小曲酒釀造廢水中高粱紅色素的分離純化工藝研究

向明鋒,羅 璇,沈瑞敏*,鄧 凱

(武漢設(shè)計工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院,湖北 武漢 430205)

隨著人們對食品安全和環(huán)保意識的增強,天然色素因其安全無毒已日益深入人心,合成色素被天然色素所取代是大勢所趨［1］。高粱紅色素是一種天然黃酮類色素,含多個酚羥基［2］,具有很強的抗氧化活性,且有生津止渴,消炎解熱,擴張血管,降低血糖、血壓,減輕疲勞等作用［3］。廣泛應(yīng)用于食品著色、化妝品、印染和醫(yī)藥行業(yè)［4-6］。

高粱紅色素大多從高粱籽實殼或葉鞘中獲得,而高粱在我國通常作為小曲酒的生產(chǎn)原料。小曲酒生產(chǎn)過程中會排出大量有機廢水,主要來自于白酒車間酒糟水排污口、泡糧水排污口和悶水排污口［7］,廢水中富含大量的高粱紅色素,直接排放既是資源的浪費又是環(huán)境污染的源頭［8-9］。如何對廢水中的有效成分加以回收利用是解決問題的關(guān)鍵,且目前對廢水中高粱紅色素的利用還未見報道。本試驗以小曲酒加工廢水為原料,用大孔樹脂吸附耦合硅膠柱層析法分離純化高粱紅色素,以期為提高釀酒行業(yè)的產(chǎn)品附加值提供參考［10］。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小曲酒釀造廢水：由湖北勁酒有限公司楓林酒廠提供；大孔樹脂HPD100、大孔樹脂HPD400、大孔樹脂HPD600、大孔樹脂HPD722、大孔樹脂HPD826、大孔樹脂X-5：倉州寶恩化工有限公司；硅膠(200～300目)：青島海洋化工廠；高粱紅色素標(biāo)品(純度90%)：德國三顆星食品物料公司；體積分?jǐn)?shù)95%乙醇(AR)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

722型可見分光光度計：天津市普瑞斯儀器有限公司；FA2004B型電子天平：上海良平儀器儀表有限公司；6HL-2S型恒流泵：上海滬西分析儀器廠有限公司；玻璃層析柱(600×60 mm、250×40 mm、200×10 mm)：上海上邦玻璃儀器有限公司；DZF-6020A真空干燥箱：天津工興實驗室儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

小曲酒釀造廢水→大孔樹脂吸附→大孔樹脂層析柱洗脫→色素洗脫液→濃縮→干燥→色素粗品→干法上樣硅膠柱→硅膠層析柱洗脫→分段收集洗脫液→干燥→檢測計算

1.3.2 大孔樹脂純化方法

大孔樹脂的選型：根據(jù)高粱紅色素的性質(zhì),選擇HPD100、HPD400、HPD600、HPD722、HPD826、X-5六種型號的大孔樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附和解吸實驗,并計算吸附率和解吸率,選取合適型號的大孔吸附樹脂。

吸附容量的確定：取50 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,進(jìn)行動態(tài)吸附實驗。每10 mL流出液分段收集并分別檢測高粱紅色素含量,做動態(tài)吸附泄露曲線,確定樹脂的最佳吸附容量。

吸附液pH值的確定：取4份50 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,在相同吸附速率和和上述最佳吸附容量條件下,分別調(diào)節(jié)吸附液pH值為5、6、7、8進(jìn)行動態(tài)吸附,計算吸附率,考察不同的吸附液pH值對吸附效果的影響。

吸附速率的確定：取5份10 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,按上述所得吸附容量和吸附液pH值進(jìn)行動態(tài)吸附實驗。用恒流泵控制吸附液流速分別為2 BV/h、3 BV/h、4 BV/h、5 BV/h、6 BV/h,計算吸附率,考察不同的吸附速率對吸附效果的影響。

除雜水用量的確定：取50 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,按上述最優(yōu)條件對吸附液進(jìn)行動態(tài)吸附,吸附完成后用蒸餾水在6 BV/h洗脫速率條件下對吸附柱進(jìn)行洗脫除雜,并每50 mL分段收集水洗脫液,分別檢測高粱紅色素含量,作除雜洗脫曲線,確定最適除雜水用量。

