活性炭_凹土吸附剂香菇多糖提取液脱色研究.pdfVIP

活性炭/凹土吸附剂香菇多糖提取液脱色研究 杨 勇， 钱运华， 贾建波(淮阴工学院生命科学与化学工程学院， 江苏省凹土资源利用重点实验室， 江苏淮安 223003) 摘要 目的 制备活性炭/凹凸棒石粘土吸附剂， 筛选脱色剂， 优化脱色工艺。 方法 将活性炭添加到经过有机酸改性的凹土中， 高温 焙烧后制备出活性炭/凹土脱色剂， SEM 和 BET 表征后用于香菇多糖提取液脱色。通过单因素试验研究了吸附剂用量、 脱色时间、 脱色 温度和溶液 pH 对脱色效果的影响。以脱色率和多糖损失率为指标， 对脱色工艺条件进行初步优化。 结果 单因素试验确定的最佳脱 色工艺条件为: 脱色剂用量2 wt%， 香菇多糖提取液 pH 为60， 脱色时间90 min， 脱色温度50 。在此最佳工艺条件下， 采用活性炭/凹 土脱色剂对香菇多糖提取液脱色， 脱色率为868%， 多糖损失率为123%。 结论 与活性炭、 纯凹土和凹土壳聚糖复合树脂相比， 该吸 附剂对香菇多糖脱色率最高、 多糖损失率最低。 关键词香菇多糖;脱色;凹凸棒石粘土;活性炭;吸附剂 中图分类号X71文献标识码A文章编号0517 6611( 2011) 35 21959 03 Study on Decoloration of Lentinan Extract with Adsorbent Made by Activated Carbon Loaded on Palygorskite YANG Yong et al( School of Life Science and Chemical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Key Laboratory for Palygorskite Sci- ence and Applied Technology of Jiangsu Province，Huaian，Jiangsu 223003 ) Abstract ObjectiveThe study aimed to prepare the adsorbent by the activated carbon loaded on palygorskite，screen the decoloration agent and optimize the decoloration process Method The activated carbon was added to the palygorskite that had modification with the organic acid The adsorbent by the activated carbon loaded on palygorskite was prepared out after roasting at the high temperature， after SEM and BET charac- terization the adsorbent was used to decolor the lentinan extract The effects of the adsorptant dosage， decolorizing time， temperature and pH val- ue on the decoloring performance were investigated through the single factor experiments With the decolored rate and the loss rate of letinan as the indexes，the decoloring technology conditions were optimized preli minarily ResultThe optimum decoloring technology conditions deter mined by the single factor experiments were as follows:the decolorant dosage of 2 wt%，the lentinan extract pH value of 60，the decoloration time of 90 min and the decoloration temperature