活性炭法对柿子粉多糖色素脱除的研究

王 辉，句荣辉，王 丽，朱建晨

（北京农业职业学院，北京 102442）

0 引言

柿子别名朱果，为柿科（Ebenaceae） 柿属（Diospyros L.f.），属于多年生落叶乔木，双子叶植物，原产于中国，主要分布在热带和亚热带地区，成熟的柿子色泽鲜亮软甜多汁。中国栽培柿子的历史已有3 000 多年。柿树对环境有很强的适应性，具有改善土壤、保持土壤水分的作用[1-3]。

柿子味甜、黏、凉，属肺、胃、大肠经。柿子是一种传统中药，具有清热润肺、化痰止咳、生津止渴的作用[4-5]，众多研究已经表明，柿子还有抗肿瘤、降血脂、抑菌等药性作用。在中医的临床治疗中，常被用作辅助治疗咳嗽、喉咙痛、口疮溃疡和高血压等疾病[6-8]。

柿子被人们认为是绿色健康的保健食品，享有“果中圣品”的美誉，其果实富含多酚类、维生素、糖、蛋白质、单宁、膳食纤维素、胡萝卜素、钙、磷等营养素[9-11]。另外，胡萝卜素具有抑制机体氧化应激的功能，以及降低血液中的胆固醇含量、预防心血管疾病等功效。其中，多酚类化合物和膳食纤维素对人体具有生物活性作用[12]。鲜食柿子和柿子粉、柿饼、柿子、柿子果酒等各种加工产品，可以提高人体的抵抗力，预防和辅助心血管疾病的治疗，还可以促进消化，有利于智力发育和美容养颜。

常用的色素类物质去除方法有化学氧化法(过氧化氢脱色法、次氯酸钠脱色法)、物理吸附法（大孔树脂脱色法、活性炭吸附法） 等[13-14]。其中，化学氧化法可能会对柿子粉中的化学成分造成结构上的破坏，进而影响其生物活性。大孔树脂脱色法是利用离子交换的原理，将色素吸附到大孔树脂中，从而达到脱色的目的，但是同时可能吸附柿子粉的活性物质，造成营养成分的流失。活性炭吸附法属于物理吸附，是一种固体表面现象，它是利用多孔性固体吸附剂处理气态污染物，使其中的一种或几种组分在分子引力或化学键力的作用下，被吸附在固体表面，从而达到分离的目的，利用物理吸附的原理将色素除去，且活性炭易从柿子粉中除去，且不会对柿子粉中的活性物质造成破坏。基于此，试验选用活性炭吸附法除去柿子粉色素。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

柿子，采摘于北京市房山区青龙湖镇口头村；活性炭，北京索莱宝生物科技有限公司提供；浓硫酸、考马斯亮蓝、牛血清蛋白、木瓜蛋白酶无水葡萄糖、苯酚、乙醇等，均为分析纯化学试剂；实验用水为二级蒸馏水。

1.1.2 仪器

UV-8000A 型紫外- 可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司产品；Eppendorf 型高速离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司产品；SH2-C型双功能水浴振荡器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司产品；EL204 型分析天平，上海菁海仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 柿子粉色素最大吸收波长的扫描

精密称取柿子粉1 g，用蒸馏水溶解并定容到100 mL 容量瓶中，利用紫外分光光度计对其扫描全波长，结果显示柿子粉色素于波长280 nm 处存在最大吸收峰，确定柿子粉色素的检测波长为280 nm。

1.2.2 脱色效果的测定[15]

对柿子粉活性炭脱色效果的评价采用脱色率表示，脱色率的计算公式如下：

式中：AD0——柿子粉溶液通过活性炭脱色前于280 nm 处的吸光度；

AD1——柿子粉溶液通过活性炭脱色后于280 nm 处的吸光度。

1.2.3 多糖色素保留率的测定[16]

