大孔吸附树脂分离纯化紫甘薯色素的动力学分析

昝立峰， 李丹花， 殷春燕， 叶 嘉， 王 帅

(1.邯郸学院生命科学与工程学院，河北邯郸 056005； 2.河北省高校冀南太行山区野生资源植物应用研发中心，河北邯郸 056005)

紫甘薯[Ipomoeabatatas(L.) Lam]属于旋花科的草本植物，肉质为深紫红色，含有大量的花青素类色素，主要成分为矢车菊素和芍药素等色苷[1]。国家卫生部2012年第6号公告批准紫甘薯色素为食品添加剂新品种，该色素具有良好的抗氧化、抗突变、抗肿瘤、降血糖、预防心血管疾病等功效，在食品、药品、化妆品等领域有着广阔的应用前景[2]。

大孔吸附树脂已广泛用于工业化生产天然色素。紫甘薯色素经过大孔吸附树脂的纯化处理后，可以有效地除去粗提液中大多数的淀粉、还原糖、蛋白质、黏液质等杂质，使色素的有效成分高度富集从而提高色素的品质[3]。因此，筛选廉价高效的大孔吸附树脂并研究其吸附及解吸状况，对开发及生产紫甘薯色素以及其他自然色素是非常有必要的。为此本研究主要探讨了紫甘薯色素在大孔吸附树脂上吸附分离特性以及动力学方程，旨在为该法工业化推广应用提供一定的基础数据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜紫甘薯由河北省邯郸市禾下土种业有限公司提供，低温放置备用。

大孔吸附树脂DM-21购于山东鲁抗医药股份有限公司；AB-8、HPD-600购于河北沧州宝恩吸附材料科技有限公司；LX-60、LX-69、LX-3020购于陕西西安蓝晓科技新材料股份有限公司。

淀粉酶购于山东济南德美生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

TS-NS-100热回流提取浓缩机组(上海顺仪科技有限公司)；TU-1800紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；N-1100旋转蒸发仪(山东济南普纳仪器设备有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 树脂的预处理 大孔吸附树脂用95%乙醇溶液浸泡24 h后用纯水冲洗至无醇味，然后分别用2%～5%盐酸和氢氧化钠溶液浸泡3～4 h，再用纯水清洗至中性后备用。

1.3.2 色素液的制备 挑选新鲜紫甘薯切成厚度为2～3 mm 的薄片，按料液比1 g ∶5 mL迅速放入0.5%柠檬酸-磷酸水溶液中(pH值为3～4)，45 ℃提取2次，每次提取2.0 h，合并提取液。提取液经过300目板框、孔径为 0.5 μm 陶瓷膜过滤后，参考文献[4]采用0.30%α-淀粉酶和 0.05% 酸性果胶酶在50 ℃、pH值为4.0条件下酶解 2 h，得到紫甘薯色素液备用。

1.3.3 色素色价及矢车菊-3-葡萄糖苷含量的测定

1.3.3.1 色价测定 准确称取紫甘薯色素样品0.1～0.2 g，用pH值3.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液稀释至 100 mL，用1 cm比色皿以缓冲液作为空白，在(530±5) nm处测定吸光度。

1.3.3.2 矢车菊-3-葡萄糖苷含量的测定 测定分别经过pH值1.0的缓冲溶液(0.025 mol/L 氯化钾)和pH值4.5的缓冲溶液(0.4 mol/L 乙酸钠)稀释的样品在520、700 nm波长下的吸光度，以水作空白。样品制备完毕后要求在20～50 min 的时间内测定吸光度。

式中：D为(D520 nm-D700 nm)pH值1.0-(D520 nm-D700 nm)pH值4.5；MW(分子量)为矢车菊-3-葡萄糖苷的分子量 449.2 g/mol；DF为样品储备液的稀释倍数；1为光路长，cm；ε为矢车菊-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数， 269 000 L/(mol·cm)；1 000为由g换算成mg的转换系数；V为储备液的体积(50 mL)，mL；m为样品的质量，mg。

1.3.4 大孔吸附树脂静态吸附和解吸性能考察 分别取6种大孔吸附树脂2.00 g置于250 mL具塞磨口锥形瓶中，每个锥形瓶加入150 mL吸光度为D0的色素液，在25 ℃、100 r/min 恒温振荡吸附4 h，测定色素溶液上清液的吸光度D1，吸附量=D0-D1，吸附率=(D0-D1)/D0×100%。D0和D1分别为吸附液初始吸光度和吸附平衡吸光度。

