活性炭法對柿子粉多糖色素脫除的研究

王 輝，句榮輝，王 麗，朱建晨

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442）

0 引言

柿子別名朱果，為柿科（Ebenaceae） 柿屬（Diospyros L.f.），屬于多年生落葉喬木，雙子葉植物，原產(chǎn)于中國，主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，成熟的柿子色澤鮮亮軟甜多汁。中國栽培柿子的歷史已有3 000 多年。柿樹對環(huán)境有很強的適應(yīng)性，具有改善土壤、保持土壤水分的作用[1-3]。

柿子味甜、黏、涼，屬肺、胃、大腸經(jīng)。柿子是一種傳統(tǒng)中藥，具有清熱潤肺、化痰止咳、生津止渴的作用[4-5]，眾多研究已經(jīng)表明，柿子還有抗腫瘤、降血脂、抑菌等藥性作用。在中醫(yī)的臨床治療中，常被用作輔助治療咳嗽、喉嚨痛、口瘡潰瘍和高血壓等疾病[6-8]。

柿子被人們認為是綠色健康的保健食品，享有“果中圣品”的美譽，其果實富含多酚類、維生素、糖、蛋白質(zhì)、單寧、膳食纖維素、胡蘿卜素、鈣、磷等營養(yǎng)素[9-11]。另外，胡蘿卜素具有抑制機體氧化應(yīng)激的功能，以及降低血液中的膽固醇含量、預(yù)防心血管疾病等功效。其中，多酚類化合物和膳食纖維素對人體具有生物活性作用[12]。鮮食柿子和柿子粉、柿餅、柿子、柿子果酒等各種加工產(chǎn)品，可以提高人體的抵抗力，預(yù)防和輔助心血管疾病的治療，還可以促進消化，有利于智力發(fā)育和美容養(yǎng)顏。

常用的色素類物質(zhì)去除方法有化學(xué)氧化法(過氧化氫脫色法、次氯酸鈉脫色法)、物理吸附法（大孔樹脂脫色法、活性炭吸附法） 等[13-14]。其中，化學(xué)氧化法可能會對柿子粉中的化學(xué)成分造成結(jié)構(gòu)上的破壞，進而影響其生物活性。大孔樹脂脫色法是利用離子交換的原理，將色素吸附到大孔樹脂中，從而達到脫色的目的，但是同時可能吸附柿子粉的活性物質(zhì)，造成營養(yǎng)成分的流失。活性炭吸附法屬于物理吸附，是一種固體表面現(xiàn)象，它是利用多孔性固體吸附劑處理氣態(tài)污染物，使其中的一種或幾種組分在分子引力或化學(xué)鍵力的作用下，被吸附在固體表面，從而達到分離的目的，利用物理吸附的原理將色素除去，且活性炭易從柿子粉中除去，且不會對柿子粉中的活性物質(zhì)造成破壞。基于此，試驗選用活性炭吸附法除去柿子粉色素。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

柿子，采摘于北京市房山區(qū)青龍湖鎮(zhèn)口頭村；活性炭，北京索萊寶生物科技有限公司提供；濃硫酸、考馬斯亮藍、牛血清蛋白、木瓜蛋白酶無水葡萄糖、苯酚、乙醇等，均為分析純化學(xué)試劑；實驗用水為二級蒸餾水。

1.1.2 儀器

UV-8000A 型紫外- 可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；Eppendorf 型高速離心機，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；SH2-C型雙功能水浴振蕩器，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司產(chǎn)品；EL204 型分析天平，上海菁海儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 柿子粉色素最大吸收波長的掃描

精密稱取柿子粉1 g，用蒸餾水溶解并定容到100 mL 容量瓶中，利用紫外分光光度計對其掃描全波長，結(jié)果顯示柿子粉色素于波長280 nm 處存在最大吸收峰，確定柿子粉色素的檢測波長為280 nm。

1.2.2 脫色效果的測定[15]

對柿子粉活性炭脫色效果的評價采用脫色率表示，脫色率的計算公式如下：

式中：AD0——柿子粉溶液通過活性炭脫色前于280 nm 處的吸光度；

AD1——柿子粉溶液通過活性炭脫色后于280 nm 處的吸光度。

1.2.3 多糖色素保留率的測定[16]