采用苯酚- 硫酸法，以葡萄糖为对照品，线性回归方程为：

式中：A——吸光度；

C——以葡萄糖记的多糖色素质量浓度，mg/mL。

式中：C1——溶液脱色后多糖色素质量浓度，mg/mL；

C0——溶液脱色前多糖色素质量浓度，mg/mL。

1.2.4 活性炭脱色的单因素试验

（1） 活性炭添加量对脱除柿子粉多糖色素的影响。分别移取柿子粉溶液10 mL 置于5 个50 mL 的具塞锥形瓶中，分别加入2%，4%，6%，8%，10%的活性炭，置于40 ℃水浴振荡器中，振摇30 min后静置离心，取滤液测定其脱色率和多糖色素保留率。

（2） 脱色温度对脱除柿子粉多糖色素的影响。分别在5 个50 mL 的具塞锥形瓶中移取柿子粉溶液10 mL，加入4%的活性炭，分别置于20，30，40，50，60 ℃水浴振荡器中，振摇30 min 后静置再离心，测定处理后的溶液脱色率和多糖色素保留率。

（3） 脱色时间对脱除柿子粉多糖色素的影响。分别移取柿子粉溶液10 mL 置于5 个50 mL 的具塞锥形瓶中，加入4%的活性炭，置于40 ℃水浴振荡器中，分别振摇10，20，30，40，50 min 后静置离心，测定其脱色率和多糖色素保留率。

1.2.5 活性炭添加量对脱除柿子粉多糖色素的正交试验[17]

通过单因素试验进行总结分析，最终选用活性炭添加量（A）、脱色温度（B） 和脱色时间（C） 3 个因素进行多因素试验。

正交试验因素与水平设计见表1。

表1 正交试验因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 活性炭添加量对脱除柿子粉多糖色素的影响

活性炭添加量对脱除柿子粉多糖色素的影响见图1。

图1 活性炭添加量对脱除柿子粉多糖色素的影响

由图1 可知，在设定的范围内，随着活性炭添加量的增加，柿子粉多糖色素的脱除量逐渐增加，而柿子粉中多糖保留率逐渐降低。当活性炭添加量为10%时，脱色率达到最高为74.12%。活性炭的物理吸附作用对于色素物质来说，作用明显，虽然活性炭添加量越大脱色越明显，但是与此同时多糖也在一定程度上有所损失，故综合考虑生产成本和试验效果，活性炭添加量为试样质量的6%时，为最佳添加量。

2.1.2 脱色温度对脱除柿子粉多糖色素的影响

脱色温度对脱除柿子粉多糖色素的影响见图2。

图2 脱色温度对脱除柿子粉多糖色素的影响

由图2 可知，在一定范围内，随着处理温度的增加，柿子粉多糖色素物质逐渐脱除，在达到40 ℃时，温度再增加脱色率变化不大，而多糖保留率逐渐降低。由此可见，增大温度对于色素物质具有一定的破环作用，可能是在高温作用下色素物质中的双键吸收能量断键，使得具有呈色能力的色素物质化学结构不复存在，从而达到脱色目的。

2.1.3 脱色时间对脱除柿子粉多糖色素的影响

脱色时间对脱除柿子粉多糖色素的影响见图3。

图3 脱色时间对脱除柿子粉多糖色素的影响

由图3 可知，随着脱色处理时间的延长，柿子粉多糖色素的去除率逐渐增加。当脱色时间达到30 min 时，随着脱色时间再增加，脱色率也没有发生太大的变化，多糖色素保留率随时间逐渐增加发生降低。脱色时间会对脱色效果产生一定影响，与此同时，多糖也会有所损失，所以为了保证一个较合理的平衡点，考虑30 min 为最佳脱色时间。

