大孔離子交換樹脂對菊粉純化效果的研究

范三紅,李 靜,王亞云,胡雅喃

(山西大學生命科學學院,山西太原 030006)

大孔離子交換樹脂對菊粉純化效果的研究

范三紅,李 靜,王亞云,胡雅喃

(山西大學生命科學學院,山西太原 030006)

采用樹脂法對菊粉粗提液進行脫色、脫蛋白研究。通過靜態和動態篩選實驗,得出D280與D151兩種離子交換樹脂組成的串聯樹脂對菊粉粗提液脫色、脫蛋白效果最好。結果表明:最佳脫色、脫蛋白條件為樹脂m(D280)∶m(D151)=2∶1,pH為6.5,流速為3.19mL/min,在此條件下樹脂純化菊粉粗提液的最大體積為28.3mL/(g樹脂),粗提液的脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率分別為90.1%、88.9%、96.8%。

樹脂,脫色,脫蛋白

菊芋為菊科向日葵屬多年根生植物,其主要成分有水、菊粉、蛋白質、果膠、纖維素等,其中菊粉含量占菊芋塊莖濕重的20%左右,干重的80%左右[1]。菊粉,是一種天然功能性食品配料,它具有膳食纖維和雙歧因子兩重功效,長鏈菊粉由于其粘度和熱穩定的物理特性,成為脂肪和穩定劑的替代品,已經為食品工業尋求均衡及良好的口味提供了可能[2-3]。目前,菊粉的提取一般都采用熱水浸提法,在提取過程中有大量的蛋白質、果膠、色素等雜質也隨糖一起被提取出來,使粗提液中雜質較多,顏色呈棕褐色。為了得到純度較高的菊粉,需要對菊粉粗提液進行脫色、脫蛋白等去雜過程。一般脫除色素的方法主要是活性炭吸附法[4],該法因為活性炭顆粒小難以除去,增加了多糖純化的后處理的麻煩,并且解吸率較差,多糖損失率較高；脫蛋白主要是Sevage法[5]、三氯乙酸法[6]、HCl法[7]、石灰乳法[8]等,以上幾種主要為化學除蛋白方法,使多糖的損失率增加,而且會增加后續除鹽負擔。

利用樹脂純化菊粉已有文獻報道,但大多數是采用單一的樹脂進行純化[9-10]。本實驗以純化粗菊粉提取液為目標,以脫色率,脫蛋白率,菊粉保留率三個指標綜合考慮,探討不同的樹脂以及不同比例混合樹脂對菊粉粗提液的脫色、脫蛋白及菊粉保留率的影響,進而篩選出一種最優的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菊粉提取液(菊粉含量72.2%) 實驗室自制；樹脂D280,D151,D3250,AB-8 南開化工廠；樹脂D900,ADS-7,HPD-300L 滄州寶恩化工有限公司；考馬斯亮藍G-250 北京Solarbio公司；3,5-二硝基水楊酸,蒽酮,硫脲等,均為分析純。

AL204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器；奧立龍868型pH酸度計；SP-2000UV型紫外可見分光光度計 上海光譜有限公司；玻璃層析柱φ15mm×30cm,φ15mm×50cm 上海廈美生化公司；HL-2B恒流泵 上海青浦滬西儀器廠；THZ-92B臺式恒溫振蕩器 上海躍進醫療器械廠；B-C真空泵 鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樹脂的預處理 離子交換樹脂:稱取一定量離子交換樹脂,即D280,D900,D151,放于錐形瓶,先用10%的氯化鈉溶液浸泡24h,蒸餾水洗至流出液澄清,再用2%的NaOH溶液浸泡4h,用蒸餾水洗至中性,再加入5%的HCl溶液浸泡4h,用蒸餾水洗至中性備用[11]。

表1 七種樹脂的物理特性Table 1 Physical characteristics of seven resin

大孔吸附樹脂:稱一定量大孔吸附樹脂,即D3250,HPD-300L,ADS-7,AB-8,放于錐形瓶,先用無水乙醇浸泡24h,使其溶脹,用蒸餾水洗至流出液澄清且無乙醇味,再用2%的NaOH溶液浸泡4h,用蒸餾水洗至中性,再加入5%的HCl浸泡4h,用蒸餾水洗至中性備用[12]。