洗脫劑濃度的確定：取50 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,按上述最優(yōu)條件進(jìn)行動態(tài)吸附、除雜后,依次用4 BV體積分?jǐn)?shù)分別為10%、30%、50%、70%、80%、95%的乙醇溶液按乙醇體積分?jǐn)?shù)從小到大對選定樹脂進(jìn)行梯度洗脫,分別檢測不同濃度洗脫液中高粱紅色素的含量,確定最適洗脫劑濃度。

洗脫劑用量的確定：取50 mL預(yù)處理過的選定樹脂裝柱,按上述最優(yōu)條件進(jìn)行動態(tài)吸附、除雜,然后用最佳濃度的洗脫劑進(jìn)行動態(tài)洗脫,每10 mL分段收集洗脫液,分別檢測高粱紅色素含量,作洗脫曲線,確定最適洗脫劑用量。

洗脫速率的確定：取10 mL預(yù)處理過的選定樹脂5份,按上述最優(yōu)條件進(jìn)行動態(tài)吸附、除雜,然后用上述最佳洗脫劑濃度和最佳洗脫劑用量進(jìn)行動態(tài)洗脫。控制洗脫速率分別為2 BV/h、4 BV/h、6 BV/h、8 BV/h、10 BV/h,計算解吸率,考察洗脫速率對洗脫效果的影響。

1.3.3 硅膠柱層析純化方法

流動相的確定：根據(jù)高粱紅色素的極性,選擇不同體積比的石油醚和乙酸乙酯混合展開劑進(jìn)行薄層層析實驗,測定不同展開劑的比移值(rate of flow,Rf),確定最適硅膠柱層析的流動相。

流動相收集液的確定：準(zhǔn)確稱取200～300目硅膠［12］50g進(jìn)行裝柱,取0.2 g經(jīng)大孔吸附樹脂純化后的高粱紅色素產(chǎn)品干法上樣,進(jìn)行硅膠柱層析二級純化。用上述確定好的流動相,以2 BV/h的洗脫速率洗脫。每10 mL流動相分段收集,并分別檢測高粱紅色素的含量,作硅膠柱層析洗脫曲線,確定目標(biāo)收集液范圍。

1.3.4 驗證實驗

比較直接濃縮干燥小曲酒加工廢水、最佳純化條件經(jīng)大孔樹脂一級純化高粱紅色素、最佳純化條件下經(jīng)大孔樹脂耦合硅膠柱層析二級純化高粱紅色素3種工藝條件下高粱紅色素產(chǎn)品的純度和回收率,衡量其經(jīng)濟(jì)價值。

1.3.5 測定方法

高粱紅色素測定：按照參考文獻(xiàn)［11］的方法。吸附率、解吸率、回收率的計算公式如下：

式中：C0為吸附前原液的質(zhì)量濃度,mg/mL；C1為吸附后流出液的質(zhì)量濃度,mg/mL；C2為解吸液的質(zhì)量濃度,mg/mL；C3為除雜液的質(zhì)量濃度,mg/mL；V0為吸附前原液的體積,mL；V1為吸附后流出液的體積,mL；V2為解吸液的體積,mL；V3為除雜液的體積,mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔吸附樹脂純化工藝條件優(yōu)化

2.1.1 大孔樹脂的選擇

圖1 不同型號大孔樹脂對高粱紅色素的靜態(tài)吸附率及解吸率的影響Fig.1 Effect of different type of macroporous resins on static adsorption rate and desorption rate of sorghum red pigment

由圖1可知,大孔樹脂的靜態(tài)吸附率大小分別是HPD400＞X-5＞HPD100＞HPD826＞HPD600＞HPD722；靜態(tài)解吸率大小分別是HPD600＞HPD722＞HPD826＞X-5＞HPD400＞HPD100。其中HPD600和HPD722的吸附率分別達(dá)到88.5%和87.5%,解吸率分別達(dá)到86.6%和86.2%,吸附率和解吸率都較高。繼續(xù)將這兩種樹脂用適量清水浸泡,發(fā)現(xiàn)HPD722的漂浮量明顯大于HPD600,說明HPD722樹脂較HPD600樹脂易破裂,機械穩(wěn)定性較差。綜合考慮選擇HPD600型樹脂對廢水中的高粱紅色素進(jìn)行一級純化最為合適。

