木瓜多糖的冷電弧-光催化-吸附脫色工藝研究

謝 勇，王中來*

（福州大學 生物科學與工程學院，福建 福州 350001）

木瓜為薔薇科植物貼梗海棠（Chaenomeles speciosaNakai）干燥近成熟果實，習稱”皺皮木瓜”，又名鐵腳梨等[1]。木瓜不僅可藥用，還可食用，木瓜果實中含有蛋白質、多糖、還原糖、黃酮、枸櫞酸、抗壞血酸等成分[2]。木瓜多糖（papaya polysaccharide）具有一定的抗氧化活性、保濕性等功效，可用于藥物載體、保濕劑等方面[3-4]。

木瓜中的色素成分主要包括類胡蘿卜素及黃酮等。目前木瓜多糖的脫色方法多為吸附法和氧化法，這些脫色技術不僅效果不佳而且脫色時間較長。冷電弧又稱冷等離子體，特指由帶電的電子、離子、中性粒子、活性自由基及射線組成[5]。光催化是指半導體光催化劑TiO2等利用紫外線，激發光生電子和光生空穴，催化氧化產生大量的自由基。冷電弧-光催化-吸附技術脫色的基本原理就是將光催化劑負載于具有吸附作用的載體（如活性炭、層狀石墨、陶瓷、氧化鋁等）上，然后將其填充于產生冷電弧（冷等離子體）的裝置中，在高強度電場作用下冷電弧裝置產生大量的可以激發TiO2產生大量的自由基的紫外線，產生的高活性自由基即對吸附在填充物介質周圍的目標物進行氧化降解，使其轉化為可降解或容易分離的小分子物質，甚或直接降解成H2O和CO2，從而達到脫色目的。納米TiO2有金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型3種晶型，其中銳鈦礦型光催化活性最高[6]。由于半導體TiO2的禁帶寬度僅為3.2eV，對可見光的利用率不高[6]，為拓寬TiO2光催化劑的光譜響應范圍和提高光量子效率，可采用離子參雜的方法對其進行修飾。孔劍飛等[7]利用過渡金屬離子鈷（Co2+）和稀土離子鈰（Ce6+）摻雜到TiO2中，且取得了一定的成果。冷電弧-光催化-吸附集成技術不僅利用了冷電弧技術，還綜合了TiO2的催化作用及活性炭的吸附作用。郭剛等[8-9]已利用冷電弧-光催化技術對荔枝多糖和龍眼多糖進行脫色，并取得了良好的效果。本研究采用離子參雜的方法對光催化劑進行修飾，然后負載于活性炭上，制得冷電弧-光催化-吸附集成裝置，并利用該裝置對木瓜多糖進行脫色研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木瓜：市售，福州市永輝超市；活性炭（Φ1.5～2.0mm）：長沙市中質環保科技有限公司；鈦酸四丁酯、濃硫酸、無水乙醇、硫酸亞鐵、蒽酮、冰醋酸、乙酰丙酮、葡萄糖等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

PTI-15/17KV-60HZ高壓變壓器：PlasmaTechnics，Inc；日立UV900 紫外可見分光光度計：美國Perkin Elmer公司；Zetasizer Nano ZS90 Malvern激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；ZT60-600 恒流泵：蘭格恒流泵有限公司；DRZ-80電阻爐溫度控制器：天津市華北試驗儀器有限公司；冷電弧-光催化-吸附裝置：自制。

1.3 試驗方法

1.3.1 TiO2光催化劑的制備及負載

A液：鈦酸四丁酯/無水乙醇/冰醋酸/乙酰丙酮=65∶100∶2.5∶1（V/V）；B液：體積分數為2%的硝酸溶液，4倍于無水乙醇體積；C液：體積分數為10%的三乙醇胺溶液，與無水乙醇等體積。將B液緩慢加入A液中并不斷攪拌直至白色沉淀消失為止，后緩慢加入C液并快速攪拌，然后加入1/5倍無水乙醇體積的0.01mg/mL亞硫酸鐵，直至溶液呈淡藍色，避光儲存7d后用Malvern激光粒度儀測定納米TiO2顆粒的粒徑。按液固比2∶1將鈦膠與活性炭混合，加入一定量的可溶性淀粉并迅速攪拌30min、靜置24h，然后過濾瀝干，于120℃烘箱中干燥2h。最后將其置于電阻爐溫度控制器中500℃條件下處理2h，即得所需TiO2光催化劑[6]。

