大孔樹脂純化南瓜果皮色素

努爾比亞·亞力坤，阿不都拉·阿巴斯

(新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830046)

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大孔樹脂純化南瓜果皮色素

努爾比亞·亞力坤，阿不都拉·阿巴斯*

(新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830046)

摘要用大孔樹脂對南瓜果皮色素進(jìn)行純化研究。利用有機(jī)溶劑回流提取法粗提南瓜果皮色素，研究了不同樹脂對南瓜果皮色素的吸附和解析，并對其純化的靜態(tài)以及動態(tài)吸附工藝進(jìn)行探討。純化最佳工藝條件為：D101型大孔樹脂作為吸附劑的條件下，靜態(tài)吸附時間為3 h、南瓜皮粉提取液與樹脂的質(zhì)量比為1∶7、原液pH值為4、在此工藝條件下，吸附率最大，達(dá)到75.3%；靜態(tài)解析達(dá)到平衡時間為90 min、洗脫劑濃度為60%、上樣流速為5 mL/min、洗脫流速為1 mL/min；此時解析效果最佳。

關(guān)鍵詞南瓜果皮色素；大孔樹脂；純化

南瓜是葫蘆科屬類的草本植物。根據(jù)種植屬類的不同分為：印度南瓜(C.maximaDuch)、中國南瓜(C.moschataDuch)、和美洲南瓜(C.pepoL.)[1]。南瓜是廣泛種植和眾多人們喜歡膳食的食用植物。

目前南瓜在我國各地普遍栽培，學(xué)者已對南瓜多糖、果膠、南瓜籽蛋白等有效成分，進(jìn)行了研究。如采用大孔樹脂吸附法[2]對南瓜果膠提取液進(jìn)行脫色純化，使得果膠提取率明顯提高、純度也較高、各項指標(biāo)達(dá)到了質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)。

近年來關(guān)于南瓜的研究主要在南瓜果肉、南瓜籽、葉等部分里面的活性成分和有關(guān)加工南瓜產(chǎn)品方面[3]。南瓜作為極具開發(fā)潛力的資源，其加工廢棄物——南瓜果皮也是具有應(yīng)用價值的，充分利用南瓜資源并研究南瓜果皮色素具有很大現(xiàn)實意義。

從植物組織中直接提取得到的色素因其純度低、成分比較復(fù)雜，可能含有膠質(zhì)、蛋白質(zhì)等成分，這些雜質(zhì)的存在影響色素的品質(zhì)，使得色素產(chǎn)品的色價較低，穩(wěn)定性較差，不能滿足食品，醫(yī)藥和保健品行業(yè)的要求。為了得到純度更高的產(chǎn)品，需要進(jìn)一步純化，去除雜質(zhì)[4]。

天然色素的純化方法很多，目前使用較為普遍的是大孔樹脂吸附法。大孔吸附樹脂[5-6]是由聚合單體和交聯(lián)劑、致孔劑、分散劑等添加劑經(jīng)聚合反應(yīng)制備而成的一類有機(jī)高聚物吸附劑。因其具有吸附速度快、選擇性好、吸附容量大、再生處理簡單等優(yōu)點，在天然物質(zhì)的分離純化中已被廣泛使用[7]。

本研究以大孔樹脂為吸附劑，純化南瓜果皮色素，從靜態(tài)和動態(tài)2方面研究了D101型大孔樹脂對南瓜果皮色素的吸附特性。

1實驗材料、試劑及儀器

1.1實驗材料

南瓜果皮粉，南瓜購買于烏魯木齊天山區(qū)菜市場，時間為2013年11月，去皮烘干，粉碎過篩備用。

1.2實驗試劑及儀器

實驗試劑：無水乙醇、AB-8、X-5、S-8、D101、NKA-9型大孔樹脂、HCl、NaOH、超純水等。

儀器設(shè)備見表1。

表1　實驗主要儀器設(shè)備

2實驗方法

2.1南瓜果皮色素粗提液的制備

將南瓜果皮色素在最佳提取工藝下進(jìn)行提取，抽濾，色素提取液備用[8]。

2.2各種樹脂的物理性能參數(shù)[9](表2)

表2　大孔樹脂物理性能參數(shù)

