大孔树脂对紫玉米花青素的静态吸附与解吸特性研究.pdf

Science and Technology of Food Industry 研究与探讨 2012年第1期 大孔树脂对紫玉米花青素的静态吸附与解吸 特 性 研 究 紫玉米 （Purple corn ） 原产南美山区， 被原属印加 帝国范围内的居民作为粮食食用，其大小与普通玉 米相同， 但其种子呈紫黑色， 有的植株和叶片也带有 紫色1。 紫玉米色素属于花青素类物质， 研究表明2-4， 花青素不仅是良好的天然着色剂，而且还具有抗氧 化、 抗突变、 预防心脑血管疾病等功能， 在食品、 药 品、 化妆品等领域有着广阔的应用前景。 然而由于紫 玉米花青素粗提液中含有糖类、 蛋白质等杂质， 会影 响花青素的品质和稳定性，因此必须对紫玉米花青 素粗提液提纯后才能应用于工业化生产。大孔吸附 树脂是一类新型非离子型高分子化合物，具有物理 化学稳定性高、 吸附选择性好、 富集效果强、 再生简 便、使用周期长等优点，近年来逐渐被应用于花青 素、 类黄酮及酚类物质的分离纯化研究中5。 目前， 已 有大量研究利用大孔树脂对葡萄皮色素6-7、 萝卜色 素8、 蜀葵花色素9和紫甘薯色素10-11等进行纯化， 并 取得了一些成果。本文就大孔树脂对紫玉米花青素 的吸附和解吸性能、吸附动力学曲线和吸附等温曲 线进行了研究，探讨不同树脂分离纯化紫玉米花青 素的方法和条件，旨在为紫玉米花青素纯化工艺的 建立和优化提供依据。 1材料与方法 1.1材料与仪器 紫玉米组合SZ15沈阳农业大学特种玉米研究 所选育， 将风干的紫玉米穗轴用粉碎机粉碎， 过100 目筛， 避光保存备用； 大孔吸附树脂AB-8型、 X-5 朱敏，史振声，李凤海，王志斌 （沈阳农业大学特种玉米研究所，辽宁沈阳110866） 摘要：为了筛选出对紫玉米花青素粗提液纯化性能好的树脂，采用AB-8型、X-5型、D101型和NKA-9型4种大孔树 脂对紫玉米花青素进行静态吸附和解吸实验，研究了大孔树脂对紫玉米花青素的静态吸附动力学曲线，以Langmuir 单层吸附方程制定吸附等温曲线，并研究了不同pH条件下对大孔吸附树脂吸附的影响及不同树脂的解吸特性。 结果 表明：X-5树脂吸附平衡速率常数最大，达到饱和吸附量所用时间最短，经Langmuir单层吸附回归方程预测出X-5树 脂静态吸附时最大吸附量可达到53.1915mg/g。 在pH=4时，饱和吸附量最大。 因而X-5可用做纯化紫玉米花青素较为 合适的吸附剂，解吸时宜选用40%乙醇做为洗脱液。 关键词：紫玉米花青素，大孔树脂，吸附，解吸 Study on the purification characteristics of macroporous resins to purple corn anthocyanins ZHU Min，SHI Zhen-sheng，LI Feng-hai，WANG Zhi-bin （Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China ） Abstract： In order to screen the optimum macroporous resins and conditions for the purification of anthocyanins from purple corn，the static adsorption and desorption of four kinds of macroporous resins（AB-8，X-5，D10 1 and NKA-9）were investigated. The static adsorption dynamic processes of resins were studied. The isothermal curves of resins were analyzed by Langmuir equation. The characteristics of adsorption in different pH and desorption characteristics were also studied. The result indicated that X-5 type macroporous resin was the suitable resin for purifying