1.3.2 冷電弧-光催化-吸附裝置的制作

冷電弧反應器以鋼化玻璃為介質，紗布為流面層，銅箔為電極導體，采用典型的立式介質阻擋放電結構[5]。

1.3.3 試驗流程

圖1 冷電弧-光催化-吸附集成反應器脫色試驗流程圖Fig.1 Technology process of decoloration experiment by non-thermal plasma-photocatalytic-adsorption

將負載有TiO2的活性炭添加到冷電弧-光催化-吸附裝置中。調節圖1中二級變壓器將220V交流電壓調至試驗所需電壓，同時調節恒流泵流速至試驗所需的流速，然后用蒸餾水對反應器進行清洗，同時注意保持裝置外部干燥。待蒸餾水基本流盡后，將木瓜多糖混合液泵入該裝置中以進行脫色處理。具體試驗流程如圖1所示[8]。

1.3.4 木瓜多糖溶液的制備

將新鮮木瓜削皮、去籽、切片、烘干、粉碎后，過40目篩，稱取一定量的木瓜粉，按液固比40∶1添加蒸餾水、超聲處理35min、75℃水浴浸提65min，離心去除濾渣，將所得溶液定容于一定體積的容量瓶中，待脫色處理。

1.3.5 木瓜多糖的測定

采用蒽酮-硫酸法[10]測定溶液中的總糖，3，5-二硝基水楊酸（dinitrosalicylic acid，DNS）法[11]測定其還原糖，兩者之差即為木瓜多糖的含量。

1.3.6 多糖提取液最大吸收波長的測定

將木瓜多糖提取液進行紫外-可見光譜全波長掃描，確定溶液有色物質的最大吸收波長。

1.3.7 單因素試驗

在常溫、常壓、空氣相對濕度＜70%的條件下，量取100mL木瓜多糖粗提液，以脫色率和多糖保留率為指標。研究多糖初始濃度、電壓、脫色時間及活性炭填充率4個因素對木瓜多糖粗提液脫色效果的影響，脫色率與糖保留率計算公式如下：

式中：A0為脫色前的吸光度值，A1為脫色后的吸光度值。

式中：C1為脫色后木瓜多糖的質量濃度，mg/mL，C0為脫色前木瓜多糖的質量濃度，mg/mL。

1.3.8 木瓜多糖脫色工藝的優化

選取脫色時間、電壓、活性炭填充率及多糖初始質量濃度4個因素，采用二次回歸正交旋轉組合設計優化脫色條件[12]。以木瓜多糖溶液的脫色率（Y1）和糖保留率（Y2）為考察指標，采用綜合評分法進行評價[13]。評分標準為多糖脫色率和保留率的權重各占50%，即綜合得分Y=（Y1+Y2）×50%。

2 結果與分析

2.1 多糖粗提液最大吸收波長的確定

掃描結果表明，木瓜多糖溶液無最大吸收波長。根據多糖溶液脫色前后均為橙黃色，故從溶液的互補色考慮，選擇450nm為檢測波長[14]。

2.2 單因素試驗

2.2.1 脫色時間對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

在多糖初始質量濃度3.13mg/mL、電壓14.0kV、載有光催化劑納米TiO2活性炭填充率33.0%條件下，脫色時間對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖2所示。

圖2 脫色時間對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.2 Effect of time on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖2中可知，多糖粗提液的脫色率隨脫色時間的增加逐漸升高，而糖保留率卻隨之逐漸降低。處理時間的增加，增加了木瓜多糖液的循環次數從而增加了與反應體系的接觸時間，有利于冷電弧、光催化、吸附作用及其協同作用的累積，色素分子大量被氧化從而提高了脫色效率；但時間不宜超過45min，以免造成多糖的大量損失。

2.2.2 電壓對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當多糖初始質量濃度為3.13mg/mL、脫色時間15min、納米TiO2活性炭填充率33.0%時，電壓對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖3所示。

圖3 電壓對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.3 Effect of voltage on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖3可知，電壓升高，木瓜粗提液的脫色率明顯增加，糖類物質的保留率一直呈遞減的趨勢。當電壓從10kV上升到13kV后，脫色率急劇增加，之后雖然也呈遞增趨勢，但比緩慢，而糖類物質保留率的下降趨勢平緩。這可能是因為低于13kV時，冷電弧效果比較微弱，產生的紫外光較少，光催化效果比較差，冷電弧、光催化作用及其協同效應都相對較弱，所以脫色率不高；當增大電壓后，綜合作用得到顯著加強，脫色率明顯上升，但高于25kV時操作不安全，故電壓保持在18～25kV較合適。

2.2.3 活性炭填充率對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

選取多糖初始質量濃度3.13mg/mL、脫色時間15min、電壓15kV，活性炭填充率對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖4所示。