2.3樹脂的預(yù)處理

通常情況下新買的大孔樹脂有殘留、交聯(lián)劑、分散劑等化學(xué)物質(zhì)和雜質(zhì)，使用前應(yīng)該進(jìn)行預(yù)處理。裝柱之前各種大孔樹脂用體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇溶液中浸泡24 h，并把樹脂中的雜質(zhì)除去，然后將其裝柱。裝住后，用蒸餾水以沖洗至中性，直到無乙醇?xì)埩?，然后用體積分?jǐn)?shù)5%的HCl溶液中浸泡12 h后再以蒸餾水洗至中性；然后再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的NaOH水溶液浸泡12 h后再以蒸餾水沖洗至中性，濾去水分備用[10]。

2.4大孔樹脂靜態(tài)吸附研究

2.4.1各種大孔樹脂靜態(tài)吸附率的測定

準(zhǔn)確稱取適量預(yù)處理過的大孔樹脂分別置于100 mL的錐形瓶中，加入色素粗提液，放在振蕩器上振蕩，室溫下靜態(tài)吸附24 h使樹脂達(dá)到吸附平衡，根據(jù)吸附前后在南瓜皮色素最大吸收波長處測定溶液的吸光度[11]，并按公式(1)計算吸附率。

(1)

2.4.2各種大孔樹脂靜態(tài)解析率的測定

在濾除溶液后的樹脂中加入適當(dāng)解析劑(體積分?jǐn)?shù)20%的乙醇)，振蕩器上振蕩，靜態(tài)解析12 h，解析達(dá)到平衡，測定解析后溶液的吸光值，并按公式(2)計算各種樹脂的解析率[12]。

(2)

2.5最佳大孔樹脂的吸附性能考察

2.5.1靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線

取適量南瓜果皮提取液，向其中加入經(jīng)過預(yù)處理的大孔樹脂2 g，靜態(tài)吸附，每隔30 min測定1次吸光度。

2.5.2靜態(tài)吸附等溫線

分別稱取0.5，1.0，1.5，2，2.5，3，3.5，4.0 g處理好的D101樹脂，各加入10 mL(0.5 g南瓜果皮粉的提取液)南瓜果皮色素提取液，靜置吸附一段時間后，測定各吸附液的吸光度。

2.5.3pH值對吸附效果的影響

取7份20 mL南瓜果皮色素粗提液，分別加入1 g處理好的D101樹脂，pH值分別調(diào)為1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 ，8.0，9.0，10，11(用HCl或NaOH來調(diào)節(jié))，靜置吸附12 h，在450 nm處測定各吸附液的吸光度值并計算出吸附率。

2.5.4南瓜果皮色素最佳純化工藝條件的確定

根據(jù)上述單因素實驗結(jié)果，選取最佳條件上下梯度，分別考察靜態(tài)吸附時間、樹脂量、pH等3因素，每個因素選3個水平，以L9(34)做正交試驗，篩選最佳吸附工藝條件。因素水平見表3。

表3　正交實驗因素水平表

2.6D101型大孔樹脂動態(tài)吸附與解析參數(shù)

2.6.1解析動力學(xué)曲線

過濾達(dá)到飽和吸附的樹脂，向樹脂中加入適量的解析液，靜置解析，每隔10 min測定一次吸光度。

2.6.2上樣液濃度對吸附效果的影響

取適量已處理好的D101樹脂，濕法裝柱，分別以0.5、1、 1.5、 2、 2.5 g南瓜果皮粉的提取液為上樣液，以2 BV水洗脫除雜，15 BV乙醇溶液洗脫目標(biāo)物質(zhì)，洗脫流速為1 mL/min，測定個洗脫物的吸光度并計算出吸附率。

2.6.3洗脫劑含量對解吸效果的影響

取吸附后的樹脂，分別加入體積分?jǐn)?shù)20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%；90%和95%的乙醇溶液，靜置解析24 h后，將樹脂濾除，測定解吸液的吸光度并計算出洗脫率。

2.6.4上樣流速對吸附效果的影響

取適量已處理好的D101樹脂，濕法裝柱，以南瓜果皮的提取液為上樣液，上樣流速分別控制在1、2、3、4、5 mL/min，待樣品液全部通過樹脂后，測定出流出液的吸光度并計算出吸附率。