1.2.2 靜態篩選吸附實驗

1.2.2.1 不同樹脂的篩選 分別準確稱取1.5g經過預處理的上述七種吸附樹脂,放入錐形瓶中,加入30mL、pH5.5菊粉質量濃度為72.2%的粗提液,在轉速為120r/min、溫度為30℃恒溫水浴振蕩器中振蕩6h,抽濾得收集液,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.2.2 樹脂質量比例的確定 在樹脂總質量為1.5g的條件下,改變樹脂D280與D151的質量比,使質量比m(D280)∶m(D151)為1∶1、1∶2、2∶1,加入30mL相同濃度的菊粉粗提液,在轉速為120r/min、溫度為30℃的恒溫水浴振蕩器中振蕩6h,抽濾得收集液,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.2.3 粗提液pH對脫色、脫蛋白的影響 在樹脂總質量為1.5g的條件下,稱取D280與D151(D280與D151質量比為2∶1),調節粗提液pH分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0,條件同上,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.2.4 振蕩時間對脫色、脫蛋白的影響 在樹脂總質量為1.5g的條件下,稱取D280與D151(D280與D151質量比為2∶1),調節振蕩時間分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100min,條件同上,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.2.5 粗提液加入量對脫色、脫蛋白的影響 在樹脂總質量為1.5g的條件下,稱取D280與D151(D280與D151質量比為2∶1),分別加入粗提液30、40、50、60、70、80mL,條件同上,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.3 動態吸附實驗

1.2.3.1 動態混床樹脂實驗 在樹脂總質量為6g的條件下,稱取D280與D151(D280與D151質量比為2∶1)混合,利用濕法裝入φ15mm×30cm的層析柱中,調節恒流泵的流速為3.19mL/min,粗提液pH6.5上樣,收集流出液,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.3.2 串聯樹脂實驗 在樹脂總質量為6g的條件下,稱取D280與D151(D280與D151質量比為2∶1)利用濕法分別裝入φ15mm×50cm、φ15mm×30cm的層析柱中,調節恒流泵的流速為3.19mL/min,調節粗提液pH6.5上樣,使粗提液先經過樹脂D280,再經過樹脂D151,收集流出液,測定并計算其脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率。

1.2.4 相應指標測定方法及計算公式

1.2.4.1 脫色率測定與計算[13]在420nm下,測定菊粉粗提液的吸光度(A0)和菊粉收集液的吸光度(A1)進行測定,按以下公式計算菊粉的脫色率。

脫色率(%)=(A0-A1)/A0×100

1.2.4.2 脫蛋白率測定與計算 蛋白質含量以牛血清蛋白為標品,采用以考馬斯亮藍法在595nm下測定粗提液(B0)和收集液(B1)蛋白質的含量,按以下公式計算菊粉的脫蛋白率。

脫蛋白率(%)=(B0-B1)/B0×100

1.2.4.3 菊粉保留率測定與計算 總糖含量采用蒽酮法在620nm下測定,以葡萄糖為標品計算,還原糖含量采用3,5-二硝基水楊酸法在520nm下測定,以葡萄糖為標品計算。

菊粉含量(%)=總糖含量(%)-還原糖含量(%)

