大孔吸附樹脂純化杏仁皮單寧工藝的研究

杜凱，馬養(yǎng)民，2，郭林新，雷瑞

(1.陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021；2.陜西省輕化工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021)

杏仁為薔薇科植物山杏Armeniacasibirica(L.) Lam.的種子，主要含有糖類、蛋白質、膳食纖維等營養(yǎng)成分[1]。杏仁產品已在食品、化妝品、潤滑劑等行業(yè)大量生產。然而，杏仁皮作為杏仁加工過程中的副產品，通常被當作固體廢物而丟棄。這不僅導致資源嚴重浪費而且對環(huán)境造成一定的污染。目前國內外關于杏仁皮的研究主要集中在油脂[2]、酚類[3]、維生素E[4]等方面，而關于杏仁皮單寧的研究報道較少。單寧是一類分子量為500～3 000 的多元酚類次生代謝產物?？梢耘c多糖、蛋白質、生物堿生成沉淀[5]，且具有抗炎、抗癌、抗哮喘等藥理活性[6]。已被廣泛應用于皮革、膠黏劑、飲料制造、動物飼料等行業(yè)[7]，其市場需求量逐年增加。

常見的單寧純化方法有：大孔吸附樹脂法、膜分離法、萃取分離法、色譜法等。其中大孔吸附樹脂法有成本低、耗能小、綠色、操作簡單等諸多優(yōu)點，已經被廣泛應用于工業(yè)生產中。大孔吸附樹脂根據(jù)其不同的型號規(guī)格，對欲分離物質有不同的吸附解吸性能。所以本文選取不同型號的大孔吸附樹脂進行靜態(tài)吸附及解吸的對比效果研究，找到適合純化杏仁皮單寧的大孔吸附樹脂，并考察上樣濃度、上樣流速、上樣量對吸附性能的影響，乙醇濃度、洗脫流速、洗脫液用量對解吸性能的影響。從而建立一條綠色、環(huán)保、高效、操作簡便的杏仁皮單寧純化工藝路線，為杏仁皮單寧的后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

杏仁皮，由陜西天壽杏仁食品有限公司提供；X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂均為優(yōu)級純；乙醇、醋酸鋅、氨水、鉻黑T、氯化銨、乙二胺四乙酸二鈉均為分析純。

HF200型酶標儀；R502B型旋轉蒸發(fā)器；DK-98Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵；HZQQ空氣恒溫振蕩器；BS2202S電子秤；BS224S型分析天平。

1.2 實驗方法

1.2.1 杏仁皮單寧粗品的制備 取干燥的杏仁皮粗粉于提取瓶中，加入50%的乙醇溶液(料液比為1∶22 g/mL)，在70 ℃下回流提取90 min，過濾，重復提取3次，合并濾液，將其真空濃縮后備用(單寧粗品純度為9.97%)。

1.2.2 單寧含量的測定 采用絡合法測定單寧含量[8]。將樣品加水約至60 mL于35 ℃水浴溫熱15 min。精密移取4.00 mL 1.000 mol/L醋酸鋅溶液于100 mL容量瓶中，加入2.80 mL氨水，搖勻使白色沉淀溶解，緩慢加入已預熱的待測濃縮液，邊加邊搖，加完后繼續(xù)振搖1 min，置原水浴保溫30 min，間歇振搖數(shù)次，待反應完畢，冷卻至室溫，定容，混勻后過濾，精密移取濾液10.00 mL于錐形瓶中，并加入150 mL水、12.5 mL pH=10的NH3-NH4Cl緩沖溶液和3滴鉻黑T指示劑。以0.026 31 mol/L EDTA·2Na滴定至溶液由酒紅色變?yōu)樗{色。單寧含量按下式計算：

單寧含量=

其中，0.155 6指每毫升1 mol/L的醋酸鋅溶液平均消耗單寧0.155 6 g；VZn為移取鋅離子體積量，mL；CZn為鋅離子物質的量濃度，mol/L；VEDTA為EDTA消耗體積，mL；CEDTA為EDTA濃度，mol/L；W為樣品的質量，g。

