大孔樹脂法純化紅棗色素工藝研究

周業(yè)豐+陳小李++喬世玉++瑪莎++彭麗桃

摘要：以吸附率和解析率為指標(biāo)，通過靜態(tài)吸附研究，從9種不同型號的大孔樹脂中篩選出對紅棗（Zizyphus jujube）皮紅色素選擇性良好的材料，并考察工藝參數(shù)對樹脂吸附及解析棗皮紅色素的影響，優(yōu)化棗皮紅色素的純化條件。結(jié)果表明，X-5對紅棗皮紅色素具有良好的選擇性，動態(tài)吸附及解析特性研究顯示其最佳的純化工藝參數(shù)為上樣液濃度1.0 mg/mL，流速1.0 mL/min，pH 3.0，洗脫液采用60%乙醇，流速2.0 mL/min。采用此工藝條件，棗皮紅色素的色價從12.8提高到32.4。綜上所述，X-5型大孔樹脂對棗皮紅色素有良好的吸附與解析性能，適用于棗紅色素的批量純化。

關(guān)鍵詞：紅棗（Zizyphus jujube）；色素；純化；大孔樹脂

中圖分類號：TS264.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）10-1924-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.10.031

Purification of Red Pigment from Jujube Fruits Peel by Macroporous Resin

ZHOU Ye-feng1，CHEN Xiao-li2，QIAO Shi-yu2，MA Sha2，PENG Li-tao1，2

（1.College of Food Science &Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China；

2.College of Life Science， Tarim University， Alaer 810060， Xinjiang， China）

Abstract： To explore the optimal purification status， nine types of macroporous resins were used to investigate the properties of static absorption and desorption for the pigment purification， one type of macroporous resin was chosen to further investigate the dynamic properties of absorption and desorption for this pigment. The results demonstrated that X-5 was considered the most suitable resin for purification of red pigment from jujube fruit peels. The optimal absorption parameters for the pigment was at the concentration of 1.0 mg/mL with pH at 3.0 and the loading flow rate of 1.0 mL/min， and the optimal desorption conditions were using 60% ethanol as solvent at the flow rate of 2.0 mL/min. The color value of the obtained red pigment by this process reached from 12.8 to 32.4. The results provided the optimal process parameters with macroporous resin X-5 for industrial purification of the red pigment from jujube fruits.

Key words： Zizyphus jujube； red pigment； purification； macroporous resin

紅棗（Zizyphus jujube）原產(chǎn)中國，栽培歷史悠久[1]。紅棗富含多糖、蛋白質(zhì)、維生素A、B1、B2、C、E、P，有機酸和多種微量元素，具有鎮(zhèn)靜、催眠、降血壓、保肝、抑癌、抗突變等作用，因而長期受到消費者青睞[2]。農(nóng)業(yè)部公布數(shù)據(jù)，2012年中國紅棗產(chǎn)量達(dá)到了600余萬t。但紅棗加工除干制外，僅有紅棗飲料等產(chǎn)品，其他精深加工產(chǎn)品開發(fā)尚少[3，4]。紅棗皮作為加工中的廢棄物，有必要進(jìn)行深入研究，以提高綜合利用水平和減少廢棄物排放，提高紅棗加工的經(jīng)濟效益。

紅棗皮中含有大量的色素，是一種非常理想的天然色素資源，其水溶性好、澄清透明、色澤鮮艷、安全性高，在化妝品、食品、染料、飲料等方面有很好的應(yīng)用前景[5-7]。有關(guān)棗皮紅色素的提取工藝已有研究報道[6-8]，但對于其純化工藝目前還較少涉及。超聲波提取法可有效加速天然產(chǎn)物有效成分的溶出，但提取物雜質(zhì)含量多，嚴(yán)重影響色素的品質(zhì)，需要純化工藝進(jìn)行精制[7-9]。大孔吸附樹脂法具有性質(zhì)穩(wěn)定、選擇性好、再生方便、可重復(fù)使用等優(yōu)點，在天然產(chǎn)物分離純化中被廣泛應(yīng)用[10，11]。一些研究表明，大孔吸附樹脂對多種天然色素具有良好的吸附和純化效果[12，13]。本研究擬采用大孔樹脂純化精制棗皮紅色素，為工業(yè)化生產(chǎn)工藝的建立和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

