制備柿單寧金屬吸附劑的柿屬植物種質篩選

易慶平，閔慧玉，樊睿怡，張青林，羅正榮

(1.荊楚理工學院 生物工程學院，湖北荊門 448000；2.華中農業大學 園藝植物生物學教育部重點實驗室，武漢 430070；3.荊門市格林美新材料有限公司，湖北荊門 448124)

中國是柿(DiospyrosL.)的原產地和柿屬植物的原產中心之一。在中國分布的柿屬植物中，柿是作為果樹栽培的代表種。此外，還有用于提取柿單寧的油柿(D.oleifera)，用作栽培柿砧木的君遷子(D.lotus)等近緣種[1]。中國是世界上最早利用柿單寧的國家，柿單寧具有防水、防腐、防蟲蛀以及染色等功效[2]。一般以未成熟柿果或加工后廢棄的柿皮等為原料，經清洗、榨汁、發酵、酶解、過濾、濃縮等步驟制得的柿單寧溶液或干粉。柿單寧富含酚羥基，對金屬離子具有吸附能力，作為一種來源豐富、環境友好的天然高分子吸附材料，其應用前景引起廣泛關注[3-4]。已報道的柿單寧金屬吸附劑有單寧酚醛樹脂、單寧接枝膠原纖維/殼聚糖材料及負載含氮、硫功能基團的衍生物，吸附對象包括重金屬[5-7]、放射性元素[8-9]和貴金屬[10-13]。中國柿屬植物種質資源最為豐富，不同類型的柿果被用作提取柿單寧的原料，但評價和篩選不同柿屬植物單寧優質種質資源用作金屬吸附劑的研究鮮見報道[14-15]。本研究以7份代表性的中國特產柿屬植物為對象，采用Folin-Ciocalteu法測定不同種質和不同發育時期果實單寧質量分數，并以柿果粉為原料采用硫酸交聯法制備出柿單寧金屬吸附劑，通過比較其對貴金屬Au(III)的吸附能力，試圖篩選出適合用于制備柿單寧金屬吸附劑的專用種質及其采樣時期，以期為柿屬植物單寧功能化產品開發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材分柿(D.kakiThunb.)和油柿(D.oleifera)兩種，包括主栽澀柿品種‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盤柿’(D.kakiThunb.)、珍稀特色種質‘黑柿’(D.kakiThunb.)、中國甜柿‘鄂柿1號’(D.kakiThunb.)和日本甜柿‘陽豐’(D.kakiThunb.)以及油柿(D.oleifera)的一個單株共7份，采取盛花后140 d未成熟的果實供試。此外，采取盛花后35、70、105、140、175 d的油柿果實用于比較不同發育時期的單寧質量分數及其制備柿單寧金屬吸附劑的效果。以上樣品全部采自華中農業大學柿圃。采集后的柿果洗凈、切片去核、真空冷凍干燥后，采用破碎機磨成細粉，過60目網篩-80 ℃保存，備用。

1.2 單寧質量分數測定

參考Oshida等[16]Folin-Ciocalteu 法測定柿可溶性和不溶性單寧質量分數。柿果總單寧質量分數為可溶性和不溶性單寧質量分數的總和。

1.3 吸附劑制備

含柿單寧的金屬吸附劑制備采用硫酸交聯法[17]稍有修改。具體方法：取5 g柿粉，加10 mL濃硫酸在80 ℃溫度下交聯固化24 h，用NaHCO3中和后蒸餾水洗至中性，烘干，研磨后過60目網篩，備用。

1.4 吸附試驗

金是非常典型的貴金屬，在手機、電腦印刷電路板等電子廢棄物中具有很高的含量，具有極高的回收價值[4]。本研究以Au(III)為代表性金屬離子用于評價7種不同柿種質制成的金屬吸附劑的吸附能力。將HAuCl4·4H2O配制成5 000 mg/L的Au(III)溶液，備用。

1.4.1 不同原料和不同發育時期制備的吸附劑對Au(III) 的吸附能力差異 20 mg不同類型柿種質以及油柿不同發育時期柿粉制成的吸附劑分別與20 mL含0.1 mol/L HCl、初始質量濃度為600 mg/L Au(III)離子溶液混合，在MAXQ-4000恒溫氣浴搖床(美國Thermo公司)中30 ℃以200 r/min振蕩反應24 h。

1.4.2 不同吸附時間對吸附劑吸附Au(III)效果的影響 20 mg油柿(盛花后140 d)制備的吸附劑分別與20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始質量濃度為600、1 800 mg/L Au(III)離子溶液混合，30 ℃振蕩，按照一定時間間隔取樣(5～2 880 min)。