1.2.3 大孔吸附樹脂的預處理[9]稱取適量X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂，加入95%乙醇浸泡過夜，充分溶脹后，過濾，以大量蒸餾水沖洗至溶液無明顯的白色渾濁且無醇味，加入5%HCl溶液浸泡8 h，過濾，用蒸餾水沖洗至溶液為中性，加入5%NaOH溶液浸泡8 h后用蒸餾水沖洗至溶液為中性，過濾，用蒸餾水浸泡保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4 大孔吸附樹脂的篩選[9-10]分別稱取1.0 g預處理好的5種大孔吸附樹脂于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)24 h吸附平衡后，測定溶液單寧含有量。過濾吸附液，用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸24 h，測定解吸液單寧含有量。分別按式(1)～(3)計算吸附量、吸附率和解吸率。

(1)

(2)

(3)

式中Co——吸附前溶液的單寧含有量，g；

Ce——吸附平衡后溶液的單寧含有量，g；

Cd——解吸液的單寧含有量，g；

m——大孔吸附樹脂的質量，g。

1.2.5 吸附與解吸動力學 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)吸附12 h，平行24份，每隔1 h取1份測定溶液單寧含有量，過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸12 h，每隔1 h取1份測定解吸液單寧含有量。繪制大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附與解吸動力學曲線。

1.2.6 上樣濃度對吸附的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL不同單寧濃度(0.41，0.83，1.20，1.59，2.01 mg/mL)樣液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h，測定溶液單寧含有量。

1.2.7 乙醇濃度對解吸的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 1.20 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h，過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL不同乙醇濃度(40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%)解吸液振蕩解吸3 h，測定解吸液單寧含有量。

1.2.8 上樣流速對吸附的影響 稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm)，取3 BV 1.20 mg/mL單寧溶液分別以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)上樣，收集流出液測定單寧含有量。

1.2.9 洗脫流速對洗脫的影響 按1.2.8節(jié)下吸附平衡后，取2 BV蒸餾水沖洗柱子，加入3 BV 70%乙醇溶液以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)洗脫柱子，收集流出液測定單寧含有量。

1.2.10 泄露曲線及洗脫曲線的繪制 稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(1 cm×40 cm)，加入5 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速流過玻璃柱。每流出0.5 BV收集溶液并測定單寧濃度。當洗脫溶液的單寧濃度是初始單寧濃度的1/10時，說明樹脂已經達到吸附平衡[11-12]。平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子，用70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h洗脫。每流出0.5 BV收集洗脫液并測定單寧濃度。當洗脫液單寧濃度基本不變時，說明洗脫完畢。

2 結果與討論

2.1 大孔吸附樹脂的篩選

為了篩選出適合杏仁皮單寧純化的大孔吸附樹脂，選擇了5種型號的大孔吸附樹脂進行靜態(tài)吸附及解吸實驗。通常大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率越高，證明其吸附和解吸效果越好，越適合用于分離物質的純化。

表1 5種大孔吸附樹脂靜態(tài)吸附及解吸結果Table 1 Results of static adsorption and desorption offive macroporous resins

由表1可知，S-8型大孔吸附樹脂的吸附效果最好，吸附量達14.09 mg/g，吸附率達84.9%。其次是HP-20型大孔吸附樹脂，吸附量為13.88 mg/g，吸附率為83.6%。但S-8型大孔吸附樹脂的解吸率較差，只有60.8%；HP-20型大孔吸附樹脂解吸率最好，達到90.7%。綜合考慮，選擇HP-20型大孔吸附樹脂用于后續(xù)的杏仁皮單寧純化實驗。

2.2 靜態(tài)吸附及解吸動力學

吸附速度是大孔吸附樹脂吸附性能的一個重要參考指標[13]。

圖1 HP-20型樹脂靜態(tài)吸附及解吸曲線Fig.1 Static adsorption and desorptioncurves of HP-20 resins