紅棗采于阿拉爾市十二團(tuán)；無水乙醇、甲醇、NaOH、濃HCl、磷酸氫二鈉、檸檬酸均為四川西隴化工有限公司；95%工業(yè)乙醇。篩選的大孔樹脂類型見表1。

玻璃層析柱（φ2×30 cm）；722可見分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）；FA2104N電子天平（上海青海儀器有限公司）；HHS電熱恒溫水浴鍋（上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；RE-2010旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；FD-1080冷凍干燥機（北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司）；TDL-5-A離心機（上海安亭科技儀器廠）；PHS-3B酸度計（上海虹益儀器儀表有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 紅棗色素粗提液的制備 紅棗剝皮，清洗除去殘存的果肉，陰干后用含0.5%HCl的60%乙醇溶液反復(fù)提取數(shù)次，收集濾液濃縮脫除乙醇后冷凍干燥，樣品在離心管中冷藏保存。

1.2.2 樹脂的預(yù)處理 將大孔樹脂用去離子水充分淋洗，然后95%乙醇溶液浸泡24 h，去離子水反復(fù)沖洗，然后5%HCl浸泡3 h，去離子水洗至中性，轉(zhuǎn)用2%NaOH浸泡3 h，去離子水洗至中性后備用[12]。

1.2.3 色價測定 精確稱取色素粉末0.1 g置于100 mL檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液（pH 3.0）中，再吸取10 mL，緩沖液稀釋至100 mL，依據(jù)色素溶液全波段掃描結(jié)果確定在510 nm處測定其吸光度，按公式計算色價：

式中，A為吸光度，W為樣品質(zhì)量，R為稀釋倍數(shù)。

1.2.4 篩選大孔樹脂靜態(tài)吸附解析試驗 準(zhǔn)確稱預(yù)處理的9種大孔樹脂各1 g置于10 mL的試管中，加入5 mL pH 3.0溶液A510 nm為0.512的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液稀釋的紅棗色素樣液，在20 ℃水浴振蕩器中，以120 r/min振蕩吸收1 h，靜置5 min，測定溶液A510 nm；除去母液后，加入5 mL、pH 3.0的95%乙醇溶液在相同條件下振蕩解析1 h，靜置5 min后再次測定溶液A510 nm。分別選擇適合的樹脂，用下述方法計算各樹脂的吸附率。

式中，A0為色素溶液在吸附前的吸光度；A1為吸附后的吸光度；A2為經(jīng)吸附后解析液的吸光度；V1為上樣液的體積；V2為解析液的體積。

1.2.5 樹脂動態(tài)吸附解析條件篩選 根據(jù)預(yù)試驗的結(jié)果，考察上樣液濃度、流速、pH以及解析液濃度和流速等因素對吸附與解析的影響。①上樣液pH對吸附影響：配制pH分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12的質(zhì)量濃度為1 mg/mL的色素溶液，以0.5 mL/min速度上樣品，每5 mL收集一次流分，測定流出液的吸光度，當(dāng)流出液濃度達(dá)到滲漏點（吸光度達(dá)到上樣液濃度10%）時，停止上樣，根據(jù)上樣體積與濃度計算吸附率。②上樣液濃度對吸附率的影響：配制質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、3.0 mg/mL，pH 3.0色素液，以0.5 mL/min速度上樣，每5 mL收集一次流分，測定流出液的吸光度，當(dāng)流出液濃度達(dá)到滲漏點時，停止上樣，按上述方法計算吸附率。③上樣流速對吸附率的影響：配制最佳上樣液濃度的色素溶液，分別以0.2、0.5、1.0、2.0 mL/min流速流過樹脂，每5 mL收集一次流分，測定吸光度，達(dá)到滲漏點時，計算吸附率。④洗脫液pH對大孔樹脂解析率的影響：吸附飽和的樹脂10 g用70 mL（5BV）蒸餾水沖柱，分別用100 mL不同pH的95%乙醇溶液以1 mL/min的速度進(jìn)行洗脫，測定流出液的吸光度，計算解析率。⑤洗脫液濃度對樹脂解析率的影響：吸附飽和的樹脂10 g用70 mL（5BV）蒸餾水沖柱，分別用100 mL濃度分別為20%、50%、70%、80%、95%的酸性乙醇（pH 3.0）溶液進(jìn)行洗脫，流速為1 mL/min，測定吸光度，計算解析率。⑥洗脫液流速對動態(tài)解析率的影響：吸附飽和的樹脂10 g用70 mL（5BV）蒸餾水沖柱，以100 mL篩選體積分?jǐn)?shù)的乙醇控制不同流速進(jìn)行洗脫，流速梯度設(shè)置為0.5、1.0、2.0、4.0 mL/min，計算不同洗脫流速的解析率。

