大孔吸附樹脂純化杏仁皮單寧工藝的研究

杜凱，馬養民，2，郭林新，雷瑞

(1.陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021；2.陜西省輕化工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021)

杏仁為薔薇科植物山杏Armeniacasibirica(L.) Lam.的種子，主要含有糖類、蛋白質、膳食纖維等營養成分[1]。杏仁產品已在食品、化妝品、潤滑劑等行業大量生產。然而，杏仁皮作為杏仁加工過程中的副產品，通常被當作固體廢物而丟棄。這不僅導致資源嚴重浪費而且對環境造成一定的污染。目前國內外關于杏仁皮的研究主要集中在油脂[2]、酚類[3]、維生素E[4]等方面，而關于杏仁皮單寧的研究報道較少。單寧是一類分子量為500～3 000 的多元酚類次生代謝產物。可以與多糖、蛋白質、生物堿生成沉淀[5]，且具有抗炎、抗癌、抗哮喘等藥理活性[6]。已被廣泛應用于皮革、膠黏劑、飲料制造、動物飼料等行業[7]，其市場需求量逐年增加。

常見的單寧純化方法有：大孔吸附樹脂法、膜分離法、萃取分離法、色譜法等。其中大孔吸附樹脂法有成本低、耗能小、綠色、操作簡單等諸多優點，已經被廣泛應用于工業生產中。大孔吸附樹脂根據其不同的型號規格，對欲分離物質有不同的吸附解吸性能。所以本文選取不同型號的大孔吸附樹脂進行靜態吸附及解吸的對比效果研究，找到適合純化杏仁皮單寧的大孔吸附樹脂，并考察上樣濃度、上樣流速、上樣量對吸附性能的影響，乙醇濃度、洗脫流速、洗脫液用量對解吸性能的影響。從而建立一條綠色、環保、高效、操作簡便的杏仁皮單寧純化工藝路線，為杏仁皮單寧的后續研究提供數據支撐。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

杏仁皮，由陜西天壽杏仁食品有限公司提供；X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂均為優級純；乙醇、醋酸鋅、氨水、鉻黑T、氯化銨、乙二胺四乙酸二鈉均為分析純。

HF200型酶標儀；R502B型旋轉蒸發器；DK-98Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋；SHZ-Ⅲ型循環水式真空泵；HZQQ空氣恒溫振蕩器；BS2202S電子秤；BS224S型分析天平。

1.2 實驗方法

1.2.1 杏仁皮單寧粗品的制備 取干燥的杏仁皮粗粉于提取瓶中，加入50%的乙醇溶液(料液比為1∶22 g/mL)，在70 ℃下回流提取90 min，過濾，重復提取3次，合并濾液，將其真空濃縮后備用(單寧粗品純度為9.97%)。

1.2.2 單寧含量的測定 采用絡合法測定單寧含量[8]。將樣品加水約至60 mL于35 ℃水浴溫熱15 min。精密移取4.00 mL 1.000 mol/L醋酸鋅溶液于100 mL容量瓶中，加入2.80 mL氨水，搖勻使白色沉淀溶解，緩慢加入已預熱的待測濃縮液，邊加邊搖，加完后繼續振搖1 min，置原水浴保溫30 min，間歇振搖數次，待反應完畢，冷卻至室溫，定容，混勻后過濾，精密移取濾液10.00 mL于錐形瓶中，并加入150 mL水、12.5 mL pH=10的NH3-NH4Cl緩沖溶液和3滴鉻黑T指示劑。以0.026 31 mol/L EDTA·2Na滴定至溶液由酒紅色變為藍色。單寧含量按下式計算：

單寧含量=

其中，0.155 6指每毫升1 mol/L的醋酸鋅溶液平均消耗單寧0.155 6 g；VZn為移取鋅離子體積量，mL；CZn為鋅離子物質的量濃度，mol/L；VEDTA為EDTA消耗體積，mL；CEDTA為EDTA濃度，mol/L；W為樣品的質量，g。

1.2.3 大孔吸附樹脂的預處理[9]稱取適量X-5、S-8、AB-8、HP-20、D-101型大孔吸附樹脂，加入95%乙醇浸泡過夜，充分溶脹后，過濾，以大量蒸餾水沖洗至溶液無明顯的白色渾濁且無醇味，加入5%HCl溶液浸泡8 h，過濾，用蒸餾水沖洗至溶液為中性，加入5%NaOH溶液浸泡8 h后用蒸餾水沖洗至溶液為中性，過濾，用蒸餾水浸泡保存備用。