由圖1可知，HP-20型樹脂在1 h之內吸附量迅速增加，之后緩慢增加。經過4 h的吸附，吸附量趨于穩(wěn)定，吸附達到平衡，所以最佳靜態(tài)吸附時間為 4 h。HP-20型樹脂在1 h之內解吸率急劇增加，3 h后解吸基本達到平衡，解吸率達到90.2%。因此，最佳靜態(tài)解吸時間為3 h。

2.3 上樣濃度對吸附的影響

由圖2可知，單寧濃度對大孔吸附樹脂吸附性能影響較大。隨著單寧濃度的增加，吸附率先上升后下降。在杏仁皮單寧濃度為0.41 mg/mL時，吸附率僅為73.6%；當單寧濃度為1.20 mg/mL時，吸附率達到92.7%；當單寧濃度>1.20 mg/mL后，吸附率迅速下降。這是因為當上樣液的單寧濃度增加時，單寧分子增多，這有助于單寧分子擴散到樹脂中，達到吸附率上升的效果；但當濃度達到一定程度時，超過了樹脂吸附能力，從而使得吸附率降低。所以，上樣液單寧濃度選擇1.20 mg/mL為宜。

圖2 單寧濃度對HP-20型樹脂吸附率的影響Fig.2 Effect of tannins concentration onadsorption ratio of HP-20 resins

2.4 乙醇濃度對解吸的影響

由圖3可知，當洗脫液的乙醇濃度為40%～70%時，解吸率隨乙醇濃度的增大而升高；乙醇濃度為70%時，解吸率達到最高，為91.3%；乙醇濃度>70%時，解吸率有降低趨勢。綜合考慮，選擇70%乙醇溶液作為洗脫液。

圖3 乙醇濃度對HP-20型樹脂解吸率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on desorptionratio of HP-20 resins

2.5 流速對吸附及解吸的影響

由圖4可知，上樣流速越快，吸附率越低。當上樣流速為0.5～1.0 BV/h時，吸附率均較高；當上樣流速>1.0 BV/h時，吸附率急劇下降。因此，選擇 1 BV/h作為上樣流速。當洗脫液流速<1.5 BV/h時，解吸率均在90%以上，且變化不大；當洗脫液流速>1.5 BV/h時，解吸率迅速下降。綜合考慮，選擇1.5 BV/h作為洗脫液流速。

圖4 流速對HP-20型樹脂吸附及解吸率的影響Fig.4 Adsorption and desorption ratios ofHP-20 resin at different flow rates

2.6 泄露及洗脫曲線的繪制

由圖5可知，在泄露曲線中，當上樣量為4 BV時，流出液的單寧濃度為0.12 mg/mL，是上樣濃度的1/10，表明此時達到了動態(tài)吸附平衡。從洗脫曲線中可知，單寧主要集中在0～2 BV的流出液，3 BV洗脫液就可以將樹脂洗脫完畢。因此，上樣量確定為4 BV，洗脫液用量確定為3 BV。

圖5 HP-20型樹脂泄露及洗脫曲線Fig.5 Leakage and elution curves of HP-20 resin

2.7 驗證實驗

稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm)，加入4 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速進行吸附。吸附平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子，用3 BV 70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h 進行洗脫。收集洗脫液，濃縮干燥，測定單寧含量。重復3次，取平均值，結果見表2。

表2 驗證實驗結果(n=3)Table 2 Results of verification tests

由表2可知，杏仁皮單寧純度從純化前的9.97%提高到了32.58%，表明該工藝純化效果良好。

3 結論

本研究比較了5種大孔吸附樹脂對杏仁皮單寧的吸附解吸性能，考察了上樣濃度、上樣流速、上樣量、乙醇濃度、洗脫液用量、洗脫流速等因素對純化效果的影響。結果顯示HP-20型樹脂分離純化效果最好，且最佳上樣液單寧濃度為1.20 mg/mL、上樣流速為1 BV/h、上樣量為4 BV、洗脫液為70%乙醇溶液、洗脫液用量為3 BV、洗脫流速為1.5 BV/h。在此條件下，杏仁皮單寧純度由9.97%提高到32.58%。本研究首次從杏仁皮分離純化得到單寧，純化工藝穩(wěn)定可靠，為后續(xù)有效利用杏仁皮單寧提供理論基礎。