1.2.6 實際吸附解析試驗 以上述最佳參數(shù)上樣，每5 mL收集一次流分，測吸光度，當(dāng)流出液達(dá)到滲漏點時，停止上樣，然后用70 mL（5BV）的蒸餾水洗柱，再以最佳濃度、流速及洗脫體積洗脫，合并洗脫液，真空濃縮，測定色價。純化過程紅色素回收率按下式計算：

式中，E1為純化后色素色價；E0為純化前色素色價；M1為純化后色素質(zhì)量；M0為純化前色素質(zhì)量。

1.2.7 樹脂的循環(huán)使用性能 以上述最佳參數(shù)上樣，每5 mL收集一次流分，測吸光度，當(dāng)流出液達(dá)到滲漏點時，停止上樣，計算吸附率，然后用5BV的蒸餾水洗柱，再以最佳濃度、流速及洗脫體積洗脫，合并洗脫液，測定吸光度，計算解析率。樹脂用酸性水將乙醇沖洗干凈后再生。重復(fù)上述操作5次。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 每個參數(shù)重復(fù)測定3次。采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 12.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗皮紅色素標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖1可知，棗皮紅色素在510 nm處光吸收與色素含量之間存在良好線性相關(guān)，其回歸方程為y=0.125 3x+0.007 6，R2=0.998 3，表明通過測定溶液510 nm下光吸收能很好的反映棗皮紅色素含量。

2.2 棗皮紅色素的樹脂篩選

試驗結(jié)果（表1）表明，9種大孔樹脂對紅棗色素的吸附和解吸性能各不相同，總體來看非極性和弱極性樹脂對紅棗色素的吸附效果好，而極性樹脂效果差。這可能是由于紅棗色素主要成分為極性組分，容易被非極性樹脂吸附。在篩選的9種樹脂中，DA-201的吸附能力最強，AB-8次之，但二者的解吸能力較弱；而X-5的吸附能力雖然不及DA-201、AB-8，但其解析率最高。綜合考慮樹脂的吸附和解吸性能，選用X-5樹脂進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.3 動態(tài)吸附條件篩選

2.3.1 不同pH對色素吸附率的影響 由圖2可知，采用不同pH溶液進(jìn)行吸附試驗，在酸性條件下紅棗色素更容易吸附，而在中性或堿性條件下，色素的吸附量顯著下降，這可能是由于色素分子解離導(dǎo)致的。結(jié)合上述結(jié)果，采用酸性條件pH 3.0作為上樣條件。

2.3.2 不同上樣濃度對吸附率的影響 由圖3可知，考察不同濃度的上樣液對吸附的影響，采用5種濃度吸附，發(fā)現(xiàn)吸附率有下降的趨勢，主要原因可能是濃度過高，分子之間接觸時間短，滲漏點提前，不利于吸附。綜合考慮，選擇1.0 mg/mL的濃度比較合適。

2.3.3 不同上樣流速對吸附率的影響 由圖4可知，當(dāng)橫流泵的流速設(shè)置為0.5、1.0 mL/min時，吸附效果較好，且0.5 mL/min時，吸附效果最好，但如果處理相同體積的棗皮紅色素溶液時，以0.5 mL/min的流速處理所需要的時間是流速1.0 mL/min的2倍，從效率角度考慮，選擇以1.0 mL/min為吸附的最佳流速。

2.3.4 不同洗脫溶液pH的影響 選擇不同的pH條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH對色素解析率影響不顯著，考慮到色素后期濃縮等處理，故選擇洗脫溶劑以不調(diào)整pH為宜。

