大孔樹脂分離純化火龍果紅色素的工藝研究

陳 宇，林 旺，許 琳

（1.莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院；2.福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建莆田351100）

大孔樹脂分離純化火龍果紅色素的工藝研究

陳 宇1,2，林 旺1,2，許 琳1

（1.莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院；2.福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建莆田351100）

以白肉和紅肉火龍果果皮為研究對(duì)象，探究大孔樹脂對(duì)火龍果色素分離純化工藝.采用靜態(tài)吸附和解吸實(shí)驗(yàn)比較ADS-7、S-8、NKA-9、AB-8、D-101、X-5六種型號(hào)樹脂分離純化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：S-8型大孔樹脂吸附和解吸性能較好，其分離純化最優(yōu)參數(shù)為色素液pH=2～3，洗脫劑pH=5，洗脫劑為0.2%鹽酸和40%乙醇混合溶液，上樣液流速2 BV/h，洗脫曲線最佳體積160 mL，純化后色素的色價(jià)分別為62.50和70.18，是純化前的倍5.31和5.26倍.

火龍果紅色素；大孔樹脂；分離純化；吸附率；解析率

火龍果(Pitaya)，又稱紅龍果、龍珠果等，仙人掌科、量天尺屬植物果實(shí).由于火龍果富含植物白蛋白、花青素和膳食纖維，集水果、保健、醫(yī)藥和環(huán)保于一身，深受廣大食品行業(yè)科研工作者的青睞［1-2］.按其果皮果肉的顏色，火龍果可分為紅皮紅肉、紅皮白肉、黃皮白肉等品種.其中紅皮紅肉火龍果是一種新的改良品種，它的果實(shí)富含大量的天然色素，從果皮到果肉的顏色呈玫瑰紅到紫紅色，是天然色素提取加工的良好來(lái)源［3-4］.同時(shí)，火龍果果皮是火龍果果品加工的副產(chǎn)物，人們僅食用火龍果果肉，棄去果皮，這又為利用火龍果果皮紅色素提供了豐富的原料.從其果皮中分離純化天然色素，可以變廢為寶，可以實(shí)現(xiàn)火龍果的綜合利用，提高火龍果的附加值，為火龍果產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供新途徑.

根據(jù)色素化學(xué)成分和主要雜質(zhì)成分來(lái)進(jìn)行選擇的天然色素粗提物的分離純化方法有：層析法、膜分離法、兩相萃取法、溶劑分級(jí)沉淀法等［5］.大孔樹脂是內(nèi)部呈交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子珠狀體，對(duì)物質(zhì)具有選擇性的分離作用，大孔樹脂具有吸附容量大、吸附速度快、選擇性好、再生簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于天然活性物質(zhì)的分離純化［6-7］.

袁橋玉、劉新橋采用AB-8對(duì)肺形草總黃酮純化工藝進(jìn)行研究，該純化工藝簡(jiǎn)便、易行、重復(fù)性好，可作為肺形草總黃酮的有效富集方法，為進(jìn)一步充分開發(fā)肺形草的藥用價(jià)值提供了研究基礎(chǔ)［8］.陳美紅等人研究了NKA大孔吸附樹脂分離純化桑椹紅色素的工藝條件.樹脂重復(fù)使用8次后，吸附率僅降低2.8%.經(jīng)純化后的色素為紫黑色粉末，其色價(jià)為452，是未純化的 48.7倍［9］.

本文采用AB-8、D-101等六種不同型號(hào)的大孔樹脂對(duì)火龍果紅色素進(jìn)行靜態(tài)吸附和解析試驗(yàn)，從而篩選出對(duì)火龍果紅色素純化性能較好的樹脂，以便確定該大孔樹脂的最優(yōu)純化工藝條件和參數(shù)，為火龍果紅色素產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模化提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

HCl、NaOH、果膠酶、無(wú)水乙醇均為分析純，ADS-7、S-8、NKA-9、AB-8、D-101、X-5 六種大孔樹脂購(gòu)于上海華震科技有限公司.

JJ-2組織搗碎勻漿機(jī)（常州國(guó)華有限公司），SHB-IIIS循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），UV-1240紫外可見分光光度計(jì)(島津制作所)，DSHZ-300A水浴恒溫振蕩器（江蘇太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠），BS-100A自動(dòng)部分收集器（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），HL-2B恒流泵（上海瀘西分析儀器廠有限公司），HC-2064低速離心機(jī)（安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2 .1 火龍果紅色素的提取

紅肉、白肉火龍果取皮，絞碎，以蒸餾水提取，料液比為1∶20，適當(dāng)加入果膠酶加速分解，置于水浴恒溫振蕩器內(nèi)，在25℃、150 r/min條件下振蕩提取50 min.離心分離，得亮紫色色素溶液，測(cè)其在535 nm波長(zhǎng)下的吸光度 A0［10］.