2.1.2 吸附容量的確定

圖2 HPD600大孔樹脂動態(tài)吸附曲線Fig.2 Dynamic adsorption curve of HPD600 macroporous resins

由圖2可知,隨著吸附量的增加流出液中高粱紅色素的泄露量也逐漸增加,最終接近上樣液的濃度,說明吸附量越大高粱紅色素的損失率也越大,當(dāng)樹脂達(dá)到飽和時將不再對高粱紅色素進(jìn)行吸附。吸附量＜1 BV時高粱紅色素幾乎不泄露；吸附量從1.2 BV增至2.4 BV時高粱紅色素泄露量急劇增加；當(dāng)吸附量＞2.4 BV后泄露量一直較大,樹脂接近飽和,在吸附量達(dá)到3.4 BV時樹脂達(dá)到完全飽和?？紤]回收率和生產(chǎn)效率,吸附容量應(yīng)選擇吸附容量較大而泄漏量較小的,泄漏量急劇上升的2/3處左右最為合適,故選擇最適吸附容量為2 BV。

2.1.3 吸附液pH值對吸附效果的影響

圖3 吸附液pH值對吸附效果的影響Fig.3 Effect of adsorption solution pH on absorption efficiency

由圖3可知,pH值對HPD600樹脂的吸附效果有較大影響。隨著pH值的增加,吸附率先增加,當(dāng)pH值達(dá)到7后吸附率變化趨于平緩。說明在酸性條件下,HPD600樹脂對高粱紅色素的親和力下降,吸附率下降,而在pH值為7～8時吸附性能較好。這和高粱紅色素的結(jié)構(gòu)有關(guān)［13］,高粱紅色素既含呈酸性的酚羥基,又含呈堿性的酮式羰基,導(dǎo)致高粱紅色素在水溶液中的pH值為7～7.5,故吸附液pH值為7～8范圍內(nèi)樹脂對高粱紅色素吸附效果最佳?？紤]到廢水原液pH接近7,且在pH值為7時高粱紅色素溶液清亮、鮮艷［14］。選擇最佳吸附液pH值為7。

2.1.4 吸附速率對吸附效果的影響

圖4 吸附速率對吸附效果的影響Fig.4 Effect of adsorption rate on absorption efficiency

由圖4可知,HPD600的吸附率隨吸附速率的增加逐漸減小,且吸附速率從1BV/h增至3BV/h時吸附率變化不大,而吸附速率增至3 BV/h后吸附率急劇下降。這是因為吸附速率慢有利于樹脂對色素的吸附,而吸附速率過快會導(dǎo)致部分高粱紅色素還沒來得及被樹脂吸附便隨溶液流出柱子?？紤]到吸附速率過慢會降低生產(chǎn)效率,為了兼顧吸附率和生產(chǎn)效率選擇吸附速率3 BV/h為宜。

2.1.5 除雜用水量對除雜效果的影響

圖5 除雜水用量對除雜效果的影響Fig.5 Effect of edulcoration water volume on edulcoration efficiency

水洗除雜除掉的主要是樹脂縫隙中殘留的蛋白質(zhì)和多糖等大極性物質(zhì),但同時會有少部分過飽和的高粱紅色素殘留其中。水洗除雜過程中這部分高粱紅色素會隨著蛋白質(zhì)和多糖一起被洗脫下來,而被樹脂有選擇性吸附的大部分高粱紅色素則不會被洗脫。由圖5可知,隨著除雜用水量的增加,高粱紅色素的含量逐漸減少,當(dāng)除雜用水量達(dá)到5 BV時,流出液中高粱紅色素含量基本為0。而蛋白質(zhì)、多糖等雜質(zhì)的極性高于高粱紅色素的極性,說明此時樹脂縫隙中的蛋白質(zhì)、多糖等極性雜質(zhì)也已被除完,因此選擇5 BV為最適除雜用水量。

2.1.6 洗脫劑濃度對洗脫效果的影響

表1 洗脫劑濃度對洗脫效果的影響Table 1 Effect of eluent concentration on eluting effect

由表1可知,體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇對高粱紅色素的累計洗脫率可達(dá)93.2%,繼續(xù)增加洗脫劑濃度,累計洗脫率變化不大。考慮洗脫效果和經(jīng)濟(jì)因素,選擇體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液為最適洗脫劑濃度。