将吸附平衡后对各种吸附饱和的大孔树脂进行抽滤放入250 mL锥形瓶中，加入150 mL浓度为70%的乙醇溶剂，置于25 ℃、100 r/min的振荡箱中振荡解吸7 h，测定解吸液吸光度D2，解吸量=D2，解吸率=D2/(D0-D1)×100%。

1.3.5 大孔吸附树脂吸附动力学研究 准确称取大孔吸附树脂2.00 g，置于250 mL锥形瓶中，每个瓶中加入150 mL的色素溶液，置于25 ℃气浴摇床100 r/min振荡吸附，每隔 30 min 测定1次吸光度，连续测定4 h，计算树脂对色素的吸附量与时间的关系。吸附量为=D0-Dt，吸附率=(D0-D1)/D0×100%，Dt为t时刻的吸光度。以吸附时间为横坐标、吸附率为纵坐标，制作树脂对色素的静态吸附曲线，根据Langmuir平衡方程Q/Qm=KC/(1+KC)对数据进行分析并计算出吸附速率平衡常数K，其中Q为吸附量；C为溶液浓度；Qm和K为常数。

1.3.7 大孔吸附树脂动态吸附条件测定 根据“1.3.4”节试验树脂筛选结果，以吸附率和解吸率较好的大孔吸附树脂为对象，选取吸附液pH值、解吸液乙醇浓度对大孔树脂动态吸附色素条件的影响，试验中pH值采用柠檬酸进行调节。当色素吸附饱和后，用蒸馏水冲洗干净后再用一定浓度的乙醇解吸，解吸液测定色价和含量。

1.3.8 统计分析 试验数据用“平均值±标准差”(n=3)表示，再用SPSS 20.0进行一元方差分析(one-way ANOVA)，显著水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 大孔吸附树脂的筛选

通过静态吸附率和解吸率来评价6种大孔吸附树脂对色素的吸附性能，结果如表1所示，DM-21、LX-60、LX-69、LX-3020这4种树脂的吸附率较高，分别为(96.20±1.42)%、(96.51±0.33)%、(96.26±0.39)%、(95.07±0.20)%，但解吸率差距明显，4种树脂的解吸率分别为(81.95±0.58)%、(77.60±1.08)%、(71.69±0.88)%、(80.38±0.94)%，综合考虑大孔吸附树脂的吸附率和解吸率，DM-21和LX-3020大孔吸附树脂对紫甘薯色素的分离纯化最为合适，DM-21树脂的吸附和解吸率略高于 LX-3020，因此以下试验均选择DM-21作为吸附材料。

表1 不同大孔树脂对色素的吸附量和解吸量以及对应的吸附率和解吸率

2.2 大孔树脂吸附动力学曲线

大孔吸附树脂对紫甘薯色素的吸附速率是衡量其选择性的重要指标之一。本试验采用在低浓度吸附平衡研究中应用较多的Langmuir方程来定量比较6种树脂对紫甘薯色素的吸附速率。由图1可以看出，吸附初期各树脂吸附速率较大，在2.5 h后增长均变缓，4 h后吸附过程基本趋于平衡，DM21、LX69、LX60以及LX3020这4种树脂达到平衡状态的速率快且吸附量大。根据Langmuir平衡方程得出各树脂的吸附速率平衡常数，如表2所示，DM-21树脂吸附略有优势，LX-3020、LX-60、AB-8差异不明显，HPD-600相对较差。

表2 不同大孔树脂吸附平衡速率常数

2.3 大孔树脂吸附等温曲线

采用Freundlich和Langmuir吸附方程对吸附等温线数据(表3)进行处理，并作等温曲线图(图2)，根据Freundlich吸附经验公式Q=KCen，即lnQ=nlnCe+lnK(其中Q为吸附量，Ce为平衡浓度，K和n为常数)，以lnQ对lnC作图(图3)，回归得到常数K和n，K可以评价吸附量的大小，n可以表示等温线的变化趋势，结果如表4所示，随着吸附温度的升高，K值有下降的趋势，说明在一定的温度范围内升高温度不利于吸附，而n值介于0.5～1.0之间，说明色素在该树脂上的吸附相对容易，但随着温度升高有降低趋势；Langmuir方程为Q/Qmax=KC/(1+KC)(其中Q为吸附量，C为溶液浓度，Qmax和K为常数)，以1/Q对1/C作图(图4)，得到常数K值和Qmax，由表4可知，随着温度的升高，K值降低，而Qmax值先升高后降低，说明虽然在35 ℃时吸附树脂的吸附量较大，但吸附速率则有降低趋势，综合以上分析，选择树脂吸附温度不超过35 ℃为宜。

