全 文 :大孔吸附树脂纯化花椒叶总黄酮的研究
杨立琛,李荣*,姜子涛
(天津商业大学 生物技术与食品科学学院,天津市食品生物技术重点实验室,天津 300134)
摘要:通过比较八种大孔吸附树脂的吸附和解吸性能,发现大孔吸附树脂D101对花椒叶黄酮的纯化效
果最佳。采用动态法对样品液吸附的流速、pH条件、解吸液乙醇浓度和解吸液流速进行了研究。同时
采用高效液相色谱法进行分析表征了分离纯化的效果。实验结果表明,大孔吸附树脂D101对花椒叶
总黄酮的最佳吸附解吸条件为:样品液pH 为4、吸附流速为2BV/h、解吸液60%乙醇,解吸流速
2BV/h。经纯化后花椒叶黄酮纯度由23.2%提高到了56.4%。
关键词:花椒叶;黄酮;大孔吸附树脂;纯化
中图分类号:TS202.1 文献标识码:A 文章编号:1000-9973(2012)07-0030-06
Study on Purification by Macroporous Resin of Flavonoids
from Zanthoxylum bungeanumLeaves
YANG Li-chen,LI Rong*,JIANG Zi-tao
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology,Colege of Biotechnology and
Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China)
Abstract:The purification abilities of macroporous resins to flavonoids fromZanthoxylumbungeanum
leaves were compared with other eight in this paper.The results was found that the macroporous resin
D101showed the best adsorption and desorption ability.The flow of the sample solution,pH,the e-
lution agent(ethanol)concentration,and the washing flow were studied by using both dynamic ad-
sorption and desorption.The purification effect was estimated by HPLC.As the experiment shows
the best conditions of D101resin for purification are as folow:sample solution′s pH value is 4,ad-
sorption flow is 2BV/h,elution agent(ethanol)concentration of 60%,and washing flow 2BV/h.
Under the proposed conditions,the purity of flavonoids fromZanthoxylum bungeanumleaves was in-
creased from 23.2%to 56.4%.
Key words:Zanthoxylum bungeanumleaves;flavonoids;macroporous resin;purification
花椒叶为芸香科花椒(Zanthoxylum bungeanum)
的叶,《日华子本草》中记载,其性味辛,热,具有温中散
寒,燥湿健脾,杀虫解毒的功能,主要分布于四川、山
西、陕西、甘肃、河北、山东等地,花椒叶营养丰富,是我
国传统的调味香料和蔬菜[1,2]。
花椒属植物中富含黄酮,目前已从花椒果皮中分
离出10余种黄酮类成分[3],但花椒叶黄酮的研究应用
相对较少,范菁华等采用超声波辅助法提取了花椒叶
中黄酮类化合物并利用D4020树脂对其纯化,得到纯
度为16.92%的花椒叶黄酮[4,5]。现在已有的纯化黄
酮的方法很多,如铅盐沉淀法、柱层析法、萃取法等,而
大孔树脂吸附法是近些年发展起来的新方法,与其他
收稿日期:2012-01-09 *通讯作者
基金项目:天津市高校科技发展基金项目资助(20110608)
作者简介:杨立琛(1989-),女,硕士研究生,研究方向为食品添加剂。
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方法相比,具有吸附速率快、吸附性能好、洗脱剂毒性
小、生产周期短、树脂再生方便等优点,已在环保、医药
领域得到了广泛的应用[6,7]。文章将探讨利用大孔吸
附树脂对花椒叶中黄酮类化合物进行纯化,从而为花
椒叶的综合利用提供理论依据。
1 材料与仪器
1.1 实验材料
花椒叶 采自山西运城,洗净后烘干备用;AB-8、
D101、D4020、NKA-9、ADS-7、ADS-17、ADS-21和S-8
八种大孔吸附树脂 南开大学化工厂;甲醇(色谱纯)
天津市科密欧化学试剂有限公司;水(娃哈哈饮用纯
净水) 杭州娃哈哈集团有限公司出品;其余试剂均为
分析纯。
1.2 主要仪器
U-3900紫外可见分光光度计 日本 Hitachi