of 50 Under this optimum conditions， when the decoloration agent of activated carbon loaded on palygorskite was used to decolor the lentinan extract，the decoloration rate was 86 8% and the letinan loss rate was 12 3% Conclusion Compared with the activated carbon， the pure concave soil and the composite resin of concave soil and chitosan， the adsorbent had highest lentin- an extract and lowest letinan loss rate Key wordsLentinan;Decoloration;Palygorskite;Activated carbon;Adsorbent 作者简介杨勇( 1974 ) ， 男， 江西九江人， 讲师， 博士， 从事绿色化学 及生物化工研究。 收稿日期2011- 09- 13 脱色是香菇多糖的分离纯化、 定量、 定性分析及结构测 定过程中至关重要的一个环节 1 。植物多糖常用的脱色方 法包括活性炭法、 H2O2法和离子交换树脂法2 。活性炭作 为吸附剂， 具有无毒、 无臭和脱色效果好等特点， 并可再生使 用， 成本低， 适于工业大规模生产。但该法具有两个明显的 缺点: 一是脱色后溶液中的活性炭残渣难以完全除去; 二是 活性炭对多糖类物质亦存在吸附作用， 在脱色的同时也造成 多糖的损失率较大， 最多时损失率可达 50%3 。而 H2O2具 有氧化性， 有可能破坏多糖的生物活性 4 。离子交换树脂脱 色工业应用较广， 但该法只适用于黏度小、 色素含量低和处 理量小的料液， 否则容易造成树脂污染， 且树脂成本较高， 脱 色操作周期较长 5 。 凹土棒石黏土( 以下简称凹土) 是一种黏性较强、 具有独 特的层链状分子结构和多孔的晶体形态的含水富镁铝硅酸 盐矿物， 其中的 Mg2 +、 Al3 +等金属离子， 能够与其他离子进行 交换; 同时， 其固有的原子结构和活化产生的表面电荷不平 衡形成了吸附中心， 使得凹土具有良好的吸附性能， 可通过 酸处理、 中温处理、 表面基团衍生化等改性方法， 控制凹土的 比表面积、 离子交换容量和孔道内径等因素， 从而改变凹土 的吸附属性 6 。目前， 凹土主要用于矿物油、 植物油、 动物 油、 石蜡、 脂肪酸、 有机化学品及糖类的脱色精制 7 ， 改性凹 土应用于中药多糖脱色研究尚未见报道。因此， 笔者将活性 炭添加到经过有机酸改性的凹土中， 高温焙烧后制备出活性 炭/凹土脱色剂， 应用于香菇多糖提取液脱色， 以脱色率和多 糖损失率为指标， 对脱色工艺条件进行初步优化， 以期为相 关研究提供参考。 1材料与方法 11材料 111试验试剂。凹土由淮阴工学院江苏省凹土资源利用 重点实验室提供; 香菇， 市购; 苯酚购自天津市科密欧化学试 剂开发中心; 冰醋酸购自上海申翔化学试剂有限公司; 葡萄 糖购自天津市凯通化学试剂有限公司; 活性炭由沈阳市东兴 试剂厂生产。 112主要仪器。721W 数显型分光光度计( 上海光学仪器 五厂) ; BET 测定仪( 美国Micromeritics 公司) ; WS2- 133- 74 型 恒温水浴锅( 广东汕头医疗器械二厂) ; 电热鼓风干燥箱( 上 海益恒试验仪器有限公司) ; THZ- C 台式恒温振荡器( 江苏太 仓市华美生化仪器厂) 。 12方法 121香菇多糖提取液的制备。香菇破碎后蒸煮、 过滤， 收 集的滤液再经醇沉、 离心和过滤， 浓缩收集到的滤液， 采用 Sevage 法去蛋白， 静置， 离心过滤， 收集滤液即得香菇多糖提 取液， 放置于 4 冰箱待用。 122分析方法。多糖含量测定: 采用苯酚硫酸法 8 。按 下式进行多糖损失率的计算。 多糖损失率( %)=( A492脱色前A420脱色后)100/A492脱色前 色素测定及脱色率计算: 调节待测多糖溶液至中性， 离 心过滤， 然后测定 420 nm 处的吸光度。按下式计算脱色率。 脱色率( %)=( A420脱色前A420脱色后)100/A420脱色前 123凹土基脱色剂的制备和表征。