SO42-/TiO2固體酸降解蓮房中高聚體原花青素研究

陳衛(wèi)航， 張 惠， 張 婕

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

原花青素(Proanthocyanidins，PC)是一種抗氧化劑[1].經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其是目前世界上清除人體自由基最有效的天然產(chǎn)物，大量存在于植物的種子、花和皮等部位中，在醫(yī)藥、保健品、化妝品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.蓮房含有豐富的原花青素，如提取，可變廢為寶[2].原花青素按聚合度劃分，分為低聚體(平均聚合度≤4)和高聚體(平均聚合度>4).低聚體的抗氧化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高聚體，故高聚體降解為低聚體的研究成為熱點(diǎn)[3].

目前，原花青素的催化降解方法主要有氫化降解法、微生物降解法、化學(xué)降解法等.氫化降解法設(shè)備昂貴、反應(yīng)條件苛刻、操作相對(duì)復(fù)雜，但降解率高；微生物降解法設(shè)備簡(jiǎn)單低廉、操作簡(jiǎn)便、零二次污染，但合適的微生物難尋，且難培養(yǎng)；化學(xué)降解法因設(shè)備低廉、操作簡(jiǎn)便、降解率高等優(yōu)點(diǎn)已引起國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，故本研究選用化學(xué)降解法.化學(xué)降解法主要為酸降解法，Luo等[4]采用亞硫酸作為酸降解劑，將葡萄籽及皮中原花青素降解為低聚體；趙平等[5]同樣采用亞硫酸作為酸降解劑，將原花青素的平均聚合度從7.06降到4.30.

考慮到實(shí)際應(yīng)用中，涉及領(lǐng)域?qū)ξ镔|(zhì)的純度要求極其高，所以必須保證降解產(chǎn)物的純度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn).酸降解劑參與降解反應(yīng)后，不易進(jìn)行分離，這勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)物的純度和后續(xù)應(yīng)用，故筆者在文獻(xiàn)[6-7]的基礎(chǔ)上首次提出采用固體酸作為催化劑降解高聚體原花青素.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

新鮮蓮房，市售；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)中心自制；兒茶素，98%，鄭州希派克科技有限公司；乙醇、冰乙酸，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，AR；乙酸乙酯、甲醇、濃鹽酸，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR；硫酸，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司，AR；芳草醛，阿拉丁工業(yè)公司，AR；1#、2# TiO2，瑪雅試劑有限公司(1、2號(hào)分別指100 nm TiO2、P25TiO2).

1.2 試驗(yàn)儀器

電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州市中原科技玻璃儀器廠；飛鴿牌離心機(jī)，上海安亭科技儀器廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市英峪華科儀器廠；馬弗爐，上海黔通儀器科技有限公司；UV-1800紫外可見分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司；WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀，北京瑞利分析儀器廠；ASAP 2 460比表面積及孔隙分析儀，美國(guó)Micromeritics有限公司；Agilent 1 100凝膠滲透色譜，安捷倫科技有限公司.

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 蓮房高聚體原花青素的提取

將干燥的新鮮蓮房粉碎，并過粒徑為0.15 mm篩子得蓮房粉末.將蓮房粉浸漬于石油醚中，料液比為4∶15 (g/mL)，脫脂24 h.脫脂后，于通風(fēng)處自然風(fēng)干.采用溶劑法提取原花青素.提取劑為60%的乙醇溶液，料液比為1∶15 (g/mL)，50 ℃下浸提60 min.提取液于10 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心，上清液在45 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以回收乙醇，得到原花青素粗提液[8].然后用乙酸乙酯3次萃取分級(jí)，水相即為高聚體原花青素懸浮液.將其稀釋10倍作為降解原料.

1.3.2 固體酸的篩選及制備

篩選4種酸溶液和2種固體載體，確定采用降解性能好的H2SO4溶液和吸附性能佳的納米級(jí)TiO2[9].分別取5 g 1#、2# TiO2，配置1、2、3 mol/L的硫酸溶液各10 mL/g.浸漬沉淀法分別浸漬1 h[10].抽濾后，濾餅于真空干燥箱在90 ℃下烘24 h，取出研碎，過粒徑為0.15 mm篩子.再置于400 ℃的馬弗爐中活化3 h，制備出的固體酸冷卻后待用.