2.1.7 洗脫劑用量對洗脫效果的影響

圖6 洗脫劑用量對洗脫效果的影響Fig.6 Effect of eluent volume on eluting effect

由圖6可知,高粱紅色素含量隨著洗脫劑用量的增大先增加后減小。這是因為開始的洗脫液主要為除雜后殘留在樹脂柱縫隙中的水(其色素含量極少),隨著洗脫的進(jìn)行,洗脫劑很快將樹脂柱中吸附的大量高粱紅色素洗脫出來,直至高粱紅色素被完全洗脫。洗脫液用量＞2 BV時,高粱紅色素的含量基本為零,說明此時高粱紅色素剛被洗脫完全。因此選擇2 BV洗脫液為最適洗脫劑用量。

2.1.8 洗脫速率對洗脫效果的影響

由圖7可知,HPD600的解吸率隨洗脫速率的增加逐漸減小,且洗脫速率從2 BV/h增至6 BV/h時,對洗脫速率的影響不大；但當(dāng)洗脫速率增至6 BV/h后,洗脫率急劇下降。這是因為洗脫速率越小,越有足夠的時間讓高粱紅色素從大孔樹脂網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)中解吸出來；當(dāng)洗脫速率增加到一定程度時,部分高粱紅色素來不及從樹脂中解吸,洗脫劑就已流出柱外。兼顧生產(chǎn)效率和洗脫率,選擇6 BV/h的洗脫速率最合適。

圖7 洗脫速率對洗脫效果的影響Fig.7 Effect of elution rate on eluting effect

2.2 硅膠柱層析純化條件優(yōu)化

2.2.1 硅膠柱層析流動相的確定

表2 不同流動相的Rf值Table 2 Rf value of different mobile phases

由表2可知,流動相中隨著石油醚比例的增大Rf值越來越小,當(dāng)流動相為V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=4∶1時的Rf值為0.32,在0.2～0.4之間［15］,能較好的將高粱紅色素和其他雜質(zhì)分離開來。所以,選擇石油醚∶乙酸乙酯=4∶1的展開劑作為流動相較合適。

2.2.2 流動相收集液體積的確定

圖8 硅膠柱層析洗脫曲線Fig.8 Elution curve of silica gel column chromatography

由圖8知,隨著洗脫過程的進(jìn)行,分段收集的流動相中高粱紅色素含量先增加后減少,在流動相收集液體積2～3 BV時出現(xiàn)峰值。這是因為不同組分在流動相中的展開速度不同,達(dá)到了分離的目的。根據(jù)洗脫峰值,選擇流動相收集液體積2～3 BV的洗脫液進(jìn)行干燥。

2.3 驗證實驗結(jié)果

通過檢測計算,驗證實驗結(jié)果如表3所示。

表3 驗證實驗結(jié)果Table 3 Results of verification experiments

由表3可知,經(jīng)過大孔吸附樹脂耦合硅膠柱層析兩級純化后,將廢水中高粱紅色素的純度從10.9%提高至90%,總回收率達(dá)67.2%,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

以小曲酒釀造廢水為原料,用大孔樹脂耦合硅膠柱層析法對廢水中的高粱紅色素進(jìn)行純化回收,工藝簡單可行。

大孔樹脂最佳純化條件為大孔樹脂型號選擇HPD600,吸附容量為2 BV,吸附液pH值為8,吸附速率為3 BV/h,5 BV水洗除雜,洗脫劑濃度為體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇,洗脫劑用量為2 BV,洗脫速率為6 BV/h,此條件下得到高粱紅色素產(chǎn)品的純度為78.7%,回收率達(dá)85.7%。

硅膠柱層析最佳純化條件為200～300目硅膠裝柱,樣品和吸附劑質(zhì)量比為1∶50,干法上樣,流動相為v(石油醚)∶v(乙酸乙酯)=4∶1,目標(biāo)收集液為2～3 BV段的流動相收集液,得到高粱紅色素純?yōu)?0%,回收率達(dá)78.4%。

經(jīng)過大孔吸附樹脂耦合硅膠柱層析兩級純化后,將廢水中高粱紅色素的純度從10.9%提高至90%,總回收率達(dá)67.2%,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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