，使用pH值5.5的80%乙醇作為洗脫劑進(jìn)行洗脫，得到的葛根素洗脫峰及蛋白質(zhì)洗脫峰均單一、尖銳，無明顯的拖尾現(xiàn)象。從開始進(jìn)行洗脫算起，葛根素峰型最高點(diǎn)為1.7 BV處，而蛋白質(zhì)洗脫峰的最高點(diǎn)在1.3 BV處，二者間有相對較遠(yuǎn)的距離，因而可通過收集1.6至2.0 BV段的洗脫液，達(dá)到保留葛根素目的的同時盡可能去除廢水中的蛋白質(zhì)干擾。當(dāng)洗脫總體積為4.0 BV時，葛根素及蛋白質(zhì)均可被完全洗脫下來。

圖6 葛根素及蛋白質(zhì)的動態(tài)洗脫曲線

2.4 洗脫速率的確定

在相同的樹脂類型、洗脫劑條件下，分別以1.0、2.0、3.0 BV/h的洗脫速率進(jìn)行洗脫。為保證樹脂吸附的量一致，將預(yù)處理后的大孔樹脂浸泡于葛粉工業(yè)廢水中，間歇震蕩3 h吸附飽和后，濕法上柱。葛粉工業(yè)廢水中葛根素濃度為115.47 mg/L，每一根大孔樹脂柱(體積為50 mL)消耗的葛粉工業(yè)廢水為1 000 mL。依照洗脫曲線，收集葛根素含量高的洗脫液，60℃濃縮干燥后，計算洗脫物中葛根素的純度及回收率。不同洗脫速率的動態(tài)洗脫曲線見圖7，各洗脫速率的洗脫物中，葛根素的純度及回收率見表1。

圖7 不同洗脫速率下葛根素的動態(tài)洗脫曲線

表1 不同洗脫速率下葛根素的純度及回收率

由圖7可知，不同的洗脫速率對出峰時間的影響并不大，3個設(shè)定的洗脫速率下的葛根素洗脫峰峰型相似，且較尖銳、單一，并且洗脫的速率越低，洗脫效果越好。當(dāng)洗脫速率為1.0 BV/h時，葛根素的純度及回收率分別為55.02%、90.11%，此時葛根素洗脫效率最高，但洗脫流速較慢；而當(dāng)洗脫速率達(dá)到3.0 BV/h時，其葛根素的純度及回收率有所下降，分別為50.15%、84.53%，洗脫峰的峰型出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。綜合考慮理論及工廠生產(chǎn)需要，最終確定洗脫速率為2.0 BV/h，收集0.5倍柱體積(第1.6 BV至2.0 BV)的洗脫液，離心去除絮凝后60℃熱風(fēng)干燥至恒重，測得其葛根素的純度為53.97%，回收率為89.24%。

2.5 洗脫周期確定

通過反復(fù)的吸附洗脫，確定大孔樹脂的使用周期。以葛根素的濃度為188.29 mg/L的廢水為例。參照2.2.4泄露曲線繪制，以上樣量和流出液中葛根素的含量為縱橫坐標(biāo)做出5次洗脫結(jié)果曲線圖，如圖8所示。

圖8 洗脫周期實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著實(shí)驗(yàn)周期的增加，樹脂的泄露點(diǎn)前移，意味著其吸附飽和量逐漸下降。在前三個實(shí)驗(yàn)周期，曲線的泄露點(diǎn)前移幅度不明顯；當(dāng)洗脫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第四個周期，泄露曲線的變化趨勢趨于明顯，上樣量開始出現(xiàn)明顯的降低；而在第五個周期，當(dāng)廢水的上樣量為22倍柱體積時，泄露曲線出現(xiàn)明顯上升，流出液中的葛根素含量快速升高，此時發(fā)生泄露，樹脂吸附飽和。因而推斷，當(dāng)洗脫進(jìn)行至第五個周期時，樹脂的吸附能力出現(xiàn)顯著下降。

3 討論與小結(jié)

葛根淀粉廢水成分復(fù)雜，富含有機(jī)物，其中蛋白質(zhì)含量較為豐富。采用添加十二硫酸鋁鉀法去除蛋白質(zhì)的方法具有操作簡便，所需設(shè)備簡單，處理成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前葛根淀粉廢水處理的好方法；通過大孔樹脂選型實(shí)驗(yàn)，得到了最適型號的樹脂(AB-8大孔樹脂)，同時對大孔樹脂洗脫的參數(shù)進(jìn)行了一系列摸索及探究，得到了最佳的洗脫條件。以pH5.5的80%乙醇作為洗脫劑，洗脫流速為2.0 BV/h，利用AB-8大孔樹脂對葛粉工業(yè)廢水中的葛根素進(jìn)行回收分離，得到的洗脫物中，葛根素含量達(dá)50%以上，回收率高達(dá)85%。當(dāng)前葛粉工廠每生產(chǎn)1 t葛根淀粉時產(chǎn)生10 t葛粉工業(yè)廢水，以葛粉工業(yè)廢水中的葛根素含量為200 mg/L計算，利用大孔樹脂可回收約0.85 kg的葛根素。一般偏小規(guī)模的葛粉工廠每日可生產(chǎn)葛根淀粉7～8 t，若使用大孔樹脂對葛粉工業(yè)廢水中的葛根素進(jìn)行富集回收，每日可回收的葛根素約為6.0 kg。這表明利用樹脂分離提純葛根素具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

[1] 金玉婷，石森林.葛根素新劑型的研究進(jìn)展[J]. 中國醫(yī)院藥學(xué)雜志，2010(12): 65-67.

[2] 覃開羽，吳 敏.葛根素的藥理作用及不良反應(yīng)分析[J].中國藥業(yè)，2007,16(3):61-62.

[3] 張妤琳，梁敬鈺.葛根素的研究進(jìn)展[J]. 海峽藥學(xué)，2005,27(1): 9-12.

[4] 張建輝，楊代明，吳廷瑞，等. HPLC法和紫外分光光度法測定葛根淀粉中葛根素含量的研究[J]. 食品與機(jī)械，2006,22(6)：110-113.

[5] Liu YF, Liu JX, Chen XF, et al. Preparative separation and purification of lycopene from tomato skins extracts by macroporous adsorption resins[J]. Food Chemistry, 2010, 123: 1027-1034.

[6] Zhou JC, Feng DW, Zheng GS. Extraction of sesamin from sesame oil using macroporous resin[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 100: 289-293.

[7] Fua BQ, Liu J, Li H, et al. The application of macroporous resins in the separation of licorice flavonoids and glycyrrhizic acid[J]. Journal of Chromatography A, 2005, 1089(1/2): 18-24.

[8] Gao M, Huang W, Liu CZ. Separation of scutellarin from crude extracts ofErigeronbreviscapus(vant.) Hand. Mazz. by macroporous resins[J]. Journal of Chromatography B, 2007, 858(1/2): 22-26.

[9] 葛淑蘭, 陳龍華, 李中文. 大孔吸附樹脂及其在黃酮類成分分離純化中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 中國藥師, 2008, 11(6): 702-705.

[10]易海燕, 何桂霞, 歐陽文, 等. 大孔吸附樹脂分離純化藤茶總黃酮的研究[J]. 中草藥, 2011, 42(1): 74-77.