1.4.3 不同初始溶液質量濃度對吸附劑吸附Au(III)效果的影響 20 mg油柿(盛花后140 d)制備的吸附劑分別與20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始質量濃度分別為600、1 200、1 800、2 400、3 000 mg/L Au(III)離子溶液混合，分別于30、40、50 ℃溫度下振蕩24 h。

“1.4.1”、“1.4.2”和“1.4.3”吸附試驗均重復3次，過濾后用Spectra AA 220原子吸收光譜儀(美國VARIAN公司)測定吸附前后金屬離子質量濃度。計算吸附率(%)或平衡吸附量qe(mg/g)。

吸附率=(Ci-Ce)/Ci×100%

qe=(Ci-Ce)/W×V

式中：qe為平衡吸附量(mg/g)、Ci與Ce分別為吸附前后金屬離子溶液的質量濃度(mg/L)，W與V分別為吸附劑用量(mg)和溶液體積(mL)。

進一步采用Langmuir[18]和Freundlich[19]2種等溫線方程對試驗數據進行線性擬合。

Ce/qe=(Ce/qm)+(1/bqm)

lnqe=lnKF+(1/n)lnCe

式中：Ce為溶液平衡質量濃度(mg/L)，qe和qm分別為平衡吸附量的試驗值(mg/g)和理論最大值(mg/g)，b為Langmuir吸附平衡常數(L/mg)。kF和n為Freundlich常數，分別指吸附能力和吸附強度。一般認為1

2 結果與分析

2.1 不同柿種質的單寧質量分數差異及其對金吸附的影響

表1顯示，同一時期不同柿屬植物的柿單寧質量分數差異較大，油柿的單寧質量分數最高，澀柿品種的質量分數明顯高于甜柿。油柿‘磨盤柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’的總單寧質量分數均在12%以上，油柿遠大于其他柿屬植物。由圖1可以看出，單寧質量分數最高的油柿具有最大吸附率，吸附率達94.9%，吸附率稍低的分別為澀柿‘恭城水柿’(85.5%)‘磨盤柿’(84.5%)和‘黑柿’(82.2%)，而單寧質量分數最低的日本甜柿‘陽豐’吸附率最低，僅67.6%。不同柿種質原料制成的吸附劑對Au(III)的吸附率與單寧質量分數的變化存在正相關，可見吸附劑原料柿單寧質量分數對金的吸附率影響很大。在這些柿種質中，油柿的單寧質量分數最高，可以作為優先選擇制備單寧吸附劑的原料，澀柿‘磨盤柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’也可以作為制備吸附劑的備選柿種質。

表1 7種柿屬植物柿果單寧質量分數Table 1 Tannin mass fraction of fruit in 7 genotypes of Diospyros L. %

圖1 不同柿種質吸附劑對Au(III)的吸附效果Fig.1 Adsorption rate of Au(III) using adsorbents derived from different persimmon germplasm

2.2 油柿不同發育時期單寧質量分數及其對Au(III)吸附的影響

由圖2可知，在整個發育時期單寧質量分數均較高，盛花后35～140 d總單寧質量分數均在27%以上，盛花后70 d時達最高值30.60%，盛花后175 d隨著果實成熟軟化其單寧質量分數下降至19.28%。由圖3可知，盛花后35～140 d柿果吸附劑對Au(III)的吸附率均很高，吸附率為93.8%～96.2%，而盛花后175 d油柿已經開始軟化成熟，制得的吸附劑對Au(III)的吸附率降至86.4%。考慮到柿果發育的大小和果實質量因素，適宜的油柿采樣時期推薦為盛花后140 d。因此，以下試驗采用的吸附劑是盛花后140 d油柿濃硫酸交聯固化制備的吸附劑，進行動力學與等溫線吸附試驗評價其對Au(III)的吸附性能。

圖2 油柿不同發育時期柿果單寧質量分數Fig.2 Tannin mass fraction of D.oleifera at different developmental stages

2.3 以油柿果實為原料的金屬吸附劑對Au(III)的吸附動力學

圖4所示不同吸附劑時間(5～2 880 min)對油柿吸附劑吸附Au(III)的影響。吸附動力學曲線表明，在不同初始質量濃度下吸附劑對Au(III)的吸附過程均比較緩慢，隨著時間的延長，吸附率緩慢上升。原因在于柿單寧酚羥基和Au(III)存在氧化還原反應，反應過程較慢[21]。當Au(III)初始質量濃度為600 mg/L 36 h后該吸附劑對Au(III)能實現100%完全吸附。當Au(III)初始質量濃度為1 800 mg/L時，吸附時間為36 h和48 h時的吸附率分別為60.1%和71.2%。若延長吸附時間吸附率還會有所增加。