1.2.4 大孔吸附樹脂的篩選[9-10]分別稱取1.0 g預處理好的5種大孔吸附樹脂于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)24 h吸附平衡后，測定溶液單寧含有量。過濾吸附液，用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸24 h，測定解吸液單寧含有量。分別按式(1)～(3)計算吸附量、吸附率和解吸率。

(1)

(2)

(3)

式中Co——吸附前溶液的單寧含有量，g；

Ce——吸附平衡后溶液的單寧含有量，g；

Cd——解吸液的單寧含有量，g；

m——大孔吸附樹脂的質量，g。

1.2.5 吸附與解吸動力學 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 0.83 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩(25 ℃、110 r/min)吸附12 h，平行24份，每隔1 h取1份測定溶液單寧含有量，過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL 75%乙醇解吸液同等條件下振蕩解吸12 h，每隔1 h取1份測定解吸液單寧含有量。繪制大孔吸附樹脂靜態吸附與解吸動力學曲線。

1.2.6 上樣濃度對吸附的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL不同單寧濃度(0.41，0.83，1.20，1.59，2.01 mg/mL)樣液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h，測定溶液單寧含有量。

1.2.7 乙醇濃度對解吸的影響 稱取HP-20型樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，移取20 mL 1.20 mg/mL單寧溶液加入其中，置于搖床上恒溫振蕩吸附4 h，過濾吸附液并用蒸餾水洗滌樹脂2次，加入30 mL不同乙醇濃度(40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%)解吸液振蕩解吸3 h，測定解吸液單寧含有量。

1.2.8 上樣流速對吸附的影響 稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm)，取3 BV 1.20 mg/mL單寧溶液分別以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)上樣，收集流出液測定單寧含有量。

1.2.9 洗脫流速對洗脫的影響 按1.2.8節下吸附平衡后，取2 BV蒸餾水沖洗柱子，加入3 BV 70%乙醇溶液以不同流速(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 BV/h)洗脫柱子，收集流出液測定單寧含有量。

1.2.10 泄露曲線及洗脫曲線的繪制 稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(1 cm×40 cm)，加入5 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速流過玻璃柱。每流出0.5 BV收集溶液并測定單寧濃度。當洗脫溶液的單寧濃度是初始單寧濃度的1/10時，說明樹脂已經達到吸附平衡[11-12]。平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子，用70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h洗脫。每流出0.5 BV收集洗脫液并測定單寧濃度。當洗脫液單寧濃度基本不變時，說明洗脫完畢。

2 結果與討論

2.1 大孔吸附樹脂的篩選

為了篩選出適合杏仁皮單寧純化的大孔吸附樹脂，選擇了5種型號的大孔吸附樹脂進行靜態吸附及解吸實驗。通常大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率越高，證明其吸附和解吸效果越好，越適合用于分離物質的純化。

表1 5種大孔吸附樹脂靜態吸附及解吸結果Table 1 Results of static adsorption and desorption offive macroporous resins

由表1可知，S-8型大孔吸附樹脂的吸附效果最好，吸附量達14.09 mg/g，吸附率達84.9%。其次是HP-20型大孔吸附樹脂，吸附量為13.88 mg/g，吸附率為83.6%。但S-8型大孔吸附樹脂的解吸率較差，只有60.8%；HP-20型大孔吸附樹脂解吸率最好，達到90.7%。綜合考慮，選擇HP-20型大孔吸附樹脂用于后續的杏仁皮單寧純化實驗。

2.2 靜態吸附及解吸動力學

吸附速度是大孔吸附樹脂吸附性能的一個重要參考指標[13]。

圖1 HP-20型樹脂靜態吸附及解吸曲線Fig.1 Static adsorption and desorptioncurves of HP-20 resins

由圖1可知，HP-20型樹脂在1 h之內吸附量迅速增加，之后緩慢增加。經過4 h的吸附，吸附量趨于穩定，吸附達到平衡，所以最佳靜態吸附時間為 4 h。HP-20型樹脂在1 h之內解吸率急劇增加，3 h后解吸基本達到平衡，解吸率達到90.2%。因此，最佳靜態解吸時間為3 h。

