大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的吸附解析性能研究

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(1.浙江工业大学海洋学院,浙江杭州 310014;2.浙江省海洋水产养殖研究所,浙江温州 325005;3.加拿大纪念大学工程与应用科学学院,加拿大 A1C5S7)

鼠尾藻(Sargassumthunbergii)是一种大型海藻,鼠尾藻组分中的鼠尾藻多酚具有较强的抗氧化活性,结构特殊、具有生物活性和医药价值的天然海洋生物活性化合物,但因其含量少、结构复杂、不易纯化等诸多问题,使提取分离纯化此类化合物成了一大难题。国内外目前多是对其抑菌、神经保护等性能进行试验研究[1-3],缺乏面向工业化开发的探索,这也致使市场上到目前为止还没有鼠尾藻多酚的产品。

目前提取分离鼠尾藻多酚的方法还是以传统浸提、微波辅助和索式回流法为主[4-6]。传统方法虽然操作简单,技术较为成熟,但是有机溶剂消耗量大,提取时间长,提取率不高。大孔吸附树脂由于其具有理化性质稳定性高、比表面积大、吸附容量大、再生处理方便等诸多优点,越来越多地应用于植物多酚提取分离。如Samee Haider等[7]则通过比较三种不同柱填料(大孔树脂、硅胶、聚乙烯吡咯烷酮)对软叶马尾藻多酚的吸附性能,得出大孔吸附树脂的吸附及解吸性能最佳,可得到的软叶马尾藻纯度为62.43%。刘晓丽等[8]通过5种大孔吸附树脂(XDA-1、LSA-10、H103、S-8、AB-8)对海带多酚的吸附性能比较,发现XDA-1大孔吸附树脂表现出较好的吸附性能与解吸效果,优化条件下可得到纯度为80.5%的海带多酚。冯进等[9]用非极性HPD400树脂吸附较弱极性的蓝莓叶多酚,经过HPD400树脂的纯化,蓝莓叶多酚的纯度由原来的38.75%提高到69.38%。

已有的研究表明,大孔吸附树脂在分离多酚的领域具有广阔的应用前景。基于鼠尾藻多酚属于极性物质,根据相似相溶的原理,结合对常用大孔吸附树脂的主要参数分析[10-11],在大孔吸附树脂对亲水性酚类衍生物吸附作用的研究[12-13],以及多种适用于多酚提取的树脂筛分[14-15]等工作基础上,本实验采用XDA-1B大孔吸附树脂来对鼠尾藻多酚进行吸附研究,探索得到适于鼠尾藻多酚分离纯化的大孔吸附树脂及优化的分离提纯参数,并对其吸附及解吸动力学和等温吸附进行考察。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鼠尾藻 采自浙江省温州水产养殖研究所洞头基地;XDA-1B大孔吸附树脂 郑州勤实科技有限公司;钨酸钠、钼酸钠、没食子酸(3,4,5-三羟基苯甲酸) 阿拉丁试剂(上海)有限公司;浓磷酸、浓盐酸、硫酸锂、液溴乙醚、无水碳酸钠、无水乙醇、氢氧化钠、无水乙酸钠等 均为分析纯。

HY-6双层调速多用振荡器、SHA-C数显水浴恒温振荡器 金坛市江南仪器厂;中草药粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;UV-3200PCS紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司;智能磁力加热搅拌器 SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵 LZB-2常规型玻璃转子流量计 巩义市予华仪器有限责任公司;RE-52AA旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 鼠尾藻的预处理 取已晒干的鼠尾藻藻体顶部,用自来水冲洗干净,除去附生生物和泥土等杂质,放入烘箱110 ℃充分烘干,然后用中草药粉碎机将其粉碎,将粉碎后的鼠尾藻藻粉过80目筛装入袋中,密封保存。

取适量上述藻粉于250 mL锥形瓶中,然后加入体积分数为85%的乙醇溶液过量,置摇床上转速150 r/min常温提取12 h。将提取液用旋转蒸发仪减压蒸馏除去乙醇,得到鼠尾藻多酚粗提物。

1.2.2 鼠尾藻粗提物红外光谱测定 采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)测定样品的表面官能团信息。扫描条件:KBr压片,分辨率4 cm-1,4000～400 cm-1扫描。分析测试前样品进行真空干燥处理,110 ℃干燥12 h。