菊粉保留率(%)=C1/C0×100

其中:C0、C1分別為粗提液和收集液溶液中的菊粉含量。

2 結果與分析

2.1 蛋白質標準曲線

以牛血清蛋白質量濃度為橫坐標,吸光度值為縱坐標繪制標準曲線,見圖1,得回歸方程y=0.00656+0.1116,R2=0.9995,線性良好。

圖1 蛋白質標準曲線Fig.1 Protein standard curve

2.2 靜態篩選吸附實驗結果

2.2.1 不同樹脂靜態吸附對脫色與脫蛋白比較 不同樹脂對粗多糖中色素、蛋白質及多糖有不同的吸附功能,主要是由于樹脂的物理結構,如樹脂的極性、平均孔徑、比表面積、離子等和被吸附物質的物理和化學特性[14-16],大孔吸附樹脂主要是通過范德華力或其可以產生氫鍵進行相似相吸對物質進行吸附,離子交換樹脂主要是通過它本身所帶的離子與溶液中同號離子進行交換,進而起到吸附作用。從圖2可知,在7種樹脂中,對于菊粉粗提液中的色素,陰離子交換樹脂D280比大孔樹脂和陽離子交換樹脂脫色能力強,由此可以說明菊粉粗提液中的色素主要是以陰離子存在,AB-8脫色能力也比較好,可以判斷有一部分色素是以極性分子存在的。樹脂D280的脫色率最高,脫色率達到97.1%；D151的脫蛋白率最高,脫蛋白率達到98.0%,兩種樹脂對菊粉的吸附最少,菊粉的保留率都在90%以上,可能因為粗提液pH5.5時,使得色素分子和蛋白質分子都成為帶電荷分子,所以本實驗選用上述兩種樹脂進行脫蛋白、脫色的研究。

圖2 不同樹脂對粗提液的脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率比較Fig. 2 Effect of different resin on the crude extract of decoloring rate,the rate of protein,inulin retention rate

2.2.2 不同樹脂質量比對脫色和脫蛋白的影響 由圖2可知,樹脂D280與D151對菊粉脫色、脫蛋白分別最好,考慮到樹脂使用量的大小和操作復雜程度,故將兩種樹脂以一定的比例混合,研究混合樹脂對菊粉粗提液的脫色、脫蛋白效果。

從圖3可以看出,樹脂質量一定時,當樹脂D280比例增高時,脫色率隨之增大,當D151比例增大時,脫蛋白率增大。脫蛋白率、脫色率、菊粉保留率三者綜合考慮,當D280與D151質量比為1∶1時,菊粉的保留率小于90%,當比例為1∶2與2∶1時,脫蛋白率、脫色率、菊粉保留率都大于90%,為了減小菊粉的損失,所以選擇混合樹脂的質量比m(D280)∶m(D151)=2∶1。

圖3 不同樹脂質量比對粗提液脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率的影響Fig.3 Effect of different resin quality than coarse extraction liquid decolorization rate,rate of protein, the effect of inulin retention rate

2.2.3 pH對菊粉脫蛋白和脫色的影響 溶液的pH也是影響樹脂吸附的重要因素,它主要通過改變溶液的酸堿性進而改變被吸附被物質的離子化程度來影響樹脂對其的吸附能力[17]。由圖4可知,隨著處理液pH的升高,樹脂對溶液的脫色率和脫蛋白率增大,但菊粉的保留率卻減小,pH在6.5～8.0時,脫色率和脫蛋白率增加的幅度緩慢,此時,菊粉的保留率下降的反而較快,說明色素和蛋白在酸性條件下易被吸附,但菊粉在堿性條件下易被吸附。因此,綜合考慮脫蛋白率、脫色率、菊粉保留率,選擇處理液pH為6.5進行下一步的實驗。

圖4 溶液pH對粗提液脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率的影響Fig.4 Effect of pH on the crude extract decoloring rate, rate of protein,the influence of inulin retention rate

圖5 振蕩時間對粗提液脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率的影響Fig.5 Effect of oscillation time on the crude extract decoloring rate,rate of protein,the influence of inulin retention rate

2.2.4 振蕩時間對菊粉脫蛋白和脫色的影響 由圖5可知,隨著振蕩時間的延長,脫色率和脫蛋白率隨之提高。在開始的60min內,脫蛋白率提高的幅度很大；在60～90min時,脫色率和脫蛋白率緩慢增加,在此段時間內,菊粉的保留率都在90%以上；在振蕩時間大于90min時,脫色率和脫蛋白率也有所增加,但菊粉的保留率低于90%,而且下降幅度增大,可能因為振蕩時間的延長,樹脂對菊粉也有部分吸附,綜合考慮菊粉保留率、脫蛋白率和脫色率的關系,所以選擇振蕩時間為60min。

2.2.5 粗提液體積對菊粉脫色脫蛋白的影響 由圖6可知,當提取液體積小于40mL/1.5g樹脂時,脫蛋白率、脫色率、菊粉保留率都在90%以上,當體積大于40mL/1.5g樹脂時,脫色率小于90%,而此時菊粉的保留率基本不變,說明樹脂的吸附量已達到飽和,不能再吸附物質。提取液為30mL,脫蛋白率、脫色率、菊粉保留率都基本保持在95%,考慮到樹脂用量與提取液為40mL相比樹脂用量有所增加,所以綜合考慮,選擇樹脂可以處理的最大體積為40mL/1.5g樹脂。