2.3 上樣濃度對吸附的影響

由圖2可知，單寧濃度對大孔吸附樹脂吸附性能影響較大。隨著單寧濃度的增加，吸附率先上升后下降。在杏仁皮單寧濃度為0.41 mg/mL時，吸附率僅為73.6%；當單寧濃度為1.20 mg/mL時，吸附率達到92.7%；當單寧濃度>1.20 mg/mL后，吸附率迅速下降。這是因為當上樣液的單寧濃度增加時，單寧分子增多，這有助于單寧分子擴散到樹脂中，達到吸附率上升的效果；但當濃度達到一定程度時，超過了樹脂吸附能力，從而使得吸附率降低。所以，上樣液單寧濃度選擇1.20 mg/mL為宜。

圖2 單寧濃度對HP-20型樹脂吸附率的影響Fig.2 Effect of tannins concentration onadsorption ratio of HP-20 resins

2.4 乙醇濃度對解吸的影響

由圖3可知，當洗脫液的乙醇濃度為40%～70%時，解吸率隨乙醇濃度的增大而升高；乙醇濃度為70%時，解吸率達到最高，為91.3%；乙醇濃度>70%時，解吸率有降低趨勢。綜合考慮，選擇70%乙醇溶液作為洗脫液。

圖3 乙醇濃度對HP-20型樹脂解吸率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on desorptionratio of HP-20 resins

2.5 流速對吸附及解吸的影響

由圖4可知，上樣流速越快，吸附率越低。當上樣流速為0.5～1.0 BV/h時，吸附率均較高；當上樣流速>1.0 BV/h時，吸附率急劇下降。因此，選擇 1 BV/h作為上樣流速。當洗脫液流速<1.5 BV/h時，解吸率均在90%以上，且變化不大；當洗脫液流速>1.5 BV/h時，解吸率迅速下降。綜合考慮，選擇1.5 BV/h作為洗脫液流速。

圖4 流速對HP-20型樹脂吸附及解吸率的影響Fig.4 Adsorption and desorption ratios ofHP-20 resin at different flow rates

2.6 泄露及洗脫曲線的繪制

由圖5可知，在泄露曲線中，當上樣量為4 BV時，流出液的單寧濃度為0.12 mg/mL，是上樣濃度的1/10，表明此時達到了動態吸附平衡。從洗脫曲線中可知，單寧主要集中在0～2 BV的流出液，3 BV洗脫液就可以將樹脂洗脫完畢。因此，上樣量確定為4 BV，洗脫液用量確定為3 BV。

圖5 HP-20型樹脂泄露及洗脫曲線Fig.5 Leakage and elution curves of HP-20 resin

2.7 驗證實驗

稱取HP-20型樹脂10.0 g，濕法裝入層析柱(2 cm×40 cm)，加入4 BV 1.20 mg/mL單寧溶液以1.0 BV/h的流速進行吸附。吸附平衡后以2 BV蒸餾水沖洗柱子，用3 BV 70%乙醇溶液以流速為1.5 BV/h 進行洗脫。收集洗脫液，濃縮干燥，測定單寧含量。重復3次，取平均值，結果見表2。

表2 驗證實驗結果(n=3)Table 2 Results of verification tests

由表2可知，杏仁皮單寧純度從純化前的9.97%提高到了32.58%，表明該工藝純化效果良好。

3 結論

本研究比較了5種大孔吸附樹脂對杏仁皮單寧的吸附解吸性能，考察了上樣濃度、上樣流速、上樣量、乙醇濃度、洗脫液用量、洗脫流速等因素對純化效果的影響。結果顯示HP-20型樹脂分離純化效果最好，且最佳上樣液單寧濃度為1.20 mg/mL、上樣流速為1 BV/h、上樣量為4 BV、洗脫液為70%乙醇溶液、洗脫液用量為3 BV、洗脫流速為1.5 BV/h。在此條件下，杏仁皮單寧純度由9.97%提高到32.58%。本研究首次從杏仁皮分離純化得到單寧，純化工藝穩定可靠，為后續有效利用杏仁皮單寧提供理論基礎。