大孔树脂分离纯化碱蓬中甜菜红素的研究

来源:用户上传      作者:范作卿 顾寅钰 吴昊 郭洪恩 王向誉

　　摘要：以新鲜盐地碱蓬为材料，采用水提法得甜菜红素提取液，以吸附率、解吸率、吸附量为考察指标，分别考察了XAD-7、AB-8、D101三种大孔吸附树脂对甜菜红素的吸附与解吸性能，筛选出AB-8 为最适分离纯化盐地碱蓬中甜菜红素的大孔树脂。结合静态与动态试验，得出AB-8大孔树脂分离纯化甜菜红素的最佳工艺条件：将新鲜碱蓬与去离子水按质量比1∶1打浆过滤，重复浸提2次，混合甜菜红素水提液进行澄清后，可在室温下直接上柱吸附，以2 mL/min的上样流速进行吸附，上样体积为65 mL。吸附饱和后，用乙醇浓度为60%的洗脱液以2 mL/min的速度进行洗脱解吸，洗脱液用量165 mL，在此条件下甜菜红素的得率为 0.85%。
　　关键词：大孔树脂;碱蓬;甜菜红素;分离纯化
　　中图分类号：S574文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）01-0138-04
　　Separation and Purification of Beet Red Pigment
　　from Suaeda salsa by Macroporous Resin
　　Fan Zuoqing Gu Yinyu Wu Hao 2， Guo Hongen Wang Xiangyu 1
　　（1. Sericultural Research Institute of Shandong Province， Yantai 264002， China;
　　2. College of Food Science and Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China）
　　Abstract The beet red pigment was extracted from fresh Suaeda salsa by water method. The adsorption and desorption properties of three macroporous adsorption resins XAD-7， AB-8 and D101 for beet red pigment were investigated by using adsorption rate， desorption rate and adsorption capacity as indexes. AB-8 was secreened out as the best macroporous resin for the separation and purification of beet red pigment. Combined with static and dynamic tests， the optimum conditions for separation and purification of beet red pigment with AB-8 macroporous resin were obtained. The fresh Suaeda salsa and deionized water were filtered according to the mass ratio of 1∶1 and repeated 2 times. The extract could be adsorbed directly at normal temperature after mixed and clarified with the sample flow rate as 2 mL/min and the sample volume as 65 mL. After the adsorption was saturated， the pigment was eluted at the elution rate of 2 mL/min with 60% alcohol and the eluent volume was 165 mL. Under these conditions， the yield of beet red pigment was 0.85%.
　　Keywords Macroporous resin; Suaeda salsa; Beet red pigment; Separation and purification