2.6.5解析流速對吸附效果的影響

以南瓜果皮粗提液為上樣液，上樣流速控制在最佳條件，以2 BV水洗脫除雜，15 BV乙醇溶液洗脫目標(biāo)物質(zhì)，洗脫流速分別控制在1、3、5 mL/min、測定各解吸液的吸光度。

3結(jié)果與分析

3.1各種大孔樹脂靜態(tài)吸附率和解析率的測定結(jié)果

表4　各種大孔樹脂的吸附幾解析率的測定結(jié)果

由表4可以看出，供試驗用的5種大孔樹脂中D101樹脂的吸附率優(yōu)于其他幾種樹脂，其吸附率最大為88.3%。S-8樹脂的解吸率最高為87.4%，其次是D101,選擇樹脂要同時考慮樹脂的吸附率和解吸率2個因素，而且，D101樹脂是工業(yè)生產(chǎn)中常用的大孔樹脂，因此綜合考慮，選擇D101樹脂來純化南瓜果皮色素。

3.2最佳大孔樹脂的吸附性能考察結(jié)果

3.2.1靜態(tài)吸附時間的確定

由圖1可知，隨著時間的延長吸光度降低且靜態(tài)吸附2 h以后溶液吸光度的變化趨于平穩(wěn)，溶液吸光度的變化已經(jīng)很小，由此確定D101大孔樹脂靜態(tài)吸附南瓜果皮色素達(dá)到飽和吸附的時間大約在3 h左右即可。

圖1　靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線Fig.1　Curves of static adsorption kinetics

3.2.2靜態(tài)吸附等溫線

圖2　靜態(tài)吸附等溫線Fig.2　Static adsorption isotherms

由圖2可知，樹脂量為2.5 g與3.5 g時的溶液的吸光度差異較小，樹脂量增加到4 g時與3.5 g的溶液的吸光度差異已經(jīng)很小，說明D101大孔樹脂靜態(tài)吸附南瓜皮色素時0.5 g的南瓜果皮粉提取液大概需要用3.5 g的樹脂來進(jìn)行吸附，南瓜果皮粉提取液與樹脂的質(zhì)量比約在1∶7左右即可。3.2.3pH值對吸附效果的影響結(jié)果

圖3　pH值對吸附的影響Fig.3　The effect of pH on the adsorption

由圖3可以看出，色素原野的酸堿度對樹脂吸附效果有較大的影響，D101樹脂在酸性條件下對南瓜果皮色素的吸附效果優(yōu)于堿性環(huán)境，pH=4的時候吸附效果最好，這表明南瓜果皮色素成分里含有一定量的羧基，呈現(xiàn)一定的酸性，因此在酸性條件下被樹脂吸附。因此，選擇最佳原液pH值為4.0。3.2.4南瓜果皮色素最佳吸附工藝條件正交實驗結(jié)果

表5正交實驗結(jié)果表明，影響D101型大孔樹脂吸附效果的各個因素主次順序為：靜態(tài)吸附原液的pH值>樹脂量>靜態(tài)吸附時間；其中pH對D101型大孔樹脂吸附效果的影響最顯著；靜態(tài)吸附的最佳吸附工藝條件為:靜態(tài)吸附時間為3 h，樹脂加入量為4 g, 原液pH值調(diào)節(jié)到4即可，在此工藝條件下，吸附率最大為75.3%。

表5　正交實驗設(shè)計表及結(jié)果

3.3D101型大孔樹脂動態(tài)吸附與解析參數(shù)分析結(jié)果

3.3.1解析曲線的繪制

由圖4可知，解析時間延長其吸光度逐漸增加，80～110 min這段時間解吸液的吸光度變化很小，說明靜態(tài)解吸達(dá)到平衡，南瓜果皮色素靜態(tài)解吸時間在90 min。

圖4　靜態(tài)解析曲線Fig.4　Static desorption curve

3.3.2上樣液濃度對吸附效果的影響結(jié)果

由圖5可知，對于定量的吸附質(zhì)而言，吸附劑用量增大，意味著吸附比表面增大，吸附質(zhì)在吸附劑上的分布較松散，從而吸附劑對吸附質(zhì)的物理作用和化學(xué)作用加強(qiáng)，吸附量增加。但由于樹脂孔容的限制，樹脂吸附存在一個極限。當(dāng)2 g南瓜果皮粉的提取液作為吸附質(zhì)時樹脂具有最大的吸附率，之后色素液濃度增加，樹脂吸附率反而下降，因此，選用適量濃度，更有利于樹脂的吸附。