purple corn anthocyanins. The K of X-5 resin was the highest and the time of saturation was the shortest. The X-5 adsorption amount was 53.1915mg/g under saturation adsorption which predicted by Langmuir equation. The saturation adsorption of X-5 was the highest when the pH=4. The result of desorption experiment showed that 40% ethanol solution was the optimum solution for desorbing purple corn anthocyanins. Key words： purple corn anthocyanins； macroporous resins； adsorption； desorption 中图分类号：TS210.1文献标识码：A文 章 编 号：1002-0306（2012）01-0152-04 收稿日期：20100630 作者简介：朱敏（1982-），女，在读博士，研究方向：紫玉米花青素分离 纯化研究。 152 研究与探讨 Vol.33,No.01,2012 2012年第1期 型、 D101型和NKA-9型， 树脂性能见表1； 乙醇、 盐酸 分析纯。 电动粉碎机、 电子天平北京赛多利斯仪器系统 有限公司； PH-3C型精密酸度计上海雷磁仪器厂； 721型可见分光光度计上海奥诺勒仪器有限公司； 数显电热恒温水浴锅北京市光明医疗仪器厂； SHB-真空循环水势多用泵郑州长城科工贸有 限公司； LGR16-W台式高速冷冻离心机北京京立 离心机有限公司； WD-9405B型水平摇床北京市六 一仪器厂沃德生物医学仪器公司。 1.2实验方法 1.2.1紫玉米色素提取方法紫玉米穗轴粉提取剂 提取（无水乙醇+20%盐酸）过滤真空浓缩，得色素浓缩 液， 以pH=3的缓冲液 （柠檬酸-磷酸氢二钠 ） 稀释， 用 于静态吸附及解吸特性研究。 1.2.2紫玉米色素标准曲线制作准确称取干燥至 恒重的紫玉米色素0.05g，用pH=3的柠檬酸-磷酸氢 二钠缓冲液定容至25mL，得到浓度为2.0mg/mL的色 素液， 取1、 2、 3、 4、 5、 6mL该色素液于25mL容量瓶中， 加pH3的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液稀释至刻度， 以 蒸馏水为空白于526nm处测定吸光度，以y表示色素 液浓度 （mg/mL ） ， x表示色素液吸光度， 绘制标准曲线。 1.2.3静态吸附及解吸指标 Qra（% ） = （A0-A1） /A0100%； Qa= （C0-Cr） Va/W； Qd=CdVd/W； Qrd（% ） = （Qd/Qa） 100%； 其中： Qra吸附率 （% ） ， Qa吸附量 （mg/g ） ， C0 溶液初始浓度 （mg/mL ） ， Cr吸附平衡后的溶液浓度 （mg/mL ） ， Va色素溶液体积 （mL ） ， W树脂质量 （g ） ， Qd解吸量 （mg/g ） ， Cd解吸液浓度 （mg/mL ） ， Vd解 吸液体积 （mL ） ， Qrd解吸率 （% ） 。 1.2.4各种树脂静态吸附率比较将表1中各大孔 吸附树脂预处理后， 去除表面水分， 准确称取大孔树 脂1.00g， 置于100mL三角瓶中， 加入1.26mg/mL的色 素溶液30mL，将三角瓶放置于水平摇床上振荡， 振 荡速度为100r/min。每隔1h吸取上清液于526nm处测 吸光度A， 以蒸馏水为空白， 绘制各种树脂24h内吸附 曲线， 以吸附率比较各种树脂的吸附性能。 1.2.5大孔吸附树脂吸附动力学研究准确称取表 1中各种预处理后的湿树脂1g于100mL三角瓶，加入 1.26mg/mL的色素溶液30mL，放置于水平摇床上振 荡， 振荡速度为100r/min。 连续测定前5h及24h的吸附 量， 根据吸附量与时间的关系， 以Langmuir方程计算 四种树脂的吸附速率常数K。 