1.2 .2 大孔樹脂的預(yù)處理

將不同型號(hào)的大孔吸附樹脂用95%乙醇（2倍樹脂體積）浸泡8 h后，用去離子水沖洗至無(wú)醇味；4%～5%NaOH溶液浸泡240 min后，用去離子水沖洗至中性；再用4%～5%HCl溶液浸泡240 min后，用去離子用水沖洗至中性；最后用去離子水浸泡，密封于0～2℃冰箱中遮光保存?zhèn)溆?

1.2 .3 最佳樹脂的篩選

以紅皮紅肉火龍果的紅色素為研究對(duì)象，用分析天平分別稱取5 g活化后的6種大孔樹脂，放置在250 mL錐形瓶中，隨后加入100 mL的火龍果紅色素上清液，置于水浴恒溫振蕩器中，在25℃、150 r/min條件下振蕩吸附120 min，535 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸附后樣液的吸光度值A(chǔ)1，利用公式（1）計(jì)算吸附率.

吸附率（%）=（A0-A1）/A0*100. （1）

式中：A0：吸附前原液吸光度；A1：吸附后上淸液的吸光度.

吸附平衡后，用循環(huán)真空泵抽濾，得到吸附后的大孔樹脂，分別加入100 mL由不同體積分?jǐn)?shù)的鹽酸和乙醇混合溶液組成的洗脫劑，置于水浴恒溫振蕩器中，在30℃、150 r/min條件下振蕩吸附120 min，535 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸附后樣液的吸光度值A(chǔ)2，利用公式（2）計(jì)算解析率.

解析率（%）=A2/(A0-A1)*100. （2）

式中：A0：吸附前原液吸光度；A1：吸附后上淸液的吸光度；A2：解吸后上清液的吸光度.

1.3 大孔樹脂靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

1.3 .1 色素提取液pH值的確定

按照1.2.3法篩出的最佳樹脂在不同pH的色素提取液進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)，測(cè)量上清液在535 nm下的吸光度值，計(jì)算靜態(tài)吸附率并比較不同條件對(duì)樹脂吸附性能的影響，以選擇適宜pH的色素提取液.

1.3 .2 洗脫劑的確定

按1.2.3法篩出的最佳樹脂分別選擇不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇、乙醇的不同pH以及不同體積分?jǐn)?shù)、不同pH的鹽酸溶液進(jìn)行解吸試驗(yàn)，待色素充分解吸后測(cè)定上清液在535 nm下的吸光度值，計(jì)算解析率，比較不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇、乙醇的不同pH以及不同體積分?jǐn)?shù)、不同pH的鹽酸和乙醇混合溶液對(duì)樹脂脫附性能的影響，以選擇適宜體積分?jǐn)?shù)的鹽酸和乙醇混合溶液.

1.4 大孔樹脂動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

1.4 .1 上樣流速的確定

將活化后的S-8大孔樹脂均勻裝柱，取一定濃度和酸度的色素液調(diào)節(jié)恒流泵以不同的流速（1 BV/h、2 BV/h、3 BV/h、4 BV/h、5 BV/h）上柱吸附.設(shè)定自動(dòng)部分收集器使色素液以等時(shí)間流出并收集于試管中，用分光光度計(jì)測(cè)量吸附后流出的色素液在535 nm波長(zhǎng)下的吸光度值，計(jì)算其吸附率，確定其最佳吸附流速.

1.4.2 洗脫曲線考察

最佳吸附流速確定以后，調(diào)節(jié)恒流泵以該流速進(jìn)行洗脫，設(shè)定自動(dòng)部分收集器使色素溶液以等體積流出并收集，最終確定最佳洗脫劑用量，并繪制洗脫曲線［11］.

1.5 色價(jià)的測(cè)定

按上述試驗(yàn)確定的各種條件分離、純化紅肉火龍果果皮色素，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收乙醇，將色素濃縮液冷凍干燥得到紫色無(wú)定形固體，計(jì)算純化前后色素的色價(jià).色價(jià)的計(jì)算公式：=AX稀釋倍數(shù)/色素重量(g).

