菊粉提取液的離子交換脫鹽研究

趙國群，張靜，胡弢，張桂

（河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

菊粉（inulin），又名菊糖,是由 D-果糖經 β（1→2）糖苷鍵連接而成的鏈狀多糖，末端常含有一個葡萄糖基，聚合度（DP）大約2～60[1]。菊粉作為植物的一種貯存性多糖，主要存在于菊芋、菊苣和大麗花等植物中[2]。我國主要以菊芋為原料生產菊粉。菊粉是一種功能性食品配料，除用作膳食纖維外，還具有改善腸道功能、調節血糖、降血脂、清除毒素、促進鈣、鐵等礦物質吸收等功能，廣泛應用于食品及保健品工業[1，3]。菊芋塊莖中含有較高的鈣、鎂、鈉等鹽類，當用熱水提取菊粉時，這些鹽便進入菊粉提取液中。如果不進行脫鹽處理，菊粉成品的灰分含量（≤0.1%）會超標而使產品不合格。此外，在采用石灰-磷酸法進行菊粉提取液的絮凝除雜時，也會引入鈣離子。菊粉提取液的高效脫鹽是我國菊粉生產上尚需完善的問題。因此，采用離子交換樹脂對菊粉提取液進行處理，以除去其中的雜質鹽類。首先從不同類型的樹脂中篩選出脫鹽效果較好的陰陽離子樹脂，然后再將篩選出的樹脂串聯起來，研究其對菊粉提取液的脫鹽效果，從而篩選出最佳的樹脂組合。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菊粉提取液

鮮菊芋用清水清洗干凈后，以料液比1∶1.8（g/L）將菊芋切片打漿，90℃熱水浸提20 min，然后采用石灰-磷酸法及活性炭進行除雜、脫色。

1.1.2 試驗樹脂

D001-F強酸性陽離子樹脂、D201×7強堿性陰離子樹脂、D301×7弱堿性陰離子樹脂：安徽皖東化工有限公司；001×7強酸性陽離子樹脂、D201×7強堿性陰離子樹脂：上海勁凱樹脂科技公司；001×7強酸性陽離子樹脂、D301弱堿性陰離子樹脂：邢臺民生樹脂科技有限公司；LX-710強酸性陽離子樹脂、LX-67弱堿性陰離子樹脂：西安藍曉科技有限公司；JK008強酸性陽離子樹脂、D306弱堿性陰離子樹脂：上海南開樹脂有限公司；HD-8強酸性陽離子樹脂、D293強堿性陰離子樹脂、D202強堿性陰離子樹脂、D303弱堿性陰離子樹脂、D315弱堿性陰離子樹脂：上海華震科技有限公司。

1.2 主要儀器

DDS-11A數顯電導率儀：上海雷磁新涇儀器有限公司；Φ30 mm×300 mm離子交換柱：河北科技大學生物科學與工程學院生物催化技術實驗室自制；722F分光光度計：上海光譜儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 離子交換樹脂的預處理

1）將新樹脂先以清水浸泡，然后去離子水清洗數次，直至出水清亮。

2）用4倍于樹脂體積的4%HCl溶液和4%NaOH溶液交替處理。陽（陰）離子樹脂首先用堿（酸）液，浸泡1 h后，用清水洗至pH中性；再用酸（堿）液浸泡1 h，清水洗至pH中性；再用4%HCl溶液浸泡1 h，最后用去離子水清洗至中性。

1.3.2 強酸性陽離子交換樹脂的篩選

在菊粉生產上，通常要求脫鹽后的菊粉提取液處于中性，以免引起菊粉的降解。因此，樹脂脫鹽的組合順序通常為強堿性陰離子交換樹脂→強酸性陽離子交換樹脂→弱堿性陰離子交換樹脂。

分別量取預處理過的6種強酸性陽離子交換樹脂50 mL裝入離子交換柱中，并與安徽皖東D201×7強堿性陰離子交換樹脂柱（50 mL）和安徽皖東D301×7弱堿性陰離子交換樹脂柱（20 mL）串聯起來。將300 mL菊粉提取液用蠕動泵控制以2 mL/min勻速通過離子交換柱。從離子交換柱出口收集流出液，測量其電導率。

1.3.3 強堿性陰離子交換樹脂的篩選

分別量取預處理過的4種強堿性陰離子交換樹脂50 mL裝入離子交換柱中，并以強堿性陰離子→強酸性陽離子→弱堿性陰離子的方式與安徽皖東D001-F強酸性陽離子交換樹脂柱（50 mL）和安徽皖東D301×7弱堿性陰離子交換樹脂柱（20mL）串聯起來。將300 mL菊粉提取液用蠕動泵控制以2 mL/min勻速通過離子交換柱。收集流出液，測量其電導率。