1.2.3 大孔吸附树脂预处理 XDA-1B大孔吸附树脂做吸附实验前需要进行预处理,先将XDA-1B大孔吸附树脂用无水乙醇室温下密封浸泡24 h,蒸馏水洗后再用5%(体积分数)盐酸溶液浸泡8 h,水洗至中性,再用5% 氢氧化钠溶液浸泡8 h,水洗至中性,备用。

1.2.4 标准曲线的建立 参考GB/T 8313-2008,选用没食子酸对多酚含量进行测定。分别取0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL 0.1 mg/mL没食子酸标准液于7个50 mL容量瓶中,各加30 mL蒸馏水,摇匀。加入2.5 mL FC试剂充分摇匀。1 min之后,加入7.5 mL 20%碳酸钠溶液,混匀定容。水浴75 ℃下反应10 min,冷却至室温。即得0、1、2、3、4、5、6 μg/mL的没食子酸溶液。

取适量0、2 μg/mL的没食子酸溶液于比色皿中,0 μg/mL没食子酸溶液作为空白对照组,用紫外-可见分光光度计在680～800 nm波长之间测定2 μg/mL没食子酸溶液的吸光度,取其吸光度最大的波长为最佳吸收波长为760 nm,分别取适量不同浓度的没食子酸溶液于比色皿中测定,建立标准曲线,线性回归方程为y=0.0773x+0.0028(R2=0.9985)。

1.2.5 XDA-1B大孔吸附树脂静态吸附和解吸的动力学特性测定 称取0.5 g 已预处理的XDA-1B大孔吸附树脂三份,分别置于100 mL锥形瓶中,各加入50 mL鼠尾藻多酚粗提物,水浴摇床30 ℃,转速150 r/min下振荡吸附。每隔1 h取0.5 mL粗提物悬清液于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸馏水,摇匀,再各加入2.5 mL FC(福林)试剂,7.5 mL 20% 碳酸钠溶液,混匀定容。水浴75 ℃下反应10 min,冷却后,分别取适量于比色皿中,将其与空白组于最佳吸收波长760 nm下比色,测定其吸光度,并通过标准曲线计算得出鼠尾藻多酚浓度,取其平均值。再按公式(1、2)计算出每个时段的吸附量Q(mg/g),以Q对时间t(h)作图,得树脂对鼠尾藻多酚的吸附动力学曲线。

上述溶液吸附平衡后,抽滤,洗涤两次,取树脂分别置于3个100 mL锥形瓶中,各加入80 mL 80%(体积分数)乙醇,水浴摇床30 ℃下振荡解吸。每隔1 h取0.5 mL溶液于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸馏水,摇匀,各加入2.5 mL FC试剂,7.5 mL 20% 碳酸钠溶液,混匀定容。水浴75 ℃下反应10 min,冷却后,分别取适量于比色皿中,将其与空白组于最佳吸收波长760 nm下比色,测定其吸光度,并通过标准曲线计算得出鼠尾藻多酚浓度,取其平均值。

根据测定的结果,按下式计算XDA-1B大孔吸附树脂的吸附量及解吸率:

式(1)

式(2)

式中:Q为树脂吸附量,(mg/g);C0为鼠尾藻多酚初始浓度,(mg/mL);C1滤液中鼠尾藻多酚的浓度,(mg/mL);V1为滤液体积,(mL);C2为洗脱液鼠尾藻多酚浓度,(mg/mL);V2为洗脱液体积,mL;W为大孔树脂湿重,(g);ζ为解吸率(%)。

1.2.6 XDA-1B大孔吸附树脂等温吸附曲线的测定 分别称取0.5 g XDA-1B大孔吸附树脂于6个100 mL锥形瓶中,各加入浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL的鼠尾藻多酚水溶液50 mL,置于转速150 r/min水浴摇床,在不同温度(20、30、40、50 ℃)下振荡吸附3 h后,然后各取1 mL于50 mL容量瓶中,再各加入30 mL蒸馏水,摇匀,再各加入2.5 mL FC试剂,7.5 mL 20% 碳酸钠溶液,混匀定容。水浴75 ℃下反应10 min,冷却后,分别取适量于比色皿中,将其与空白组于最佳吸收波长760 nm下比色,测定其吸光度,并通过标准曲线计算得出鼠尾藻多酚浓度,取其平均值,再按公式(1、2)计算出每个时段的吸附量Qe(mg/g),以Qe对多酚吸附平衡浓度Ce作图,得树脂对鼠尾藻多酚的等温吸附曲线,得到的实验数据用Langmuir和Freundlich模型拟合。