High-Technologies Corporation;KQ 2200B型超声波
清洗机 昆山市超声仪器有限公司;HZS-H水浴振荡
器 哈尔滨市东联电子技术开发有限公司;MAS-1微
波萃取仪 上海新仪微波化学科技有限公司;RE 52-
86A型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;LGJ-10冷
冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司;高效液相
色谱仪 Agilent 1100Series;色谱柱:Zorbax SB-C18
(250×4.6mm,5μm)。
2 实验方法
2.1 花椒叶黄酮储备液的制备
称取20.0g花椒叶粉末,以60%乙醇溶液为溶
剂,放入特制的微波玻璃反应器中,在功率500W 条
件下,按1∶30的料液比在70℃下用微波萃取仪萃取
4min,提取液过滤,滤液经石油醚萃取3次,去掉石油
醚层,再于真空旋转蒸发仪中减压旋转蒸发,至花椒叶
粗提液中无乙醇,冷冻干燥,得到花椒叶粗黄酮的干燥
粉末。称取花椒叶粗黄酮干粉末0.5g,用5mL无水
乙醇溶解,并用蒸馏水定容至250mL容量瓶中,即得
花椒叶粗黄酮储备液(浓度为2.0mg/mL),为样品液
备用。
2.2 大孔吸附树脂的筛选
2.2.1 树脂预处理[8]
将大孔吸附树脂于95%乙醇中浸泡24h,用蒸馏
水洗至无乙醇,然后用5%HCl溶液浸泡3h,用蒸馏
水洗至流出液pH 值为中性,之后用5%NaOH 溶液
浸泡3h,用蒸馏水洗至流出液pH 值为中性,最后用
蒸馏水浸泡备用。
2.2.2 树脂的静态吸附与解吸
准确称取经预处理的八种大孔树脂各1.0g于
50mL具塞三角瓶中,加入经稀释后的样品液(浓度为
1.0mg/mL)20mL,室温下于水浴振荡器中振荡24h
(频率为130r/min),使之充分吸附,分别扫描经八种
大孔树脂吸附后上清液在200~500nm下的吸收曲
线并按公式(1)计算各树脂对花椒叶粗黄酮的吸附率。
取以上吸附有花椒叶粗黄酮的八种树脂各1.0g,
分别加入60%的乙醇20mL,室温下于水浴振荡器中
振摇12h(频率为130r/min),分别扫描解吸液在200
~500nm下的吸收曲线并按公式(2)计算解吸率。
吸附率E=A0-AeA0
×100%。 (1)
解吸率D= AdA0-Ae
×100%。 (2)
其中A0 为样品液在328nm的吸光度,Ae 为吸
附后上清液在328nm的吸光度,Ad 为解吸液在
328nm的吸光度。
2.2.3 静态吸附动力学曲线的测定
取浓度为1.0mg/mL的样品液40mL加入装有
2.0g D101大孔吸附树脂的具塞锥形瓶中,放入水浴
振荡器中室温振荡,每隔15min测定一次上清液的吸
光度,以时间为横坐标,吸附量为纵坐标绘制D101大
孔树脂对样品液的静态吸附动力学曲线。
吸附量Q(mg/g)=
(A0-Ae)×C0×V
A0×W
。 (3)
其中:A0 为样品液在328nm的吸光度,Ae 为吸
附后上清液在328nm 的吸光度,C0 为样品液浓度
(mg/mL),V为样品液体积(mL),W 为树脂质量(g)。
2.3 花椒叶黄酮的纯化-动态法
2.3.1 大孔树脂吸附流速的测定
准确称取按2.2.1方法预处理的 D101树脂
6.0g,采用湿法装柱。将浓度为1.0mg/mL的样品
液分别以1.5,2,3BV/h不同流速加入到树脂柱中,
间隔4mL收集黄酮流出液,测定其吸光度,以泄漏点
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出现最迟为宜。泄漏点指该处黄酮流出液的吸光度为
样品液吸光度的1/10。
2.3.2 大孔树脂吸附的pH值测定
将浓度为1.0mg/mL的样品液以2BV/h的流速
加入树脂柱中,间隔4mL收集黄酮流出液,测定其吸
光度,分别研究在pH为2,4,6,8时大孔树脂对样品
液的吸附效果。
2.3.3 花椒叶黄酮洗脱液乙醇浓度的测定
取浓度为1.0mg/mL、pH 为4的样品液以
2BV/h通过树脂柱,待吸附达到泄漏点后,用不同浓
度的乙醇溶液洗脱,流速为1BV/h,收集不同浓度下
的洗脱液,扫描其在200~500nm下的吸收曲线。
2.3.4 花椒叶黄酮洗脱流速的测定
取浓度为1.0 mg/mL、pH 为4的样品液以
2BV/h通过树脂柱,待吸附达到泄漏点后,用60%的
乙醇溶液洗脱,每隔相同体积收集洗脱液,测定其吸光
度,分别绘制在不同流速1,2,3BV/h下的洗脱曲线。
2.4 HPLC检测纯化效果
按2.3方法,在最佳动态条件下纯化花椒叶粗黄
酮,将收集的洗脱液除去乙醇后,冷冻干燥得纯化后的
花椒叶黄酮粉末。用30%甲醇溶解纯化后的花椒叶
黄酮并稀释至0.1mg/mL,HPLC 流动相为甲醇
(A)、水 (B)和 5% 乙 酸 水 溶 液 (C),流 速 为
0.9mL/min,进样量为10μL,梯度洗脱条件为0~
8min:30%~34%A;8~10min:34%~50%A;10~
22min:50%~75%A;22~25min:75%~80%A;25
~30min:80%~80%A;5%乙酸水溶液(C)一直保持
10%。检测波长为328nm。
2.5 花椒叶黄酮纯度计算
分别称取0.1g纯化前后的花椒叶黄酮粉末,用
30%乙醇溶解并定容至100mL,按谢宗波[9]的方法绘