壳聚糖/凹土复合树 安徽农业科学， Journal of Anhui Agri Sci 2011， 39( 35) : 21959 21961， 21964责任编辑王淼责任校对傅真治 脂的制备按文献 9 操作步骤进行制备。活性炭/凹土脱色 剂的制备: 在粒径为45 m 的 10 g 凹土粉中添加入 3 g 活性 炭， 混合均匀后再搅拌加入一定质量的冰醋酸， 挤条成型， 置 于150 电热鼓风干燥箱中烘干 2 h， 干燥物在 N2保护下于 马弗炉内300 500 焙烧1 3 h， 制得活性炭/凹土脱色剂。 SEM 表征: 将活性炭/凹土脱色剂进行喷金制样处理后， 在 20 kV 加速电压下， 以 SEM 观察脱色剂的整体形态、 表面状 态及其内部结构。BET 表征: 采用美国 Micromiritcs 公司生 产的 ASAP3020 型比表面仪进行测定， 以 N2为吸附质， 在液 氮温度下进行吸附， 测定活性炭/凹土基脱色剂的比表面积 以及孔径分布。 124脱色剂的筛选。在脱色剂用量 2wt%， 脱色时间 90 min， 脱色温度 50 和 pH 为6 的条件下， 以纯凹土、 活性炭、 壳聚糖/凹土复合树脂、 活性炭/凹土脱色剂 4 种脱色剂分别 对香菇多糖提取液脱色。 125脱色工艺条件优化。采用单因素试验， 将活性炭/凹 土脱色剂加入到香菇多糖提取液中， 在恒温摇床振荡吸附进 行脱色试验， 考查脱色剂用量、 脱色时间、 脱色温度和多糖溶 液 pH 值对脱色率的影响。在单因素试验的结果上， 进行 3 次平行试验， 取平均值， 确定最佳脱色条件下的脱色率和多 糖损失率。 2结果与分析 21凹土基脱色剂筛选由表 1 可知， 活性炭脱色剂脱色 率高， 但多糖损失率也最高。而活性炭/凹土脱色剂脱色效 果和活性炭接近， 且多糖损失率大大降低。因此， 所以选择 活性炭/凹土脱色剂为最佳脱色剂。 表1 4 种吸附剂对多糖提取液脱色的性能 Table 1Performance of four adsorbents in decoloration of lentinan extract% 吸附剂 Adsorbents 脱色率 Decoloriz- ation rate 多糖损失率 Loss rate of lentinan 活性炭 Activated carbon893277 凹土壳聚糖复合树脂 Polygorskite chitosan composite resin 735222 纯凹土 Pure polygorskite610175 活性炭/凹土 Activated carbon/polygorskite 872126 22活性炭/凹土脱色剂表征结果 221SEM 表征。由图1a 可见， 纯凹土本身是单晶紧密平 行排列， 成为晶束， 晶束又相互聚集形成微米级别的凹土颗 粒， 其表面不含有丰富的孔隙。而由图 1b 可见， 活性炭/凹 土脱色剂复合脱色剂表面有大量的孔， 其原因是酸处理后， 分布于凹土通道中的杂质被去除， 凹土孔道得到疏通， 孔容 积得到增大， 并削弱了原来层间的键力， 层状晶格裂开， 孔道 被疏通， 吸附性能得到提高。 222BET 表征。由图 2 可见， 活性炭/凹土脱色剂的孔径 分布主要是 25 40 nm 的介孔。 注: a 纯凹土; b 活性炭/凹土基脱色剂。 Note: a Pure polygorskite;b Activated carbon/ decolorizer of palygorskite base 图1 SEM 表征结果 Fig1SEM characterization 图2活性炭/凹土脱色剂孔径分布 Fig 2Distribution of pore diameter of activated carbon/paly- gorskite decolorizer 23活性炭/凹土基脱色剂脱色工艺条件优化 231脱色剂用量对吸附效果的影响。在脱色温度 40 、 pH 为 4 和脱色时间 120 min 条件下， 分别加入 1wt%、 2wt%、 3wt%、 4wt%和 5wt%的脱色剂进行脱色试验， 研究脱色剂用 量对脱色率和多糖损失率的影响。由图 3 可知， 脱色率和多 糖损失率都随着脱色剂用量的增大而提高， 当脱色剂用量为 2wt%时， 脱色率为 86%， 多糖损失率为 233%。当脱色剂用 量继续增加到5wt%时， 脱色率变化不大为87%， 而多糖损失 率则增加到 35 1%， 因此， 活性炭/凹土脱色剂的用量以 2wt%为宜。 