该方程基于均一表面单 层吸附假设， 其一般形式为： lnQe/ln （Qe-Qt） =Kt， 其中， Qe-吸附平衡后树脂的吸附量 （mg/g ） ； Qt-t时刻树脂的 吸附量 （mg/g ） 。 1.2.6色素液浓度对树脂吸附的影响称取表1中 各种预处理后的湿树脂2g于100mL三角瓶， 分别加入 5种不同浓度的紫玉米色素20mL，放置于水平摇床 上振荡吸附24h， 振荡速度为100r/min。 根据静态吸附 平衡后测定的平衡浓度以及计算出的平衡吸附量绘 制树脂的等温吸附曲线，观测随着色素液浓度增加 树脂饱和吸附量的变化。 1.2.7pH对大孔吸附树脂吸附的影响分别用pH 为1、 2、 3、 4、 5、 6的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液稀释色 素浓缩液，准确称取表1中各种树脂湿重1g于100mL 三角瓶，分别加入不同pH由柠檬酸-磷酸氢二钠缓 冲液稀释的色素液各20mL， 放置于水平摇床上振荡 吸附24h， 振荡速度为100r/min， 计算吸附率。 1.2.8各种树脂静态解吸率比较将已吸附饱和的 4种树脂AB-8型、 X-5型、 D101型和NKA-9型， 各称取 2g于100mL三角瓶，依次用蒸馏水、 20%、 40%、 60%、 80%、 100%乙醇 （含0.05%盐酸 ） 梯度洗脱 （各25mL ） 。 每次洗脱振荡30min （100r/min ） 。 过滤， 以蒸馏水作空 白， 在526nm处测滤液吸光度， A总为梯度洗脱滤液吸 光度累加， 以参数 （ A总/吸附率Qra） 表示各树脂解吸效果。 1.2.9pH对紫玉米色素解析率的影响分别用pH 为1、 2、 3、 4、 5、 6的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液稀释色 素浓缩液， 准确称取6份上述实验筛选出的最佳吸附 树脂湿重2g于100mL三角瓶，分别加入不同pH的色 素浓缩液各25mL， 放置于水平摇床上振荡吸附24h， 振荡速度为100r/min， 吸附饱和后， 用上述实验筛选 出的最佳洗脱剂洗脱，计算不同pH对紫玉米色素的 解析率。 2结果与分析 2.1紫玉米色素标准曲线 紫玉米色素标准曲线见图1， 回归方程为： y=2.6468x+ 0.0211， R2=0.9989。 2.2各种树脂静态吸附率比较 由图2可以看出， 随着时间的推移， 各树脂吸附 率逐渐增大然后趋于平稳，前1h内吸附速度增加较 快， 之后吸附速度增加逐渐变小， 5h后吸附速度逐渐 趋于缓慢至吸附平衡。X-5与AB-8两种树脂表现出 对紫玉米色素较好的吸附性能， X-5树脂的吸附率 （5h ） 分别是AB-8、 D101和NKA-9树脂的1.03、 1.06、 1.02 表1大孔吸附树脂的理化性质 Table 1Physical properties of four kinds of macro porous resins 大孔树脂 粒径范围 （mm ） 极性 比表面积 （m2/g ） 生产厂家 D-1010.31.25非极性500600天津农药厂 NKA-90.31.25极性250290南开大学化工厂 X-50.31.25非极性500600南开大学化工厂 AB-80.31.25弱极性480520南开大学化工厂 图1紫玉米色素标准曲线 Fig.1Standard curve of purple corn anthocyanins 吸光度A 00.10.20.30.40.50.60.70.8 2.5 2 1.5 1 0.5 0 色素含量 （mg/mL ） 153 Science and Technology of Food Industry 研究与探讨 2012年第1期 倍。当达到吸附平衡时， AB-8、 D101、 NKA-9与X-5 树脂的静态吸附率分别为99.36%、 99.14%、 97.86%和 95.72%。 2.3不同树脂的吸附速率常数的比较 不同树脂的吸附速率常数K见表2。树脂吸附速 率常数K值越大， 说明树脂达到吸附平衡所需要的时 间越短。与AB-8、 D101和NKA-9相比， X-5树脂有较 大的吸附速率常数， 因此， 可以初步判定， X-5树脂对 紫玉米色素表现出优良的选择吸附性。 2.4色素液浓度对树脂吸附的影响 由于不同树脂的理化性质， 如孔径、 极性、 比表 面积的不同，可能会对不同浓度的色素液产生不同 的吸附效果。 