1.3.3 固體酸降解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

取10 mL降解原液，加入一定量的SO42-/TiO2固體酸催化劑，放入一定溫度的水浴鍋內(nèi)，降解反應(yīng)一定時(shí)間.取出后過濾固體酸并冷卻液體至室溫，測(cè)定原花青素的平均聚合度及降解率.

平均聚合度采用魏冠紅(2006年)的改良香草醛法測(cè)定[11].當(dāng)采用乙酸作為溶劑時(shí)，香草醛只與末端黃烷-3-醇發(fā)生縮合反應(yīng)，從而可以確定原花青素的摩爾量.當(dāng)采用甲醇作為溶劑時(shí)，香草醛可以與所有酚羥基發(fā)生反應(yīng)，從而可以確定原花青素的質(zhì)量.二者結(jié)合即可求出原花青素的平均聚合度.

1.4 聚合度及降解率的計(jì)算

原花青素的平均聚合度可通過公式(1)計(jì)算；原花青素的降解率可通過公式(2)計(jì)算:

(1)

式中:DP為平均聚合度；m為原花青素的質(zhì)量濃度，μg/mL；n為原花青素的摩爾濃度，μmol/mL；M為兒茶素的摩爾質(zhì)量，290.27 g/mol.

(2)

式中：DP1為降解前的平均聚合度；DP2為降解后的平均聚合度.

1.5 工藝優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),以找出最優(yōu)降解反應(yīng)條件.

1.6 表征

通過FT-IR、BET分析來表征SO42-/TiO2固體酸的性能；通過降解原料與降解產(chǎn)物的紫外光譜及凝膠色譜對(duì)比分析來驗(yàn)證降解反應(yīng)效果.

2 分析與討論

考察載體TiO2顆粒大小、固體酸用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)高聚體原花青素降解效果的影響.

2.1 固體酸降解反應(yīng)工藝

2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)

(1)TiO2顆粒大小對(duì)降解反應(yīng)的影響.采用不同粒度TiO2(1#及2#納米級(jí)TiO2)作載體，制備1 mol/L SO42-/TiO2，在適宜條件下做降解實(shí)驗(yàn).

保持溫度80 ℃，時(shí)間60 min的反應(yīng)條件不變.1# TiO2作載體制備的固體酸的加入量選擇0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 g；2# TiO2作載體制備的固體酸的加入量選擇0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 g·/(10 mL),所得結(jié)果如圖1所示.

圖1 TiO2顆粒大小對(duì)聚合度的影響 Fig.1 TiO2 particle size impacts on polymeric degree

載體粒度的大小直接影響著改性催化劑性能的好壞.由圖1可以看出：當(dāng)聚合度降為4.25時(shí)，1# TiO2作載體的催化劑消耗0.2 g，2# TiO2作載體制備的催化劑需0.05 g.達(dá)到相同的降解效果，粒徑較小的2# TiO2作載體制備的催化劑用量少得多.故以下實(shí)驗(yàn)中催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)降解效果的研究，均采用2# TiO2制備的固體酸.

(2)H2SO4濃度及酸用量對(duì)降解反應(yīng)的影響.保持溫度80 ℃，時(shí)間60 min的反應(yīng)條件不變，采用不同濃度(1、2、3 mol/L)H2SO4制備的SO42-/TiO2固體酸，加入量均為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 g·(10 mL)-1,所得結(jié)果見圖2和圖3.