圖5　上樣液濃度對吸附效果的影響Fig.5　The effect of sample concentration on the adsorption rate

3.3.3洗脫劑含量對解析效果的影響結(jié)果

由圖6可以看出，考察不同濃度的乙醇作為洗脫劑對D101型大孔樹脂解吸率的影響，如圖所示；隨著乙醇濃度的升高，解吸率有先上升后下降的趨勢，乙醇濃度對南瓜果皮色素的洗脫效果具有選擇性，乙醇濃度為60%時，解吸率最大；超過此含量，解吸率逐漸降低，因此，選擇60%的乙醇作為洗脫劑即可。

圖6　洗脫劑含量對解吸效果的影響Fig.6　The effect of eluant concentration on desorption rate

3.3.4上樣流速對吸附效果的影響

由圖7可知，隨著流速增加樹脂對南瓜果皮色素的吸附率越高，從經(jīng)濟(jì)角度來看，流速越大，所需時間越短，工業(yè)生產(chǎn)率越高，因此上樣流速選擇5 mL/min為最佳。

圖7　上樣流速對吸附效果的影響Fig.7　The effect of sample flow rate on adsorption effect

3.3.5洗脫流速對吸附效果的影響

由圖8可知：以橫坐標(biāo)為上樣液總體積，縱坐標(biāo)為流出液的吸光度來作圖標(biāo)進(jìn)行分析，隨著解吸時間的延長解吸效率均減低，洗脫流速增加解吸效果反而降低，當(dāng)洗脫流速1 mL/min時解吸效果最好，因此洗脫流速為1 mL/min。

圖8　洗脫流速對吸附效果的影響Fig.8　Elution velocitys effect on the adsorption effect

4結(jié)語

考察了AB-8、X-5、S-8、NKA-9、D101等5種大孔樹脂對南瓜果皮色素吸附效果的影響，靜態(tài)吸附和解析結(jié)果表明：5種樹脂中D101型大孔樹脂的吸附和解吸率都優(yōu)于其他樹脂；D101型大孔樹脂的應(yīng)用范圍較廣闊，適于富集天然物質(zhì)的純化；D101型大孔樹脂對南瓜果皮色素吸附效果的主要因素中pH對D101型大孔樹脂吸附效果的影響最顯著；靜態(tài)吸附的最佳吸附工藝條件為，靜態(tài)吸附時間為3 h，樹脂加入量為4 g, 原液pH值調(diào)節(jié)4即可，在此工藝條件下，吸附率最大為75.3%；靜態(tài)解析達(dá)到平衡時間為90 min左右即可，當(dāng)2 g南瓜果皮粉的提取液作為吸附質(zhì)時樹脂具有最大的吸附率，之后色素液濃度增加，樹脂吸附率反而下降，乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時，解析率最大；上樣流速為5 mL/min，洗脫流速為1 mL/min時純化效果更佳；選擇D101型大孔樹脂用于南瓜果皮色素的初步分離。

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Studies on purification of pigments from pumpkin peel by macroporous resins

YALIKUN Nuerbiya， ABBAS Abdulla*

(College of Life Science Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

ABSTRACTUsing macroporous resin to purify pumpkin peel pigment. The organic solvent refluxing extraction method was adopted for crude extraction of pumpkin peel pigment. The adsorption and desorption of different resin on pumpkin peel pigment was studied; the static and dynamic adsorption technique was discussed. The optimized purifying condition is: D101 macroporous resin is used as adsorbent agent, static adsorption time is 3 h, herbs-resin ratio is 1∶7, pH is 4, under this condition the maximum adsorption rate reaching 75.3%, static equilibrium time was 90 mins, eluent agent is 60% ethanol, sample flow rate is 5 mL/min, elution flow rate is 1 mL/min.

Key wordspumpkin peel pigment; macroporous resin; purification

收稿日期：2015-04-23，改回日期：2015-10-26

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604041

第一作者：碩士研究生(阿不都拉·阿巴斯教授為通訊作者)。