232脱色时间对吸附效果的影响。在活性炭/凹土脱色 剂用量 2wt%、 脱色温度 40 、 pH 为4 条件下， 分别进行脱 06912安徽农业科学2011 年 图3脱色剂用量对脱色率和多糖损失率的影响 Fig 3Effect of decolorizer dosage on the rates of decoloration and polysaccharide loss 色时间为40、 60、 80、 90、 100 和120 min 的脱色试验， 研究脱色 时间对脱色率和多糖损失率的影响。由图 4 可知， 当脱色时 间小于 90 min 时， 随着脱色时间的延长， 脱色率和多糖损失 率都迅速上升。脱色时间为90 min 时， 脱色率为867%。但 当脱色时间大于90 min 后， 脱色率随着时间的延长增加并不 明显， 色素吸附和多糖吸附都趋于平衡。因此， 脱色时间以 90 min 为宜。 图4脱色时间对脱色率和多糖损失率的影响 Fig4Effect of time on the rates of decoloration and polysac- charide loss 233脱色温度对吸附效果的影响。在活性炭/凹土脱色 剂用量2wt%、 脱色时间 90 min、 pH 为 4 条件下， 分别进行脱 色温度为 20、 30、 40、 50、 60 和 70 的脱色试验， 研究脱色时 间对脱色率和多糖损失率的影响。由图 5 可知， 脱色率随着 温度的升高先升高后降低。脱色温度为 50 时， 脱色率最 高值为 845%。其原因可能是低温区域， 色素在溶液中的扩 散速度是决定脱色率的主要因素， 温度上升， 多糖溶液黏度 下降， 有利于色素在溶液中的扩散， 使脱色吸附更加容易进 行; 在高温区域， 吸附平衡的移动成为影响脱色率的主要因 素， 吸附为放热过程， 温度升高， 不利于脱色; 多糖的吸附主 要受温度影响， 温度上升， 吸附减弱， 多糖损失率不断下降。 多糖损失率则随脱色温度的上升而不断下降。因此， 脱色温 度为 50 。 234pH 对脱色率的影响。在活性炭/凹土脱色剂用量 2wt%、 脱色时间 90 min、 脱色温度 40 条件下， 选取 pH 为 2、 3、 4、 5、 6、 7 和8 分别进行香菇多糖提取液的脱色试验， 研 究 pH 对脱色率和多糖损失率的影响。由图 6 可见， pH 变化 对多糖损失率影响不大。当 pH 6 时， 脱色率随着 pH 的升 高而升高; 当 pH 6 时， 脱色率随着 pH 的升高逐渐减小。 其原因可能为香菇多糖提取液中的色素多为多酚化合物 5 ， 在酸性条件下， 色素的游离分子较少， 被质子化的分子较多， 不容易形成氢键， 所以吸附量较低; 随着 pH 的增加， 多酚苯 环上的羟基容易解离成负离子， 与吸附剂表面的金属阳离子 活性位产生静电作用， 从而加快了吸附速率; 另一方面， 溶液 中 pH 还影响着吸附剂表面的活化基团， pH 过大， 吸附剂表 面的金属离子活性位减少， 与色素的静电作用力减弱， 使脱 色率下降。因此， 脱色最佳 pH 为 6。 图5脱色温度对脱色率和多糖损失率的影响 Fig5Effect of temperature on the rates of decoloration and polysaccharide loss 图6 pH 对脱色率和多糖损失率的影响 Fig6Effect of pH on the rates of decoloration and polysaccha- ride loss 235最佳工艺条件下脱色试验。根据单因素试验的结 果， 在最优工艺条件下即活性炭/凹土脱色剂用量 2wt%、 脱 色时间 90 min、 pH 为6 和脱色温度 50 条件下进行 3 次平 行脱色试验， 结果见表 2。 表2最佳脱色条件下的脱色率和多糖损失率 Table 2Rates of decoloration and polysaccharide loss under the opti- mum condition% 试验 Test 脱色率 Decoloration rate 多糖损失率 Loss rate of polysaccharide 1863128 2869115 3872126 平均值868123 Average value 3结论 ( 1) 制备了活性炭/凹土吸附剂， 并进行了 SEM 和 BET ( 下转第 21964 页) 1691239 卷35 期杨 勇等活性炭/凹土吸附剂香菇多糖提取液脱色研究 元， 分别代表大港桥灌区待选择 4 种节水灌溉技术。