圖6 加入量對粗提液脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率的影響Fig.6 Effect of the amount on the crude extract decoloring rate,the rate of protein, the influence of inulin retention rate

2.2.6 動態混床樹脂對脫色脫蛋白的影響 從圖5、圖6可知當樹脂質量為1.5g時,加入40mL處理液,振蕩時間為60min,脫色率,脫蛋白率、菊粉保留率都大于90%,但從處理液的處理量、處理時間來考慮,靜態吸附的時間太長,處理液的體積太少,所以以下將D280與D151組成的混床樹脂進行動態實驗研究。

由圖7可知,當隨著處理量的增加,脫蛋白率和脫色率明顯減小,菊粉的保留率明顯增加,可能因為兩種樹脂的孔徑不同,導致樹脂之間的距離不同,對處理液不能有效地吸收,所以當收集液的體積為130mL,所用時間為41min時,脫蛋白率和脫色率已經下降到90%以下,相比靜態混合樹脂吸附量減小,但吸附時間比靜態吸附相對減少。

2.2.7 動態串聯樹脂對脫色脫蛋白的影響 由圖8可知,動態串聯樹脂與動態混床樹脂相同,也是隨著收集液的增加,脫蛋白率和脫色率明顯減小,菊粉的保留率反而增加,但是與動態混床樹脂相比,收集液的體積為170mL,時間為54min時,脫蛋白率和脫色率才開始從90%下降,相比靜態混合樹脂和動態混床樹脂,吸附量增大,吸附時間減小。可能因為在吸附過程中,動態吸附更有利于物質通過樹脂孔徑到達內表面。當總質量為6g使其質量比為2∶1,pH6.5,流速為3.19mL/min,收集液體積為170mL時,在此條件下重復3次,最后處理液的脫色率、脫蛋白率、菊粉保留率分別為90.1%、88.9%、96.8%。

圖7 動態混床樹脂處理量與脫色、 脫蛋白、菊粉保留率的關系Fig.7 Dynamic mixed bed resin processing and decoloring,protein,inulin retention rate

圖8 動態串聯樹脂處理量與脫色率、 脫蛋白率、菊粉保留率的關系Fig.8 Dynamic series of resin processing and decoloring rate,the rate of protein,inulin retention rate

3 結論

3.1 本實驗利用樹脂對粗菊粉提取液進行脫色和脫蛋白研究,首先利用靜態吸附篩選實驗,在七種樹脂中,根據脫色率、脫蛋白率和菊粉保留率三者綜合考慮,分別選取脫色率和脫蛋白率最高的樹脂D280與D151。

3.2 動態吸附實驗表明,混床樹脂比靜態吸附時間相對較短,但混床樹脂吸附量不如靜態吸附,串聯樹脂在時間和吸附量上都高于靜態吸附,在m(D280)∶m(D151)=2∶1、pH6.5、流速為3.19mL/min、收集液體積為28.3mL/(g樹脂)時,粗提液的脫色率為90.1%,脫蛋白率為88.9%,菊粉的保留率為96.8%。

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Study on the purification of inulin with macroporous ion exchange resin

FAN San-hong,LI Jing,WANG Ya-yun,HU Ya-nan

(College of Life Science,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Decolorization and deprotein of inulin crude extract was studied by the method of resin. The results showed two kinds of ion exchange resin(D280 and D151)constituting series resin for crude extract inulin decolorizating were the best through static and dynamic screening test. The best decoloration and deprotein condition were the two resins m(D280)∶m(D151)=2∶1,pH6.5,the flow rate 3.19mL/min. Under these conditions,purification inulin crude extract maximum volume of 28.3mL/(g resin),crude extract of the decolorization rate,the rate of removal of protein,inulin retention rate were 90.1%,88.9% and 96.8%.

resin;decolorization;deproteination

2014-04-03

范三紅(1963-),男,碩士，副教授,研究方向:食品科學。

山西省自然科學基金項目(2012011031-4)；山西省高等學校高新技術產業化項目(20111003)。

TS218

A

1002-0306(2015)03-0119-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.016