圖4 活性炭填充率對木瓜多糖脫色率和保留率的影響Fig.4 Effect of activated carbon filling rate on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖4可知，隨著活性炭填充率的增加，多糖粗提液的脫色率逐漸升高，多糖的保留率逐漸降低。在沒有添加活性炭時，脫色率約為31%，遠低于加入活性炭時的脫色率，這說明單一冷電弧技術的脫色效果不如冷電弧-光催化-吸附集成技術的脫色效果。但當填充率大于51%后，可能是因為反應裝置內氣液分布不均導致冷電弧作用減弱，雖然光催化劑及活性炭的量增加，但光催化劑需要的激發光如紫外線并沒有增加，光催化作用及冷電弧作用的減弱抵消了部分活性炭的吸附作用，總體上呈現平衡趨勢。

2.2.4 多糖初始質量濃度對木瓜多糖脫色率和糖保留率的影響

當脫色時間為15min、電壓15kV、納米TiO2活性炭填充率40%時，多糖初始質量濃度對木瓜多糖粗提液脫色率和糖保留率的影響如圖5所示。

圖5 木瓜多糖濃度對其脫色率和糖保留率的影響Fig.5 Effect of polysaccharide concentration on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

從圖5可知，木瓜多糖質量濃度為4.0～1.5mg/mL范圍時，脫色率達到50%～70%。脫色率呈先增后降的趨勢。這可能是因為高質量濃度時，多糖液體系中的色素含量較多，且色素分子的吸附抑制了電子空穴的復合，加強了光催化作用，被降解的色素也越多，但是在單位時間內催化氧化降解色素分子的能力時有限的，質量濃度過高時，生產的中間產物富集在活性炭及光催化劑周圍，阻礙了光催化劑的催化作用及活性炭的吸附作用[15]。

2.3 二次回歸正交旋轉組合設計確定木瓜多糖最佳脫色工藝條件

2.3.1 因素水平編碼

根據二次回歸正交旋轉組合設計的要求，需對所選因素進行編碼，選取脫色時間、加載電壓、多糖初始質量濃度及活性炭填充率4個因素進行優化試驗，因素水平編碼見表1，設計結果見表2。

表1 響應面試驗因素水平編碼Table 1 Factors and levels of response surface methodology

表2 二次回歸正交旋轉組合設計及試驗結果Table 2 Quadratic orthogonal rotary combination design and experimental results

2.3.2 回歸方程及回歸系數的檢驗

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the fitted regression model

由表3 可知，回歸方程在α=0.01水平上高度顯著，X1X2、X1X3、X3X4和X2X4均不顯著，X2、X3、X1X4、X2X3、X22、X32及X42在α=0.01水平上高度顯著，X1、X12、X4在α=0.05水平上顯著，剔除不顯著項，并代入中心化公式X′=X2-0.667得回歸方程（3）：

2.3.3 零水平處重復試驗

在中心點處有12次重復試驗，試驗結果分別為Y01，Y02，…，Y12，用由此產生的誤差平方和S誤對失擬平方和Slf進行檢驗，結果如公式（4）所示：

由公式（5）可知，失擬誤差是由試驗誤差引起的，回歸方程在中心點擬合較好。

2.3.4 回歸方程的還原

根據編碼公式，將簡化后的回歸方程變換得方程（5）：

2.3.5 最佳工藝條件確定

對方程（5）求偏導數得最優值，Z1=3.7、Z2=22.7、Z3=24、Z4=41.4，即多糖初始濃度3.7mg/mL、處理時間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%為最優工藝條件，將其代入方程（6）得綜合得分73.7。將此條件進行3組平行試驗，測得脫色率72.2%，糖保留率76.6%，綜合得分74.9，與預測值相差1.8%。

3 結論

乙酰丙酮、可溶性淀粉及硫酸亞鐵可顯著提高TiO2催化劑的催化活性，通過單因素試驗和二次回歸正交旋轉組合設計優化試驗，得出最佳脫色工藝條件為多糖初始質量濃度3.7mg/mL、處理時間22.7min、電壓24.0kV及活性炭填充率41.4%，脫色率達73.2%，糖保留率達76.6%。在同等條件下，冷電弧-光催化-吸附技術的脫色率比單一冷電弧技術高26.8%。冷電弧-光催化-吸附集成技術在木瓜多糖脫色工藝中取得了良好的脫色效果，且具有脫色時間短、無二次污染、操作簡單、成本低等特點，這可為該技術在其它脫色工藝中的應用提供理論依據。

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