模糊神 经网络各层的权值计算时初始值为 1， 为获得较精确的效果， 迭代的终止条件为( ydi yi) 0 01( ydi为期望输出; yi为实 际输出) ， 计算误差 0001， 训练次 M800。 建立了模糊神经网络节水灌溉优选模型后， 需确定模型 中的每个参数。由于节水灌溉技术优选模型具有大系统、 多 目标、 非线性等特点， 如果采用传统的求解方法( 如 BP 算法、 模拟退火算法) ， 易陷入局部最优， 故采用遗传算法对参数进 行训练。遗产算法是一种典型的全局寻优的算法， 该算法对 目标函数要求较低， 对解决节水适宜技术优选模型问题具有 很明显的优势。具体计算步骤如下: 利用 FCM 聚类算法 对种群进行初始化， 构建染色体， 染色体长度为 29， 种群数量 为100。选择合适的适应度函数。选择算子设计。在计 算时采用最佳保留选择算子， 可保证迭代终止时得到的个体 的适应度在历代中最高。交叉算子设计。交叉运算时对 选中的个体进行两两交叉组合， 从而得到新个体。 33求解结果与分析将计算得到的参数值代入构建的模 糊神经网络中进行训练， 经过 588 次训练， 网络的训练误差 较平滑( 图 2) ， 能够达到测试要求。 将经过数据预处理后的数据作为遗传算法的输入数据， 得出各种节水灌溉技术的适宜度为: 管道灌溉 0 488、 喷灌 0351、 滴灌 0179 和渗灌 0087。从计算结果可直观地看出 各种待选节水灌溉技术的适宜程度数值越大， 代表该技术综 合来讲越适合大港桥灌区的社会经济现状， 也表明该节水灌 溉技术满意度越高。利用模糊神经网络对节水灌溉技术进 行优选后的结果差距明显， 可为决策者提供较好的技术 支持。 管道灌溉得分明显高出其他 3 种节水灌溉技术， 表明最 适宜大港桥灌区的节水灌溉技术为管道灌溉。根据所调查 的大港桥地区节水灌溉技术的实际使用情况， 模型优选结果 与该灌区应用的节水灌溉技术非常吻合， 因此， 该模型和方 法在区域节水灌溉适宜技术选择上具有较好的可行性和可 操作性， 可为区域的节水灌溉适宜技术选择奠定数据支持。 4结论 介绍了大港桥灌区运行过程中存在的一些问题， 对当前 应用较为广泛的节水灌溉技术进行了介绍， 然后建立了节水 灌溉适宜技术评价指标体系， 利用模糊神经网络构建了节水 灌溉技术优选的评价模型， 并将适合全局寻优的遗传算法作 为模糊神经网络中参数的学习训练算法， 提高了模型计算结 果的准确度和可信度。该方法不仅为区域节水灌溉适宜技 术选择奠定了一种新型高效的选择方法， 而且为区域节水灌 溉适宜技术选择奠定了重要的理论和方法基础， 在区域节水 灌溉适宜技术选择领域中具有很高的应用和推广价值。 参考文献 1孙仕军， 陈长卿， 邱振存 我国农业用水现状和农业节水发展方向 J 辽宁农业科学， 1999( 1) : 35 37 2卢玉邦， 郭龙珠， 郎景波 综合评价方法在节水灌溉方式选择中的应用 J 农业工程学报， 2006( 2) : 35 36 3张庆华， 白玉慧， 倪红珍 节水灌溉方式的优化选择 J 水利学报， 2002 ( 1) : 47 51 4中华人民共和国水利部 2004 年中国水资源公报 EB/OL http: / / wwwfsw aterfovcn/sltitle/chinawsd/200509140002htm 5吴景社， 康绍忠， 王景雷 节水灌溉综合效应评价指标的选取与分级研 究 J 灌溉排水学报， 2004， 23( 5) : 17 19 6雷波， 姜文来 节水农业综合效益评价研究进展 J 灌溉排水学报， 2004， 23( 3) : 65 69 7VANAGAS L， LABIB A Application of new fuzzy weighted average ( NF- WA)method to engineering design evaluation J International Journal of Production Research， 2001， 39( 6) : 1147 1162 8ARICAL D， DAN Y Adoption and abandonment of irrigation technology J Agricultural