采用苯酚- 硫酸法，以葡萄糖為對照品，線性回歸方程為：

式中：A——吸光度；

C——以葡萄糖記的多糖色素質(zhì)量濃度，mg/mL。

式中：C1——溶液脫色后多糖色素質(zhì)量濃度，mg/mL；

C0——溶液脫色前多糖色素質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.2.4 活性炭脫色的單因素試驗

（1） 活性炭添加量對脫除柿子粉多糖色素的影響。分別移取柿子粉溶液10 mL 置于5 個50 mL 的具塞錐形瓶中，分別加入2%，4%，6%，8%，10%的活性炭，置于40 ℃水浴振蕩器中，振搖30 min后靜置離心，取濾液測定其脫色率和多糖色素保留率。

（2） 脫色溫度對脫除柿子粉多糖色素的影響。分別在5 個50 mL 的具塞錐形瓶中移取柿子粉溶液10 mL，加入4%的活性炭，分別置于20，30，40，50，60 ℃水浴振蕩器中，振搖30 min 后靜置再離心，測定處理后的溶液脫色率和多糖色素保留率。

（3） 脫色時間對脫除柿子粉多糖色素的影響。分別移取柿子粉溶液10 mL 置于5 個50 mL 的具塞錐形瓶中，加入4%的活性炭，置于40 ℃水浴振蕩器中，分別振搖10，20，30，40，50 min 后靜置離心，測定其脫色率和多糖色素保留率。

1.2.5 活性炭添加量對脫除柿子粉多糖色素的正交試驗[17]

通過單因素試驗進行總結(jié)分析，最終選用活性炭添加量（A）、脫色溫度（B） 和脫色時間（C） 3 個因素進行多因素試驗。

正交試驗因素與水平設(shè)計見表1。

表1 正交試驗因素與水平設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 活性炭添加量對脫除柿子粉多糖色素的影響

活性炭添加量對脫除柿子粉多糖色素的影響見圖1。

圖1 活性炭添加量對脫除柿子粉多糖色素的影響

由圖1 可知，在設(shè)定的范圍內(nèi)，隨著活性炭添加量的增加，柿子粉多糖色素的脫除量逐漸增加，而柿子粉中多糖保留率逐漸降低。當(dāng)活性炭添加量為10%時，脫色率達到最高為74.12%。活性炭的物理吸附作用對于色素物質(zhì)來說，作用明顯，雖然活性炭添加量越大脫色越明顯，但是與此同時多糖也在一定程度上有所損失，故綜合考慮生產(chǎn)成本和試驗效果，活性炭添加量為試樣質(zhì)量的6%時，為最佳添加量。

2.1.2 脫色溫度對脫除柿子粉多糖色素的影響

脫色溫度對脫除柿子粉多糖色素的影響見圖2。

圖2 脫色溫度對脫除柿子粉多糖色素的影響

由圖2 可知，在一定范圍內(nèi)，隨著處理溫度的增加，柿子粉多糖色素物質(zhì)逐漸脫除，在達到40 ℃時，溫度再增加脫色率變化不大，而多糖保留率逐漸降低。由此可見，增大溫度對于色素物質(zhì)具有一定的破環(huán)作用，可能是在高溫作用下色素物質(zhì)中的雙鍵吸收能量斷鍵，使得具有呈色能力的色素物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，從而達到脫色目的。

2.1.3 脫色時間對脫除柿子粉多糖色素的影響

脫色時間對脫除柿子粉多糖色素的影響見圖3。

圖3 脫色時間對脫除柿子粉多糖色素的影響

由圖3 可知，隨著脫色處理時間的延長，柿子粉多糖色素的去除率逐漸增加。當(dāng)脫色時間達到30 min 時，隨著脫色時間再增加，脫色率也沒有發(fā)生太大的變化，多糖色素保留率隨時間逐漸增加發(fā)生降低。脫色時間會對脫色效果產(chǎn)生一定影響，與此同時，多糖也會有所損失，所以為了保證一個較合理的平衡點，考慮30 min 為最佳脫色時間。