　　鹽地碱蓬（ Suaeda salsa ）又名翅碱蓬，俗称黄须菜，属藜科碱蓬属，一年生草本植物[1]，一般生于海滨、荒漠等处的盐碱荒地上，是一种典型的盐碱地指示植物[2]，广泛分布于我国东北及河北、山东、江苏等地。研究表明：碱蓬的粗蛋白、粗脂肪和总糖含量较少， 膳食纤维和氨基酸等成分丰富， 是一种符合现代营养学健康饮食观念的野生植物[3]。再加上生长环境远离人烟，较少受到化肥农药的污染，是典型的无公害绿色蔬菜。生长在黄河三角洲滨海潮间和洼地的盐地碱蓬在整个生长季节地上部分都呈紫红色，高雪对其叶片中的红色素进行理化性质分析后发现，其为甜菜红素[4]，色泽鲜艳明亮，是天然的食用色素[5]。大孔吸附树脂法具有吸附容量大、速度快、选择性好、再生简便等优点被广泛用于天然产物的分离纯化[6-8]。
　　本研究以黄河三角洲滨海盐地碱蓬为原料，使用大孔树脂对碱蓬色素进行提取纯化，确定了最佳吸附及解析条件，为盐地碱蓬及其色素的开发利用提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料及主要试剂和仪器
　　碱蓬，2017年9月采于山东滨州港;大孔吸附树脂，北京索莱宝科技有限公司;无水乙醇，分析纯，烟台三和化学试剂有限公司;皂土，陕西矿物化工研究所;HR2056搅拌机，飞利浦公司;H2200R冷冻离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司;TS-200B恒温振荡器，上海天呈实验仪器制造有限公司;UV-2550紫外分光光度计，岛津公司;FD-1A-50冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司;HL-2恒流泵，上海青浦沪西仪器厂;PHS-3C型酸度计，上海虹益仪器厂;DB08-B层析柱，无锡天演生物技术有限公司。 　　1.2 试验方法
　　1.2.1 碱蓬中甜菜红素的提取 将采集的新鲜碱蓬以去离子水清洗3遍，去除泥沙控净水分后按质量比1∶1加去离子水用搅拌机打浆三层沙布过滤，重复浸提2次，收集滤液，以5 000 r/min离心15 min，取上清液，按2 g/L添加澄清皂土，摇匀静置澄清15 min，再以5 000 r/min离心15 min，取紫红色上清液即为甜菜红素提取液。
　　1.2.2 大孔树脂的预处理
　　选取XAD-7、AB-8、D101三种大孔吸附树脂，各取适量先以去离子水清洗，去除上层破碎树脂，滤纸滤净水分后置于无水乙醇中浸泡24 h，再以去离子水反复冲洗至无醇味后以滤纸滤净水分备用。
　　1.2.3 大孔树脂的静态吸附、解吸试验 （1）大孔树脂的筛选：分别称取XAD-7、AB-8、D101三种大孔吸附树脂3 g 于三只锥形瓶中，分别加入20 mL甜菜红素提取液，置于振荡器中在室温避光条件下振荡吸附24 h，振荡转速120 r/min，吸附完成后于538 nm[9]下测定上清液的吸光度A 2 （吸附前甜菜红素提取液的吸光度值为A 1 ）。
　　将吸附饱和的各型号树脂以滤纸过滤，分别转移至锥形瓶中，各加入60%的乙醇20 mL，置于振荡器中在室温避光条件下振荡解吸24 h，振荡转速120 r/min，解吸完成后于538 nm下测定上清液的吸光度A3。按下式分别计算吸附率、吸附量及解吸率。
　　E=（A 1 -A 2 ）/A 1 ×100 ;
　　G=（A 1 -A 2 ）×V ;
　　D=A 3 /（A 1 -A 2 ）×100 。
　　式中，E：吸附率，%;G：吸附量;D：解吸率，%;V：吸附前甜菜红素提取液的体积。
　　（2）静态吸附曲线：称取筛选出的大孔树脂10 g，加入60 mL甜菜红素提取液，置于振荡器中在室温避光条件下振荡吸附，振荡转速120r/min， 每隔0.5 h测定一次色素溶液的吸光度值，绘制静态吸附曲线。
　　（3）静态洗脱曲线：称取吸附饱和的大孔树脂10 g，加入60%乙醇60 mL，置于振荡器中在室温避光条件下振荡解吸24 h，振荡转速120r/min， 每隔0.5 h测定一次洗脱溶液的吸光度值，绘制静态洗脱曲线。
　　（4）提取液浓度对吸附效果的影响：分别称取5份筛选出的大孔树脂置于锥形瓶中，每份 2.5 g， 分别加入浓度为20%、40%、60%、80%、100%碱蓬甜菜红素提取液，置于振荡器中在室溫避光条件下振荡吸附，振荡转速120 r/min，5 h后取上清液测定吸光度值，计算吸附率及吸附量。
　　（5）洗脱液浓度对洗脱效果的影响：分别称取6份吸附饱和的大孔树脂置于锥形瓶中，每份3 g，分别加入浓度为20%、40%、60%、80%、90%、100%乙醇10 mL，置于振荡器中在室温避光条件下振荡洗脱，振荡转速120 r/min，5 h后取上清液测定吸光度值，计算解吸率。