2.2 活性炭添加量对脱除柿子粉色素的正交试验结果

活性炭法对柿子粉多糖色素脱除正交试验结果见表2，柿子粉多糖色素脱除活性炭法的方差分析见表3。

表2 活性炭法对柿子粉多糖色素脱除正交试验结果

表3 柿子粉多糖色素脱除活性炭法的方差分析

由表3 可知，影响活性炭对柿子粉色素脱除效果的因素按照影响程度大小的顺序是A>C>B，即活性炭添加量对柿子粉多糖色素脱除效果的影响差异是具有统计学意义的（p<0.05），脱色时间因素影响次之，脱色温度因素影响最小。由此可以确定活性炭对柿子粉颜色物质脱除最佳工艺条件是A2B2C3，即活性炭添加量6%，脱色温度40 ℃，脱色时间40 min。在此条件下，柿子粉的脱色率为78.09%，多糖色素保留率为84.17%。

2.3 最佳工艺验证试验

分别取柿子粉溶液10 mL 加入到3 个50 mL 的具塞锥形瓶中，加入6%的活性炭，置于40 ℃水浴振荡器中，振摇40 min 后静置离心，取滤液测定其脱色率和多糖保留率。通过这样处理后，柿子粉的脱色率为78.41%，多糖色素保留率为84.98%。与正交试验的结果基本相符，因此确定该脱色工艺条件是合理可行的，可以作为柿子粉多糖色素脱除活性炭法的最佳工艺条件。

3 结论

对于植物性农产品中多糖的深入研究，大多数从中提取出来的多糖纯度都比较低，含有各种蛋白质、色素类物质等杂质，对于研究多糖的化学结构、理化性质、化学变化及生物学活性都有不同程度的影响。植物性农产品中多糖脱色工艺的主要方法包括物理吸附法、化学方法、离子交换树脂法等，这些方法的特点是，物理吸附法是一种固体表面现象，让小分子物质被吸附在固体表面达到分离的目的[18-19]。如离子交换树脂对多糖脱色效果一般较好，但由于操作强度大、成本高，一般认为不会对多糖结构造成影响；化学法脱色是指用次氯酸盐等的氧化性，在一定条件下使废水中有机物发色基团的不饱和键氧化断裂，形成分子质量小的有机物或无机物，从而达到脱色的目的。比如，双氧水、次氯酸钠具备操作简单、成本低、易于清除等优点，但其具一定的氧化性，可能对多糖空间结构及生物活性造成影响[20-21]。一种优良的脱色工艺包括优良的脱色剂和简单易行的操作工艺，具体来说就是对多糖脱色率及多糖保留率较高，且易于从多糖中清除，不引起新的杂质；简单易行的操作工艺可以提高纯化的效果和工作强度，并适合工业化生产。

对活性炭添加量、脱色温度及脱色时间脱除于柿子粉多糖色素效果进行研究的结果发现，多糖色素脱除率在处理条件下随着活性炭添加量的增加而增大，多糖色素保留率呈现降低趋势。但在实际生产与操作中，要选择合适的活性炭添加量，既要保证达到理想的脱色效果，又不会增加活性炭的成本。

脱色率在一定范围内随着脱色温度的升高而增大，这可能是因为色素分子随着温度升高，其分子运动的频率变大，从而加速活性炭对于色素的吸附过程。温度过高会导致柿子粉中的营养物质流失，所以在实际操作中，要选择合适的脱色温度。

随着脱色时间的增加，柿子粉中色素的脱除速率也随之增大，到达一定时间后，脱色率基本保持不变，这可能是因为活性炭吸附色素的过程基本到达平衡，即使再增加时间，脱色率也不会发生太大变化。多糖色素保留率随着时间的增加呈现逐渐降低的趋势，可能是因为脱色时间越长，活性炭对于柿子粉中多糖的吸附越多。活性炭吸附柿子粉多糖色素的最佳工艺为活性炭添加量6%，脱色温度40 ℃，脱色时间40 min，在此条件下脱色率为78.41%，多糖色素保留率为84.98%。所得试验结果在取得脱色率比较高的情况下损失的多糖色素并未显著高于其他试验组合，试验结果是可以进一步在生产中进行扩大量试验和验证试验。