2.2 活性炭添加量對脫除柿子粉色素的正交試驗結(jié)果

活性炭法對柿子粉多糖色素脫除正交試驗結(jié)果見表2，柿子粉多糖色素脫除活性炭法的方差分析見表3。

表2 活性炭法對柿子粉多糖色素脫除正交試驗結(jié)果

表3 柿子粉多糖色素脫除活性炭法的方差分析

由表3 可知，影響活性炭對柿子粉色素脫除效果的因素按照影響程度大小的順序是A>C>B，即活性炭添加量對柿子粉多糖色素脫除效果的影響差異是具有統(tǒng)計學(xué)意義的（p<0.05），脫色時間因素影響次之，脫色溫度因素影響最小。由此可以確定活性炭對柿子粉顏色物質(zhì)脫除最佳工藝條件是A2B2C3，即活性炭添加量6%，脫色溫度40 ℃，脫色時間40 min。在此條件下，柿子粉的脫色率為78.09%，多糖色素保留率為84.17%。

2.3 最佳工藝驗證試驗

分別取柿子粉溶液10 mL 加入到3 個50 mL 的具塞錐形瓶中，加入6%的活性炭，置于40 ℃水浴振蕩器中，振搖40 min 后靜置離心，取濾液測定其脫色率和多糖保留率。通過這樣處理后，柿子粉的脫色率為78.41%，多糖色素保留率為84.98%。與正交試驗的結(jié)果基本相符，因此確定該脫色工藝條件是合理可行的，可以作為柿子粉多糖色素脫除活性炭法的最佳工藝條件。

3 結(jié)論

對于植物性農(nóng)產(chǎn)品中多糖的深入研究，大多數(shù)從中提取出來的多糖純度都比較低，含有各種蛋白質(zhì)、色素類物質(zhì)等雜質(zhì)，對于研究多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、化學(xué)變化及生物學(xué)活性都有不同程度的影響。植物性農(nóng)產(chǎn)品中多糖脫色工藝的主要方法包括物理吸附法、化學(xué)方法、離子交換樹脂法等，這些方法的特點是，物理吸附法是一種固體表面現(xiàn)象，讓小分子物質(zhì)被吸附在固體表面達到分離的目的[18-19]。如離子交換樹脂對多糖脫色效果一般較好，但由于操作強度大、成本高，一般認為不會對多糖結(jié)構(gòu)造成影響；化學(xué)法脫色是指用次氯酸鹽等的氧化性，在一定條件下使廢水中有機物發(fā)色基團的不飽和鍵氧化斷裂，形成分子質(zhì)量小的有機物或無機物，從而達到脫色的目的。比如，雙氧水、次氯酸鈉具備操作簡單、成本低、易于清除等優(yōu)點，但其具一定的氧化性，可能對多糖空間結(jié)構(gòu)及生物活性造成影響[20-21]。一種優(yōu)良的脫色工藝包括優(yōu)良的脫色劑和簡單易行的操作工藝，具體來說就是對多糖脫色率及多糖保留率較高，且易于從多糖中清除，不引起新的雜質(zhì)；簡單易行的操作工藝可以提高純化的效果和工作強度，并適合工業(yè)化生產(chǎn)。

對活性炭添加量、脫色溫度及脫色時間脫除于柿子粉多糖色素效果進行研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多糖色素脫除率在處理條件下隨著活性炭添加量的增加而增大，多糖色素保留率呈現(xiàn)降低趨勢。但在實際生產(chǎn)與操作中，要選擇合適的活性炭添加量，既要保證達到理想的脫色效果，又不會增加活性炭的成本。

脫色率在一定范圍內(nèi)隨著脫色溫度的升高而增大，這可能是因為色素分子隨著溫度升高，其分子運動的頻率變大，從而加速活性炭對于色素的吸附過程。溫度過高會導(dǎo)致柿子粉中的營養(yǎng)物質(zhì)流失，所以在實際操作中，要選擇合適的脫色溫度。

隨著脫色時間的增加，柿子粉中色素的脫除速率也隨之增大，到達一定時間后，脫色率基本保持不變，這可能是因為活性炭吸附色素的過程基本到達平衡，即使再增加時間，脫色率也不會發(fā)生太大變化。多糖色素保留率隨著時間的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，可能是因為脫色時間越長，活性炭對于柿子粉中多糖的吸附越多。活性炭吸附柿子粉多糖色素的最佳工藝為活性炭添加量6%，脫色溫度40 ℃，脫色時間40 min，在此條件下脫色率為78.41%，多糖色素保留率為84.98%。所得試驗結(jié)果在取得脫色率比較高的情況下?lián)p失的多糖色素并未顯著高于其他試驗組合，試驗結(jié)果是可以進一步在生產(chǎn)中進行擴大量試驗和驗證試驗。