圖2 固體酸加入量對(duì)聚合度的影響 Fig.2 Solid acid addition impacts on polymeric degree

圖3 固體酸加入量對(duì)降解率的影響 Fig.3 Solid acid addition impacts on degradation rate

由圖2、圖3可以看出：一定范圍內(nèi)，隨著固體酸加入量的增加，聚合度先降低后升高，降解率先升高后下降.1、2、3 mol/L的SO42-/TiO2固體酸均有降解作用，但是其中2 mol/L SO42-/TiO2固體酸的降解效果最佳.當(dāng)硫酸濃度為2 mol/L時(shí)，固體酸的加入量為0.04 g·(10 mL)-1，聚合度從5.95降為3.26，降解率達(dá)到45.21%.故考慮溫度和時(shí)間對(duì)降解反應(yīng)的影響時(shí)，只對(duì)2 mol/L硫酸制得的固體酸做討論.

(3)溫度對(duì)降解反應(yīng)的影響.保持固體酸加入量0.04 g、時(shí)間60 min的條件不變，采用不同的反應(yīng)溫度，即50、60、70、80、90 ℃，所得結(jié)果見圖4.

圖4 溫度對(duì)聚合度及降解率的影響 Fig.4 Temperature impacts on polymeric degree and rate

反應(yīng)溫度的高低直接影響反應(yīng)活化能的大小，進(jìn)而影響降解反應(yīng)效果.由圖4可以看出：一定范圍內(nèi)，隨著溫度的不斷升高，聚合度先減小后增大，降解率先增加后減小.溫度為70 ℃時(shí)，聚合度降為2.31，降解率達(dá)到61.18%.溫度較低時(shí)，高聚體很難將C4—C8鍵斷開，故聚合度較高，降解率較低；溫度過高時(shí)，低聚體的羥基基團(tuán)很容易被氧化，從而失去原有的活性，這與上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的.

(4)時(shí)間對(duì)降解反應(yīng)的影響.保持固體酸加入量為0.04 g·(10 mL)-1，溫度為70 ℃的條件不變，采取不同的反應(yīng)時(shí)間，即40、50、60、70、80 min，所得結(jié)果如圖5.

圖5 時(shí)間對(duì)聚合度及降解率的影響 Fig.5 Time impacts on polymeric degree and rate

由圖5可以看出：當(dāng)時(shí)間為40～60 min時(shí)，聚合度明顯減?。划?dāng)時(shí)間為60～80 min時(shí)，聚合度增大，但較為緩慢.反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，聚合度反而升高，降解率反而降低.原因可能是降解后的低聚體原花青素隨時(shí)間增加又發(fā)生了裂解，生成了別的產(chǎn)物.當(dāng)時(shí)間為60 min時(shí)，聚合度降為2.31，降解率達(dá)到61.18%.

2.1.2 正交實(shí)驗(yàn)

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以SO42-/TiO2固體酸加入量、降解溫度及降解時(shí)間為變量因素，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以考察上述條件對(duì)蓮房原花青素降解反應(yīng)的綜合影響.設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)水平因素表見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表見表2.

表1 正交實(shí)驗(yàn)L9(34)水平因素表 Tab.1 Horizontal factor table of orthogonal experiment

表2 正交實(shí)驗(yàn)L9(34)結(jié)果

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析可得因素的影響大小順序?yàn)椋築>A>C，即溫度>酸用量>時(shí)間.其中，最佳方案為A1B2C2，即固體酸用量為0.04 g·(10 mL)-1，溫度為70 ℃，時(shí)間為60 min.在該反應(yīng)條件下，高聚體聚合度可以從5.95降為2.31.由于空白列的極差較小，所以表明本次正交實(shí)驗(yàn)沒有遺漏掉其他主要參考因素.

2.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

固體酸用量0.04 g·(10 mL)-1為邊界條件，故需做驗(yàn)證試驗(yàn).設(shè)計(jì)酸用量0.03 g·(10 mL)-1，溫度70 ℃，時(shí)間60 min的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3.由表3可知：酸用量0.04 g·(10 mL)-1時(shí)，降解效果最佳.綜上所述，固體酸降解蓮房高聚體原花青素的最佳工藝條件為：催化劑選擇2號(hào)TiO2負(fù)載2 mol/L H2SO4制備SO42-/TiO2，酸用量0.04 g·(10 mL)-1，溫度70 ℃，時(shí)間60 min，原花青素聚合度從5.95降為2.31，降解反應(yīng)效果最好.