1.3.4 弱堿性陰離子交換樹脂的篩選

分別量取預處理過的6種弱堿性陰離子交換樹脂20 mL裝入離子交換柱中，并以強堿性陰離子→強酸性陽離子→弱堿性陰離子的方式與安徽皖東D201×7強堿性陰離子交換樹脂柱（50 mL）和安徽皖東D001-F強酸性陽離子交換樹脂柱（50mL）串聯起來。將300 mL菊粉提取液用蠕動泵控制以2 mL/min勻速通過離子交換柱。收集流出液，測量其電導率。

1.3.5 最佳樹脂組合的篩選

取上述試驗中篩選出的脫鹽效果較好的強酸性陽離子（50 mL）、強堿性陰離子（50 mL）和弱堿性陰離子交換樹脂（20mL），裝入離子交換柱中，然后按照陰→陽→陰的串聯方式組成4種離子交換柱組合。

組合A：上海華震D202→安徽皖東D001-F→上海華震D315；組合B：上海華震D202→上海華震HD-8→上海華震D315；組合C：上海華震D202→上海華震HD-8→邢臺民生D301；組合D：上海華震D202→安徽皖東D001-F→安徽皖東D301×7。

將菊粉提取液（初始電導率5050 μs/cm）用蠕動泵控制以2 mL/min勻速通過串聯起來的離子交換柱。從離子交換柱出口收集流出液，每收集50 mL測量一次電導率。

1.3.6 菊粉的吸附與洗脫

在脫鹽試驗結束后，用去離子水以2 mL/min勻速流過離子交換柱對菊粉進行洗脫，直至洗脫液中糖為零。收集并合并洗脫液，測定其中菊粉含量及電導率。

1.4 分析方法及計算

1）離子含量的測定：本試驗利用電導率法測定菊粉提取液中的總離子含量。因菊粉提取液中離子種類多，不可能利用離子選擇電極測定其含量，所以本試驗采用復合電極測定溶液的電導率，來表征溶液中離子的含量[4]。

2）菊粉提取液還原糖的測定：采用DNS法[5]。

3）菊粉提取液總糖的測定：取10 mL菊芋提取液加2.15 mL的濃HCl溶液，用蒸餾水定容至25 mL，然后于沸水浴中加熱30 min，迅速冷卻后用6 mol/L NaOH溶液調節pH至中性，用蒸餾水定容至50 mL并過濾，最后取濾液1 mL按DNS法測定還原糖含量。

4）離子脫除率=（初始電導率－過柱后電導率）/初始電導率×100%

5）菊粉提取液菊粉含量（mg/mL）=總糖含量－還原糖含量。

2 結果與討論

2.1 離子交換樹脂的初篩

除含菊粉外，菊粉提取液中還含有蔗糖、葡萄糖和果糖。由于這些糖類均為非電解質，因此它們的存在不影響溶液的導電能力。故脫鹽處理后的菊粉提取液電導率與初始電導率相差越大，說明樹脂脫鹽效果越好。

表1、表2和表3分別是強酸性陽離子樹脂、強堿性陰離子樹脂和弱堿性陰離子樹脂的脫鹽篩選結果。

表1 強酸性陽離子交換樹脂的篩選結果Table 1 The result of screening storng-acid cation exchange resins

表2 強堿性陰離子交換樹脂的篩選結果Table 2 The result of screening strong-base anion exchange resins

表3 弱堿性陰離子交換樹脂的篩選結果Table 3 The result of screening weak-base anion exchange resins

從試驗結果可以看出，不同廠家所生產的樹脂對菊粉提取液的脫鹽能力有著很大的差異。在所試驗的6種強酸性陽離子樹脂中，脫鹽效果最好的是安徽皖東D001-F和上海華震HD-8，其離子脫除率達87%。上海華震D202是所試驗的4種強堿性陰離子交換樹脂中脫鹽效果最好的，其離子脫除率高達94%。在脫鹽離子交換柱中安排弱堿性陰離子交換樹脂的主要目的是調節脫鹽后菊粉提取液的pH。然而從表3中可以看出，弱堿性陰離子交換樹脂對脫鹽效果也有著很大影響，其中脫鹽效果最好的是安徽皖東D301×7、邢臺民生D301和上海華震D315。從試驗結果可以發現，通過在離子交換柱中配置弱堿性陰離子交換樹脂，多數的樹脂組合可使菊粉提取液在脫鹽后呈中性。