由以上实验可以得出， 在一定色素浓度 下， AB-8、 X-5、 D101和NKA-9这四种树脂对紫玉米 色素均表现出较好的吸附性能。为进一步筛选不同 树脂对色素液吸附适宜的浓度范围，本实验绘制了 等温吸附曲线， 见图3。 在所设定的浓度范围内， 随着 色素液浓度的增加， AB-8、 NKA-9和X-5树脂的饱和 吸附量上升最明显，其中X-5树脂的饱和吸附量最 大， 而D-101上升幅度则比较平缓。 树脂吸附等温曲线可用Langmuir单层吸附方程 表示： Ce/Qe=Ce/Qmax+1/aQmax 式中： Qmax树脂的最大吸附量， mg/g； Qe树脂 在一定色素浓度下的平衡吸附量， mg/g； Ce色素液 吸附平衡后浓度， g/mL； a常数。 X-5树脂对紫玉米色素静态吸附的回归Langmuir 方程曲线见图4，由此可以计算得到X-5树脂的最大 吸附量 （见表3 ） 。Langmuir方程能很好地描述X-5树 脂对紫玉米色素的静态吸附。 2.5pH对紫玉米色素静态吸附率的影响 不同紫玉米色素液pH对树脂吸附性能的影响见 图5。各种树脂均表现为pH在34时， 对紫玉米色素 有较好的吸附效果， 随着色素液pH的增大， 吸附率逐 渐下降。其中X-5树脂在pH=4时吸附率最高可达 89.63%。一般来说， 色素在酸性介质下稳定性较强， 因此，应该选择在色素液pH为34的条件下进行吸 附才能达到较好的吸附效果。 2.6各种树脂解吸性能比较 由表4可以看出， AB-8、 D101、 X-5和NKA-9四种 树脂的梯度洗脱性能，从总的解吸性能来看， X-5 AB-8D101NKA-9； 从解吸液乙醇浓度来看， AB-8、 D101、 NKA-9和X-5树脂的洗脱峰均集中在40%乙醇 浓度处， 且X-5树脂在用40%乙醇洗脱时， 洗脱液的 浓度最大， 洗脱效果最好， 这样可以避免在用低浓度 乙醇洗脱时一些糖类、 蛋白质等物质的残留， 从而进 一步提高色素的纯度。 因此， 综合来看， X-5树脂可以 作为紫玉米色素的纯化树脂。 2.7X-5树脂对不同pH紫玉米色素解析率的影响 一般来说， 色素在酸性介质下比较稳定。 根据上 述实验筛选出40%乙醇对X-5树脂的解吸效果最好， 图6为X-5树脂对不同pH紫玉米色素液解吸性能的 影响。由图6可知， 40%乙醇对pH=3的紫玉米色素液 图2各种树脂静态吸附率比较 Fig.2Comparison of static adsorption rates of different macroporous resins 时间 （h ） 12345624 100 90 80 70 60 50 40 静态吸附率 （% ） D-101 NKA-9 X-5 AB-8 表2各种树脂的吸附速率常数 Table 2The K of different macroporous resins 大孔树脂KR2 D-1010.58640.9806 NKA-90.76770.9046 X-51.12340.9953 AB-80.76480.9506 图3不同树脂吸附等温曲线 Fig.3The adsorption isothermal curves of different macroporous resins 平衡浓度 （mg/mL ） 02004006008001000 50 40 30 20 10 0 平衡吸附量 （mg/g ） AB-8 D-101 X-5 NKA-9 图4X-5树脂对紫玉米色素静态吸附线性回归 Fig.4The static adsorption curve of X-5 resin 平衡浓度 （g/mL ） 50150250350450550 14 12 10 8 6 4 2 0 Ce/Qe（g/mL ） y=0.0188x+2.7371 R2=0.9554 表3X-5树脂吸附的Langmuir方程参数 Table 3Langmuir equation parameters of X-5 resin 树脂Qmax（mg/g ）aR2 X-553.19156.868610-30.9554 图5pH对树脂静态吸附率的影响 Fig.5Effect of pH on static adsorption rates of different macroporous resins pH 123456 100 90 80 70 60 静态吸附率 （% ） AB-8X-5D-101NKA-9 154 研究与探讨 Vol.33,No.01,2012 2012年第1期 carcinoma from three different endemic geographic regions of India J. Cancer Letters，2005，218：69-79. 