Langmuir吸附等温式:

式(3)

Freundlich吸附经验公式:

lnQe=nlnce+lnKF

式(4)

式中:Qe-平衡吸附容量,mg/g;Qm-单分子层吸附达到饱和时对应的吸附容量,mg/g;Ce-吸附平衡浓度,mg/mL;KL-Langmuir吸附平衡常数,mL/mg;KF-Freundlich吸附平衡常数,mL/mg;n-常数。

2 结果与讨论

2.1 粗提物中多酚类物质的红外光谱检测

鼠尾藻粗提物固体的红外光谱图,如图1所示。在大致3300 cm-1和1250 cm-1有特征峰,这分别代表酚中-OH和C-O的伸缩振动,说明该粗提物中含有多酚物质[16]。另外,2926.5 cm-1处特征峰代表了-CH2-的不对称伸缩振动,1618.5 cm-1和1416 cm-1两个特征峰代表了-CH3的弯曲振动,1078.6 cm-1代表了C-O-C醚键的一个伸缩振动,而图1中两个小于1000 cm-1的特征峰则表示碳碳双键面外的一个弯曲振动。

图1 鼠尾藻多酚粗提物红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of crudeextract of Sargassum thunbergii polyphenol

2.2 XDA-1B大孔吸附树脂吸附及解吸动力学

XDB-1A大孔吸附树脂静态吸附及解吸动力学曲线见图2。鼠尾藻多酚初始浓度为2.5 mg/mL时,XDB-1A大孔吸附树脂在0～2 h之间,对鼠尾藻多酚的吸附速率较快,2 h之后趋向饱和吸附量81.0 mg/g,而且趋于平衡状态,说明XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的吸附时间较短。上样流速2.0 mL/min,洗脱流速2.0 mL/min条件下,XDA-1B对鼠尾藻多酚的解吸速率较快,2 h之后趋向饱和解吸率,而且趋于平衡状态,XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的解吸时间较短,突显出了柱层析法分离鼠尾藻多酚快捷高效的优点。

图2 XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的静态吸附及吸动力学曲线Fig.2 Static adsorption and desorption kineticscurves of XDA-1B on Sargassum thunbergii polyphenol

2.3 XDA-1B大孔吸附树脂的等温吸附

不同温度下XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的等温吸附曲线见图3。Langmuir和Frendlich等温吸附方程拟合得到的相关参数见表1,计算得到的四个温度下饱和吸附量为185、270、156、140 mg/g,呈现一个先上升后下降的趋势,所以30 ℃是最适合XDA-1B大孔吸附树脂吸附鼠尾藻多酚的温度。在各个温度下,当粗提物多酚初始浓度增加到一定数值后,吸附量反而降低,说明鼠尾藻多酚浓度不是越高越好。

图3 XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的等温吸附曲线Fig.3 Adsorption isotherm of Sargassum thunbergii polyphenols onto XDA-1B at different temperatures

拟合得到的模型参数列于表1,从表1 的数据可以看出,XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的等温吸附曲线比较符合Freundlich方程。在各个温度下,Freundlich方程的回归系数均大于Langmuir方程回归系数,Freundlich方程的回归系数均在0.9以上,Freundlich吸附经验公式进行拟合比较合适。Langmuir和Freundlich吸附等温式都可以用来描述单分子层吸附,可以判断在30 ℃下,XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的吸附都是单分子层吸附。XDA-1B大孔吸附树脂的Freundlich模型中的常数n均介于0～1之间,属于“优惠吸附”[17-18],说明鼠尾藻多酚在XDA-1B大孔吸附树脂上的吸附还是比较容易实现的。

3 结论

采用XDA-1B大孔吸附树脂柱层析法对鼠尾藻多酚吸附解析条件进行探讨,表明XDA-1B大孔吸附树脂适用于鼠尾藻多酚分离纯化,当样品溶液中鼠尾藻多酚初始浓度为2.5 mg/mL时,温度为30 ℃时,XDA-1B大孔吸附树脂对鼠尾藻多酚的静态吸附量是最大的,饱和吸附量81.0 mg/g;上样流速2.0 mL/min,洗脱流速2.0 mL/min条件下,鼠尾藻多酚的吸附和解吸速率较快,2 h之后均完成吸附和解吸。