2.2 最佳樹脂組合的篩選及其脫鹽試驗

為了確定最佳的脫鹽樹脂組合，將初篩出的6種離子交換樹脂按照陰→陽→陰的串聯方式組成4種離子交換柱組合進行菊粉提取液的脫鹽試驗。圖1是不同樹脂組合脫鹽時的電導率變化曲線。

圖1 不同樹脂組合脫鹽電導率變化曲線Fig.1 The curves of electric conductivity of different resin groups

隨著菊粉提取液脫鹽體積的增加，溶液電導率升高越快，樹脂飽和速度越快，其脫鹽的能力也越差。從圖1可以發現，脫鹽效果最好的組合是組合A，其次是組合D。在脫鹽前期（前150 mL）組合B和組合C的脫鹽效果也很好，但隨著菊粉提取液處理量的增加，電導率迅速升高，脫鹽效果明顯不如柱A。因此，確定組合A即上海華震D202→安徽皖東D001-F→上海華震D315為菊粉提取液脫鹽的最佳樹脂組合，并采用組合A繼續菊粉提取液的脫鹽研究。

圖2是組合A脫鹽時菊粉提取液電導率變化曲線。

圖2 組合A脫鹽電導率變化曲線Fig.2 The curves of electric conductivity of resin group A

由圖2可以看出，在脫鹽開始階段菊粉提取液電導率從5050 μs/cm大幅下降至220 μs/cm，隨后電導率略有增加。當處理量超過500 mL后，菊粉提取液電導率呈線性迅速升高，這表明樹脂已趨向飽和，其脫鹽能力大幅度降低，過柱后的菊粉提取液含鹽量也不再符合要求，應停止脫鹽。經組合A處理后，所收集的菊粉提取液電導率從初始的5050 μs/cm降至240 μs/cm，根據生產經驗，滿足了菊粉成品灰分含量≤0.1%的要求。組合A菊粉提取液處理量為4倍柱體積。試驗中還發現組合A離子交換樹脂具有良好脫色功能，過柱后提取液由原來的微黃色變為無色透明。

2.3 菊粉的吸附與洗脫

菊粉的吸附與洗脫，結果見表4。

表4 菊粉的吸附與洗脫Table 4 The adsorption and elution of inulin in resin

在菊粉提取液進行脫鹽時，部分菊粉會吸附在樹脂。從表4中可以發現，采用組合A進行脫鹽時吸附在樹脂上的菊粉達到18.1 mg/mL（以濕樹脂計）。這樣損失量在實際的工業生產上是相當可觀的，應予以回收。然而洗脫液中的菊粉含量很低（27.2 mg/mL），無論是采用納濾還是采用真空濃縮進行回收，經濟上都是不合算的。在實際生產中可將這部分稀糖液返回到提取罐中進行回收，同時也充分利用了水資源。從表4中還可以發現，在用水洗脫菊粉的同時，許多鹽離子也被洗脫下來，造成菊粉洗脫液的導電率大幅度升高。

3 結論

經過初步篩選，從16種不同類型的樹脂中篩選出脫鹽性能較好的安徽皖東D001-F、上海華震HD-8、上海華震D202、安徽皖東D301×7、邢臺民生D301和上海華震D315。將初篩出的上述6種離子交換樹脂按照陰→陽→陰的串聯方式組成4種離子交換柱組合進行脫鹽試驗，確定組合A即上海華震D202→安徽皖東D001-F→上海華震D315為菊粉提取液脫鹽的最佳樹脂組合。經組合A處理后，所收集的菊粉提取液電導率從初始的5050 μs/cm降至240 μs/cm，滿足了菊粉成品灰分含量≤0.1%的要求。離子交換柱處理量為4倍柱體積。采用組合A進行脫鹽時吸附在樹脂上的菊粉達到18.1 mg/mL（以濕樹脂計），因而應回收洗脫液中的菊粉，以提高菊粉提取的收率。

[1]魏凌云,王建華,鄭曉冬,等.菊粉研究的回顧與展望[J].食品與發酵工業,2005,31(7):81-85

[2]林镕,陳封懷,黃秀蘭.中國植物志[M].北京:科學出版社,1979,75:358-359

[3]孫艷波,顏敏茹,徐亞麥.菊粉的生理功能及其在乳制品中的應用[J].中國乳品工業,2005,33(8):43-44

[4]鄭輝杰,陳洵,邸進申,等.離子交換樹脂對海藻糖乙醇提取液脫鹽脫色的研究[J].河北工業大學學報,2008,37(5):37-43

[5]大連輕工業學院,華南理工大學,鄭州輕工業學院,等.食品分析[M].北京:中國輕工業出版社,1994:178-180