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂的選擇

預(yù)處理后的6種型號(hào)大孔樹脂吸附火龍果紅色素如圖1所示，其吸光度隨著時(shí)間增加而逐漸減少，最后趨于平緩.在150 min后，樹脂靜態(tài)吸附達(dá)到平衡，吸光度值無(wú)明顯變化，比較6種樹脂吸附后的上層色素液的吸光度值大小順序?yàn)椋篘KA-9

分別計(jì)算6種大孔樹脂的吸附率和解析率，可得表1.由表1可知，NKA-9、S-8對(duì)火龍果紅色素的吸附率相對(duì)較高，分別達(dá)到87.4%、63.2%，吸附能力較強(qiáng)；其他4種大孔樹脂吸附能力相當(dāng).而對(duì)色素的解析率相對(duì)較高的是S-8、X-5樹脂，解析能力較其他樹脂強(qiáng).分析原因：樹脂本身的結(jié)構(gòu)和性能（極性）會(huì)影響其吸附和解析能力，根據(jù)物質(zhì)相似相溶原理，極性大孔樹脂更容易吸附同樣顯極性的火龍果紅色素，因此吸附率較大.綜合考慮以上靜態(tài)吸附和解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，NKA-9雖然吸附率很高，但考慮到其解析率極低，NKA-9不適合選作最佳大孔樹脂，而S-8對(duì)火龍果紅色素有較強(qiáng)的選擇性、吸附率較大，且易被解吸，因此，選擇S-8大孔吸附樹脂進(jìn)行后續(xù)工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn).

2.2 大孔樹脂靜態(tài)條件的研究

2.2 .1 色素液的pH值對(duì)大孔樹脂吸附效果的影響

色素液的pH值對(duì)S-8大孔樹脂吸附率的影響見圖3.在酸性條件有利于S-8大孔樹脂吸附色素，但在過(guò)酸情況下（pH=1）反而會(huì)降低樹脂的吸附率，在pH為2～3時(shí)，最有利于樹脂吸附色素.因?yàn)榛瘕埞刂饕獮樘鸩塑疹惿兀擃惿卦谒嵝詶l件下較穩(wěn)定，但在堿性環(huán)境中極不穩(wěn)定，會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為黃色的甜菜黃質(zhì)［12］.因此，pH對(duì)色素的吸附影響較大，確定最佳色素液pH為2～3.

2.2 .3 洗脫劑的pH值對(duì)大孔樹脂解析效果的影響

洗脫劑的pH值對(duì)S-8大孔樹脂解析率的影響如圖4所示，在酸性條件有利于S-8大孔樹脂的解析色素，但在過(guò)酸情況下（pH=1）反而會(huì)降低樹脂的解析率，在pH=5時(shí)，白肉和紅肉火龍果的色素解吸率最大，解析效果最好.堿性條件下色素變性，導(dǎo)致大孔樹脂無(wú)法吸附色素和完成解吸實(shí)驗(yàn)，因此，pH對(duì)色素的解析影響較大，確定最佳洗脫劑pH=5.

圖1 6種大孔樹脂的靜態(tài)吸附曲線

圖2 6種大孔樹脂的靜態(tài)解析曲線

表1 6種大孔樹脂對(duì)火龍果紅色素的吸附和解析效果

圖3 色素液的pH值對(duì)S-8大孔樹脂吸附率的影響

圖4 洗脫劑的pH值對(duì)S-8大孔樹脂解析率的影響

圖5 乙醇濃度對(duì)S-8大孔樹脂解析率的影響

2.2 .4 乙醇濃度對(duì)大孔樹脂解析效果的影響

乙醇濃度對(duì)大孔樹脂解析效果的影響如圖5所示，一定濃度的乙醇溶液有利于樹脂解吸，隨著乙醇濃度的增加樹脂的解吸率也增高，當(dāng)乙醇濃度為40%時(shí)，樹脂解吸率達(dá)到最高；繼續(xù)增加乙醇濃度，樹脂解吸率反而有所下降.實(shí)驗(yàn)表明，乙醇的體積分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低均不利于解吸，確定40%的乙醇為白肉和紅肉火龍果紅色素的最佳洗脫劑組成.

2.2 .5 HCl濃度對(duì)大孔樹脂解析效果的影響

HCl濃度的改變可以引起解吸率的變化，當(dāng)HCl濃度為0.2%時(shí)，S-8樹脂對(duì)白肉火龍果和紅肉火龍果紅色素的解吸率最高，繼續(xù)增加HCl濃度不能使解吸率增加，解析率反而有所下降，如圖6所示.