表3 DM-21大孔吸附树脂等温线数据

表4 不同温度下DM-21大孔吸附树脂对色素的吸附方程

2.4 吸附液pH值对吸附的影响

紫甘薯色素属于花色苷类物质，在酸性条件下稳定，将色素溶液的pH值分别调制为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，其他吸附条件相同，吸附同体积的色素液在(530±5)nm处测定吸光度D，并计算吸附率，结果如图5所示。在pH值为2.0～4.0范围时，随着pH值升高，色素吸附率逐渐增加，当pH值为 4.0 时，达到顶峰，吸附率为(90.88±0.60)%；而pH值为 5.0 时吸附率略有下降，为(89.60±0.46)%， pH值为6.0时，吸附率下降明显，为(85.85±0.28)%，因此吸附液pH值4.0时吸附效果最佳。

2.5 乙醇浓度对解吸的影响

准备吸附柱对同体积的紫甘薯色素提取液进行吸附，吸附完成后分别用浓度为40%、50%、60%、70%、80%的同体积乙醇溶液进行解吸，解吸完成后，稀释相同倍数，以同浓度乙醇溶液作为空白对照在(530±5)nm处测定吸光度D，结果如图6所示。乙醇浓度为50%～60%时，解吸率变化不明显，而在70%乙醇解吸时达到最高，为(98.38±0.63)%，而后随着乙醇浓度升高， 解吸率有所降低， 所以选择70%乙醇溶液作为解吸液。

2.6 矢车菊-3-葡萄糖苷含量测定

根据以上试验条件进行吸附分离，并喷雾干燥得到紫甘薯色素粉末产品，测定数据如表5所示，并根据“1.3.3(2)”节公式计算矢车菊-3-葡萄糖苷含量为0.77 mg/g。紫甘薯色素粉末产品色价为146.31，pH值为2.5～3.0；溶解度良好，用去离子水溶解12 h，无沉淀析出；气味上有甘薯红特有的香味，质量规格优于《紫甘薯色素应用技术标准》规定。

表5 色素含量测定

3 结论

大孔吸附树脂是一类具有多孔网格状结构的高分子聚合物，广泛应用于有机物的分离与纯化。陈勇等对紫甘薯色素的吸附和分离条件进行研究，发现AB-8树脂对紫甘薯红色素具有较好的吸附能力，温度、酸度条件对吸附能力有影响。温度较高时，吸附较快，吸附能力在pH值2.5左右时比其他酸度条件下更强，乙醇浓度为70%时解脱效果最好[5]。程林润等以0.2%盐酸水溶液为提取溶剂，得到紫甘薯色素粗提物，过滤后用PDA-100大孔吸附树脂吸附，70%乙醇解析，解析液浓缩干燥可得色价为100的高色价紫甘薯色素的粉状产品[6]。本试验紫甘薯色素液经过酶解后静态吸附和解吸性能测定，筛选得到DM-21大孔吸附树脂为紫甘薯色素最佳分离树脂，并通过动力学分析发现，在一定温度范围内，随着吸附温度的升高，吸附速率有下降的趋势，而吸附量在 35 ℃ 时达到最高，而45 ℃时吸附量又降低，总体分析高温不利于色素在树脂上的吸附分离。采用以上优化条件对紫甘薯色素进行纯化后，色素色价达到146.31，矢车菊-3-葡萄糖苷含量为0.77 mg/g，优于已有文献报道的工艺。因此，DM-21 大孔吸附树脂可以作为紫甘薯色素纯化的最佳选择。

参考文献：

[1]杨朝霞，王亦军，高 磊. 紫甘薯花色苷色素研究进展[J]. 青岛大学学报(工程技术版)，2004，19(2)：32-36.

[2]王洪云，张 毅，钮福祥，等. 紫甘薯花青素研究进展[J]. 中国食物与营养，2015，21(5)：24-27.

[3]高彦祥，许正虹. 紫甘薯色素研究进展[J]. 中国食品添加剂，2005(1)：1-6.

[4]鲍 诚，李 玲，汤海宾，等. 紫甘薯花色苷酶法提取及纯化[J]. 食品科学，2012，33(16)：59-62.

[5]陈 勇，张 晴. AB-8大孔吸附树脂吸附和分离紫甘薯色素的研究[J]. 中国食品添加剂，2001(1)：6-9.

[6]程林润，郭入安，朱 璞，等. 紫甘薯色素的提取及纯化研究[J]. 浙江农业科学，2011，1(1)：89-91.