2.3.5 不同洗脫劑濃度對色素解析率的影響 由圖5可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)加大，解析率隨之增加，在60%時解析率達(dá)到較高水平，后續(xù)增加乙醇體積分?jǐn)?shù)，效果也不十分顯著。綜合考慮，采用60%乙醇解析，效果良好。

2.3.6 洗脫流速對色素解析的影響 由圖6可知， 解吸劑流速較低時，解吸曲線的峰形尖而窄，解吸效果好，當(dāng)解吸劑流速較高時，峰形寬且拖尾嚴(yán)重，解吸效果較差。比較不同流速下的色素解析率，2.0 mL/min洗脫流速與0.5、1.0 mL/min流速相比，差異不顯著，兼顧生產(chǎn)效率，解吸時采用2.0 mL/min的流速較好。解吸劑用量為80～90 mL時解析較為充分。

2.4 樹脂吸附解析循環(huán)使用效果

由圖7可以看出，樹脂在純化棗皮紅色素中使用5次，樹脂的吸附率和解析率差異不顯著，說明用該樹脂純化色素時，可反復(fù)使用數(shù)次。同時也表明，采用鹽酸乙醇法提取的棗皮紅色素干擾物質(zhì)相對較少。

2.5 純化前后色素的色價與回收率比較

純化前的色素色價為12.8，經(jīng)過純化后色價達(dá)到32.4，純化倍數(shù)為2.54倍，精制純化對色素色價有明顯的提高，色素回收率達(dá)到了70%以上，表明X-5大孔吸附樹脂能有效富集棗皮紅色素。

3 結(jié)論

篩選的9種大孔吸附樹脂中，X-5樹脂對棗皮紅色素具有較好的吸附率和解析率，綜合性能表現(xiàn)最好。X-5對棗皮紅色素的純化條件為上樣液濃度，1.0 mg/mL，pH 3.0，流速1.0 mL/min，解析液為60%乙醇，流速2.0 mL/min。材料反復(fù)使用5次，吸附解析率均維持較高水平。經(jīng)過純化后的色素為紅黑色粉末，色價達(dá)到32.4，為未純化的2.54倍。表明通過X-5大孔樹脂純化棗皮紅色素能達(dá)到較好的純化效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曲澤洲，王永惠.中國棗樹志·棗卷[M].北京：中國林業(yè)出版社，1993.

[2] 魯周民，劉 坤，閆忠心，等.棗果實營養(yǎng)成分及保健作用研究進(jìn)展[J].園藝學(xué)報，2010，37（12）：2017-2024.

[3] 紀(jì) 晴，石倩倩，徐世宏，等.棗產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀及未來趨勢研究[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2015，26（7）：11-12.

[4] 王 潔，葛文光，馬立然.我國北方棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（4）：2411-2413.

[5] 游 鳳，黃立新，張彩虹，等.紅棗紅色素的研究進(jìn)展[J].中國食品添加劑，2012，23（4）：223-230.

[6] 邵佩蘭，徐 明.正交試驗優(yōu)化紅棗色素提取工藝[J].食品科技，2014，39（3）：232-235.

[7] 吳進(jìn)菊，梅 果，于 博，等.微波法提取紅棗紅色素的工藝研究[J].食品研究與開發(fā)，2015，36（23）：43-46.

[8] 岳 麗，敬思群.黑曲霉液體發(fā)酵法助提紅棗紅色素工藝優(yōu)化[J].食品工業(yè)，2015，36（12）：105-108.

[9] 游 鳳，黃立新，張彩虹，等.減壓法提取長棗棗皮中的天然色素[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2012，38（12）：169-174.

[10] ZHANG Y，LI S F，WU X W.Macroporous resin adsorption for purification of flavonoids in Houttuynia cordata Thumb[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15（6）：872-876.

[11] JING Y，JING R Q，REN Y.Study on the separation and purification the total flavonoids in the stigma maydis by AB-8 macroporous absorption resins[J].Acta Chinese Medicine Pharmacy，2010，38（1）：75-78.

[12] 宋珊珊，吳天祥，朱 威，等.大孔樹脂純化火龍果果皮色素工藝研究[J].食品科技，2014（39）：242-245.

[13] 呂曉玲，陳澤芳，齊 浩.大孔吸附樹脂法純化紅米紅色素的工藝研究[J].食品工業(yè)，2012（1）：45-48.