2.3 大孔樹脂動(dòng)態(tài)條件的研究

2.3 .1 上樣液流速對(duì)大孔樹脂吸附效果的影響

樣液流速對(duì)S-8大孔樹脂吸附率效果也有一定的影響，當(dāng)流速為1～2 BV/h時(shí)，白肉和紅肉火龍果吸附率均較高，接近于100，如圖7所示.這說(shuō)明低流速有利于樹脂吸附色素，色素可被完全吸附.當(dāng)繼續(xù)增加流速時(shí)，吸附率呈下降趨勢(shì)，樹脂吸附效果相對(duì)較差.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣液流速太小，則吸附時(shí)間太長(zhǎng)；樣液流速太大，色素不能充分吸附就流出樹脂床而造成吸附效果不好，選擇2 BV/h為最佳上樣液流速較為合適.

2.3 .2 樣液的洗脫曲線

白肉火龍果和紅肉火龍果色素的吸光度值隨著流出液體積增加而呈現(xiàn)一個(gè)峰值（約在體積為40 mL處），如圖8所示.當(dāng)流出液體積為160 mL時(shí)火龍果紅色素基本全部被洗脫出來(lái)，故洗脫劑的最佳用量為160 mL.

2.4 色價(jià)

圖6 HCl濃度對(duì)S-8大孔樹脂解析率的影響

圖7 上樣液流速對(duì)S-8大孔樹脂吸附率的影響

圖8 樣液洗脫曲線

在上述確定的最佳條件下分離純化白肉和紅肉火龍果果皮色素并計(jì)算其色價(jià)，純化前果皮色素色價(jià)分別為11.77和13.34，純化后色素的色價(jià)分別為62.50和70.18，是純化前的倍5.31和5.26倍.

3 結(jié)論

（1）通過(guò)分別對(duì)S-8、AB-8、D-101、X-5、ADS-7、NKA-9 6種大孔樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附和解析實(shí)驗(yàn).綜合比較6種大孔樹脂的吸附和解析性能，S-8的吸附率為63.2%、解析率為26.3%，從而確定S-8為最優(yōu)純化大孔樹脂.

（2）實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比研究S-8大孔樹脂分離純化紅皮白肉火龍果和紅皮紅肉火龍果果皮紅色素，得出S-8樹脂純化火龍果紅色素的最優(yōu)工藝參數(shù)條件為：色素液pH=2～3，洗脫劑pH=5，上樣流速為2 BV/h，洗脫劑組成為0.2%鹽酸和40%乙醇，洗脫劑的最佳用量為160 mL，純化后色素的色價(jià)分別為62.50和70.18，是純化前的倍5.31和5.26倍.

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The Processing Research of Separation and Purification of Pigment from Pitaya with Macroporous Resins

CHEN Yu1,2,LIN Wang1,2,XU Lin1
（1.College of Environmental&Biological Engineering,Putian University;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Ecology-Toxicological Effects&Control for Emerging Contaminants,Putian 351100,Fujian,China）

Using white and red pitaya as the raw material,explore the macroporous resin purification process of pitaya pigment.6 type macroporous resins,ADS-7,S-8,NKA-9,AB-8,D-101,X-5 were used to select the better performance for separation and purification of red pigment from pitaya.The results showed that,the S-8 had the higher adsorption rate and desorption rate.The optimum purification technology by S-8 resin was as follow:the pH value of pigment solution is 2～3,the pH of elution solution is 5,the concentration of eluent solution is 0.2%HCl and 40%C2H6O,the current velocity of adsorption is 2 BV/h,the volume of elution curve of 160 mL,the color scale of pigments purified from peel of white pitaya was 62.50,and it was 5.31 times higher as compared with that before purification,and the color scale of pigments purified from peel of red pitaya was 70.18,and it was 5.26 times higher as compared with that before purification.

pitaya pigment；macroporous resin；separation and purification；adsorption rate；desorption rate

S667.9

A

1007-5348（2017）09-0056-05

2017-06-02

莆田市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014N13)；福建省科技廳項(xiàng)目（2017J01645）.

陳宇（1980-），女，遼寧沈陽(yáng)人，莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院副教授，碩士；研究方向：天然產(chǎn)物的提取分離與測(cè)試.

（責(zé)任編輯：邵曉軍）