2.4 以油柿果實為原料的金屬吸附劑對Au(III)的吸附等溫線

圖 5 所示不同初始離子質量濃度(600～3 000 mg/L)對油柿吸附劑吸附Au(III)的影響。隨著離子質量濃度的增加，最初吸附量上升很快，之后隨著Au(III)離子初始質量濃度的增加，吸附量緩慢增加，最終達到一個接近穩定的飽和吸附容量。50 ℃溫度下吸附劑對Au(III)吸附量明顯高于其他溫度，隨初始質量濃度增加還能大幅增加，說明該吸附過程是吸熱的，升高溫度可大幅提高吸附容量。

圖3 不同發育時期油柿吸附劑對Au(III)的吸附效果Fig.3 Adsorption rate of Au(III) of D.oleifera adsorbents at different developmental stages

圖4 油柿吸附劑對Au(III)吸附動力學Fig.4 Adsorption kinetics for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

從圖6和表2可知，與Freundlich擬合結果相比，Langmuir方程的相關系數(R2)更高，達到0.99以上，這表明吸附過程符合Langmuir單分子層吸附模型，說明吸附過程為單分子層吸附。根據Langmuir擬合計算出在30、40、50 ℃的理論最大吸附容量分別為1 292.0、1 353.2、1 647.5 mg/g。Freundlich擬合得到的常數n值為4.726～11.806，說明吸附反應均容易發生。

圖5 油柿吸附劑對Au(III)吸附等溫線Fig.5 Adsorption isotherms for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

圖6 吸附劑對吸附Au(III)的(a)Langmuir和(b)Freundlich線性擬合Fig.6 Linear fitting of adsorption isotherms of Au(III)(a) Langmuir (b) Freundlich

溫度/℃TemperatureLangmuirqm /(mg/g)b/(L/mg)R2FreundlichKFnR2301 292.0 0.007 9 0.996 8254.2 4.726 0.986 7401 353.2 0.012 8 0.996 7650.0 10.834 0.958 3501 647.50.013 30.991 2824.7 11.8060.900 8

3 討 論

中國原產的栽培柿品種多為澀柿。澀柿成熟后軟化，其傳統用途為鮮食或制作柿餅，加之深加工技術滯后，嚴重制約了中國柿產業的發展。柿單寧具有特殊的生理生化活性，已廣泛應用于醫學、食品工業、制革工業、日化工業、冶金工業、環境污染治理等領域[22-23]。這些新用途為單寧含量極高的柿種質開辟了前景，具有較為廣泛的應用價值和潛在市場。

柿單寧的單體構成類型、聚合度數量以及聚合物的分布是變化的，它們會隨著品種和發育時期的差異而有所不同[24]。夏宏義等[25]測定不同類型12個柿品種果實生長發育過程中縮合單寧質量分數的變化，發現柿果實的生長發育進程中單寧質量分數盛花后35～50 d達到最高水平，隨后逐漸降低，但不同類型柿間總含量及變化幅度存在較大差異。韓衛娟等[26]研究柿果實中可溶性單寧質量分數的年變化發現，不同品種果實可溶性單寧質量分數均在生長初期最高，隨著果實的生長發育而逐漸降低。本研究所采用的7種柿屬植物雖然數量不多，但極具代表性，‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盤柿’分別為陜西、廣西、河北等中國澀柿主產區主栽品種，栽培面積大、產量高。油柿在湖南、江西、浙江等地作為柿栲膠原料廣泛栽培。該研究柿種質柿果單寧質量分數的變化規律與夏宏義等[25]和韓衛娟等[26]研究結果基本一致。今后還可以進一步豐富并擴大柿屬植物如‘君遷子’ ‘美洲柿’ ‘野柿’等的種類以及采樣時期，建立和完善柿屬植物單寧資源的測定標準和評價體系，為促進柿單寧功能化產品開發和柿產業可持續發展提供科學依據。

柿單寧來源豐富、成本低、富含酚羥基、易于制備，是一種應用前景廣闊的生物吸附材料。本研究結果表明吸附劑原料中柿單寧質量分數的多少對金吸附率影響很大，不同柿種質吸附劑對金屬離子Au(III)吸附率與單寧質量分數的變化存在正相關性。未經提取純化的油柿柿果單寧質量分數高達27%，通過濃硫酸交聯得到的吸附劑對Au(III)吸附能力強，不同溫度下吸附容量均在1 200 mg/g以上，與其他生物吸附劑相比吸附量很高[27]。該方法具有簡單易行、成本低、效率高等優點，可應用于電子廢棄物循環回收稀貴金屬和環境工程領域。因此，有必要對中國油柿的分布、產區及產量等進行調查和評估，以便更好地開發利用油柿這一寶貴資源，以油柿為制備吸附劑的原料，開發新型高效的柿單寧金屬吸附劑，為柿單寧吸附材料的產業化應用奠定基礎。