　　1.2.4 大孔树脂的动态吸附、解吸试验 （1）上样流速对甜菜红素吸附效果的影响：称取75 g筛选出的大孔树脂装柱，将甜菜红素提取液分别以1、2、3 mL/min的流速上柱进行动态吸附试验，每5 mL收集一次流出液并测定其吸光度值，当流出液吸光度值达到原提取液的10%时为吸附的泄露点，以流出液体积对吸光度值作图。
　　（2）洗脱液流速对甜菜红素洗脱效果的影响：称取75 g吸附饱和的树脂装柱，用60%乙醇流动洗脱，分别控制流速为1、2、3 mL/min，每5 mL收集一次流出液并测定其吸光度值，以流出洗脱液体积对吸光度值作图。
　　1.2.5 甜菜红素的制备 称取一定量的新鲜碱蓬，在上述最佳分离纯化条件下进行吸附、洗脱，收集洗脱液，置于70℃水浴锅中进行浓缩，再经冷冻干燥制得粉末状甜菜红素，计算甜菜红素得率。
　　D=m 1 /m 2 ×100 。
　　式中，D：甜菜红素得率，%;m 1 ：所得甜菜红素的质量，g;m 2 ：所用碱蓬质量，g。
　　2 结果与分析
　　2.1 大孔树脂的筛选
　　由图1可以看出，盐地碱蓬中甜菜红素经三种类型树脂24 h振荡吸附后，弱极性树脂AB-8的吸附率、吸附量及解吸率显著高于极性树脂XAD-7，稍优于非极性树脂D101，吸附率及解吸率可达84.8%和64.1%，说明AB-8树脂更适于盐地碱蓬中甜菜红素的分离纯化。
　　2.2 静态吸附、洗脱曲线
　　由图2可以看出，1.5 h之内，提取液的吸光度值随时间延长而迅速降低，在2 h时基本趋于平衡，可见树脂AB-8对甜菜红素的吸附能力速度快，稳定性高，吸附时间以2 h为宜。以60%乙醇对树脂中的甜菜红素进行振荡洗脱，1 h后洗脱液的吸光度值便趋于稳定，说明洗脱过程达到平衡，因此，从AB-8树脂上用乙醇对甜菜红素的洗脱时间以1 h为宜。
　　2.3 提取液浓度对吸附效果的影响
　　由图3可以看出，随提取液浓度增大，树脂AB-8对甜菜红素的吸附率及吸附量都呈显著增加趋势，说明提取液的浓度越大，树脂AB-8对甜菜红素的吸附率越高，因此可对甜菜红素提取液澄清后直接进行吸附分离，以达到最高的吸附率。 　　2.4 乙醇浓度对洗脱效果的影响
　　由图4可以看出，洗脱液中乙醇浓度对甜菜红素的洗脱效果影响较大，由于乙醇浓度不同改变了洗脱液的极性，乙醇浓度由低到高解吸率呈先增大后降低的趋势， 在乙醇浓度为60%时洗脱效果最好。
　　2.5 上样流速对甜菜红素吸附效果的影响
　　由图5可以看出，1 mL/min上样流速洗脱液的吸光度值最小，说明以1 mL/min的上样流速，大孔树脂对甜菜红素的吸附效果最彻底，但时间最长、效率最低。2 mL/min与3 mL/min的上样流速在各时间段流出液的吸光度值非常接近。由于上样流速的确定一般通过吸附泄露点出现的时间来判断[10]，3 mL/min的上样流速吸附的泄露点出现在50 mL流出时间点上，而2 mL/min的上样流速吸附的泄露点出现在65 mL流出时间点上，所以综合吸附效率与吸附效果，以2 mL/min的上样流速进行吸附比较利于碱蓬中甜菜红素的分离纯化。
　　2.6 洗脱液流速对甜菜红素洗脱效果的影响
　　由图6可以看出，用60%乙醇对甜菜红素吸附饱和的树脂进行流动洗脱效果比较彻底， 2 mL/min的洗脱流速出峰时间较早，且收尾比较平缓集中，1 mL/min及3 mL/min在105 mL至155 mL洗脱范围内都有明显起伏，说明较快和较慢的洗脱速度都不利于甜菜红素的集中洗脱，因此，以 2 mL/min 的洗脱速度为最佳，洗脱体积为165 mL。
　　2.7 甜菜紅素的得率
　　利用以上最佳吸附、解吸条件，通过AB-8大孔树脂从新鲜盐地碱蓬中分离纯化甜菜红素的得率为0.85%，产品呈紫红色，易溶于水，色泽艳丽。
　　3 结论
　　对弱极性树脂AB-8、极性树脂XAD-7、非极性树脂D101三种不同类型树脂的吸附率、吸附量及解吸率的分析研究表明，弱极性树脂AB-8对盐地碱蓬中甜菜红素的分离纯化效果最好。将新鲜碱蓬与去离子水按质量比1∶1打浆过滤，重复浸提2次，混合甜菜红素水提液进行澄清后，可在室温下直接上柱吸附，上样流速2 mL/min，上样体积为65 mL。吸附饱和后，用乙醇浓度为60%的洗脱液以2mL/min的速度进行洗脱解吸，洗脱液用量165 mL，在此条件下甜菜红素的得率为0.85%。
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