7 Hsing-Yi Chang，Chii-Jun Chiou，Ming-Chu Lin，et al. A population study of the self-care behaviors and their associated factors of diabetes in Taiwan：results from the 2001 National Health Interview Survey in TaiwanJ. Preventive Medicine，2005， 40：34-348. 8晏小霞，王祝年，王建荣.海南槟榔产业发展现状分析J.中 国热带农业，2006（3）：12-13. 9张海德，黄玉林，韩林.槟榔油的分离及GC-MS分析J.食 品科学，2009，30（22）：298-300. 10林兴理，何和明，周建强.海南岛不同生态型槟榔主要营养 成分含量变化的分析J.中国野生植物资源，1994，17（2）：9-11. 11 Ontengco D C，Talaue M，Cruz L J，et al. MICs Minimum inhibitory concentration of betel oilagainst common clinical pathogensJ. Acta Manilana，1999，47：118-121. 12余焕玲，毕研霞，肖荣，等.谷固醇对高脂饲料喂养小鼠空 间学习记忆能力的影响J.首都医科大学学报，2008，29（6）： 724-727. 表4各种树脂解吸性能比较 Table 4Comparison of desorption properties of different macroporous resins 树脂类型 乙醇浓度 （% ） A总QraA总/Qra 020406080100 AB-80.0670.4170.6250.1550.0400.0281.33288.55%1.504 D-1010.0700.4770.5070.1020.0280.0211.20482.83%1.454 X-50.0700.3600.6780.1820.0410.0251.35589.01%1.522 NKA-90.0620.4060.6360.1100.0410.0261.28088.65%1.444 解吸效果最好， 解吸率为43.23%， 而随着pH的升高， 解吸率有所下降。 前面已研究表明， 紫玉米色素液在 pH=34的条件下吸附率最高， 因此在精制纯化紫玉 米色素时， 应选用pH=34的色素液为宜。 3结论与讨论 3.1X-5树脂在纯化紫玉米色素中表现出良好的选 择吸附性及解吸性，综合表现优于AB-8、 D101和 NKA-9三种树脂。各树脂的吸附率 （5h） ， X-5为 94.23%、 AB-8为91.87%、 D101为88.88%、 NKA-9为 92.30%。且X-5树脂具有较高的吸附速率常数， 能更 快达到吸附平衡。 国内文献已有研究利用X-5树脂吸 附和分离纯化甘蓝红色素， 结果表明在pH=3.5时， X-5 树脂吸附甘蓝红色素的能力较强，同时用无水乙醇 作为洗脱液效果最佳。本实验研究结果与之基本一 致， 因此， 本文研究结果对X-5树脂纯化紫玉米色素 的工业化生产具有一定意义。 3.2随着色素液浓度的增加， X-5树脂的平衡吸附 量逐渐增多， 适合较高浓度色素液的吸附， 达到饱和 吸附量所用时间短， 且吸附量大， 从实验成本考虑， X-5为最佳紫玉米吸附树脂， 并预测出X-5树脂静态 吸附时最大吸附量可达到53.1915mg/g。 3.3在紫玉米色素液浓度一定时， X-5树脂在色素 液pH=4时，其饱和吸附量可达到52.03mg/g湿树脂， 比其它三种树脂饱和吸附量要大， 吸附条件温和， 具 有良好的工业应用前景。 3.4X-5树脂用于纯化紫玉米色素时， 40%乙醇可 作为最佳解吸剂。 3.540%乙醇对pH=3的紫玉米色素液解吸效果最好。 参考文献 1 Hiromitsu Aoki，Noriko Kuze，Yoshia