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.2 固體催化劑的表征

2.2.1 FT-IR分析

SO42-負(fù)載在TiO2上面，結(jié)合力有無機(jī)螯合狀雙配位、共價(jià)硫酸鹽、橋式配位.紅外光譜如圖6所示.由圖6看出：1、2、3 mol/L SO42-/TiO2固體酸的1 413.57、1 413.57、1 552.42 cm-1處的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰屬于共價(jià)鍵性質(zhì)的S—O鍵，即共價(jià)硫酸鹽吸附.而對(duì)于對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，941.09、985.45、987.38 cm-1的吸收帶屬于共價(jià)硫酸鹽吸附，889.02、881.31 cm-1的吸收帶屬于螯合式吸附.與純TiO2紅外圖對(duì)比，SO42-已負(fù)載在TiO2上面.

圖6 純TiO2及不同濃度硫酸處理得到SO42-/TiO2 固體酸的紅外光譜 Fig.6 Infrared Spectrum of pure TiO2 and SO42-/TiO2

2.2.2 SO42-/TiO2固體酸的BET分析

SO42-/TiO2的BET見表4.由表4可知：改性TiO2與未處理TiO2相比，H2SO4濃度為1 mol/L和2 mol/L時(shí)，比表面積均增大；H2SO4濃度為3 mol/L時(shí)，比表面積大幅度減小，故H2SO4濃度不是越大越好.硫酸濃度小時(shí)，比表面積增大可能是TiO2與SO42-結(jié)合產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)造成的；硫酸濃度增大時(shí)，比表面積減小可能是硫酸鹽覆蓋在多孔上造成的.

2.2.3 原料與降解產(chǎn)物的紫外光譜分析

由圖7可知，降解前原花青素與降解后產(chǎn)物的最大吸收波長(zhǎng)均為500 nm，且兩者的紫外吸收光譜相近,故降解產(chǎn)物具有原花青素分子中黃烷醇單元的特征吸收峰，也證實(shí)固體酸降解主要斷裂的是單體間的鏈接鍵，而并未破壞黃烷醇單元的結(jié)構(gòu).

表4 不同濃度硫酸制備的固體酸SO42-/TiO2的比表面積 Tab.4 Specific surface area of solid acid SO42-/TiO2 m2·g-1

圖7 降解前后物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng) Fig.7 Maximum absorption wavelength of the material

2.2.4 原料與降解產(chǎn)物的GPC分析

凝膠色譜的工作原理為：分子量大的物質(zhì)先出峰，分子量小的物質(zhì)后出峰.圖8表明：降解反應(yīng)前，原花青素主要以高聚物存在；降解反應(yīng)后，高聚體含量大大減少，低聚體含量增加.所以說，固體酸降解反應(yīng)達(dá)到了目的.

圖8 降解前后物質(zhì)的凝膠色譜 Fig.8 Gel chromatography of substances

3 結(jié)論

筆者制備出性能良好的SO42-/TiO2固體酸催化劑，可以有效地降解高聚體原花青素，以實(shí)現(xiàn)生物活性最高的二聚體原花青素的制備.實(shí)驗(yàn)確定了固體酸降解高聚體原花青素的最佳工藝條件，采用2#納米級(jí)TiO2制備出的含H2SO4濃度為2 mol/L的SO42-/TiO2固體酸，固體酸加入量0.04 g·(10 mL)-1，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min.此條件下高聚體的平均聚合度從5.95降為2.31，降解率可達(dá)到61.18%.紫外光譜表明，固體酸降解反應(yīng)沒有破壞原花青素應(yīng)有的分子結(jié)構(gòu).凝膠色譜表明，降解產(chǎn)物低聚體含量顯著增多.這說明降解反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn).此研究所確定的工藝條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果為蓮房原花青素的充分和高效利用提供了有效的途徑.