制标准芦丁曲线,并对纯化前后的花椒叶黄酮溶液进
行显色反应,计算纯化前后花椒叶黄酮的纯度。
3 结果与讨论
3.1 大孔吸附树脂的筛选
3.1.1 树脂的静态吸附与解吸
根据方法2.2.2,扫描大孔吸附树脂吸附样品液
后上清液在200~500nm的吸收曲线,见图1。
图1 八种树脂吸附样品液后上清液的吸收曲线
Fig.1The absorption curves of the sample
solution after 8kinds of macroporous resin
1→8分别为 S-8、ADS-7、ADS-21、D101、D4020、AB-8、
NKA-9、ADS-17,9为样品液的紫外吸收曲线。
由图1可知,强极性树脂S-8、ADS-7和极性树脂
ADS-21吸附能力最强,因为黄酮属于多羟基酚类化
合物,具有一定的极性和亲水性,又能生成氢键,与树
脂具有较强的作用力。非极性的D101树脂吸附能力
也较强,是由于其具有较大的比表面积,从而对黄酮分
子产生强的吸附。
根据方法2.2.2,得到60%乙醇洗脱液在200~
500nm波长下的吸收曲线,结果见图2。
图2 八种大孔树脂乙醇洗脱液的吸收曲线
Fig.2The absorption curves of ethanol elute of 8kinds
of macroporous resin
注:1→8分别为 S-8、ADS-21、ADS-7、ADS-17、D4020、
NKA-9、AB-8、D101。
由图2可知,在八种大孔吸附树脂中,D101大孔
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树脂的乙醇洗脱液的吸光度最高,说明在60%乙醇条
件下,D101大孔树脂对其所吸附的花椒叶黄酮的保
持力最小,容易被洗脱剂洗脱下来。按公式(1)、
(2)计算各大孔树脂的吸附率与解吸率,结果见表
1。
表1 八种大孔树脂的吸附率与解吸率
Table 1The adsorption and desorption ratios
of 8kinds of macroporous resins
种类 极性
比表面积
(m2/g)
平均孔径
(nm)
吸附率
(%)
解吸率
(%)
D101 非极性 600~700 - 70.4 71.1
D4020 非极性 540~580 10~10.5 64.9 63.8
AB-8 非极性 450~530 13~14 62.2 70.8
ADS-17 中极性 90~150 25~30 92.5 36.4
ADS-21 极性 80~100 15~20 83.4 29.2
NKA-9 极性 170~250 15.5~16.5 60.6 76.1
ADS-7 强极性 ≥100 25~30 92.5 36.4
S-8 强极性 320~420 28~30 91.6 4.1
由表1可知,在相同的静态条件下,D101大孔树
脂具有较高的吸附率与解吸率。故综合图1、图2和
表1,选用D101型大孔树脂对花椒叶粗黄酮进行纯
化。
3.1.2 静态吸附动力学曲线
根据方法2.2.3,得到D101树脂吸附量与吸附时
间的关系,结果见图3。
图3 D101大孔树脂的静态吸附动力学曲线
Fig.3Kinetic curve of static adsorption of D101macroporous resin
由图3可知,在0~45min时间内,树脂的吸附量
随时间的增加快速增大,45~90min内,树脂吸附速
度减慢,90min以后树脂吸附基本达到平衡,说明
D101树脂是快速吸附型树脂,平衡时其对样品液的吸
附量为23.6mg/g。
3.2 花椒叶黄酮的纯化-动态法
3.2.1 流速对大孔树脂吸附的影响
根据方法2.3.1,得到大孔树脂对样品液吸附效
果与流速的关系,结果见图4。
图4 不同流速对D101树脂吸附的影响
Fig.4The effect of different adsorption velocities
on the adsorption of D101resin
由图4可知,流速快慢直接影响到黄酮与大孔树
脂的作用时间,流速过大,树脂未能完全吸附从而使树
脂吸附能力下降,流速过小会导致时间延长,1.5,2,3
BV/h不同流速的泄漏点分别出现在30,32mL和
22mL,从树脂吸附能力和时间考虑,选择上样流速为
2BV/h。
3.2.2 pH对大孔树脂吸附的影响
根据方法2.3.2,得到大孔树脂对样品液吸附效
果与pH的关系,结果见图5。
图5 不同pH对D101树脂吸附的影响
Fig.5The effect of different pH values
on the adsorption of D101resin
由图5可知,样品液在酸性条件下吸附能力较强,
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pH为4比pH为2,6吸附强,这是由于酸性的增大,
花椒叶黄酮会与溶液中的氢离子结合形成亻羊盐[10],从
而不利于大孔树脂的吸附;当样品液呈碱性时,大孔树
脂对花椒叶黄酮的吸附能力小,很快发生泄漏。扫描
其吸收曲线(图6)发现,pH为2,4,6的吸收曲线基本
重合,pH为8的吸收曲线与其他pH下的样品液相比
发生了变化,是因为花椒叶黄酮的酚羟基与碱发生了
酸碱中和反应,黄酮以离子形式存在,所以不容易被大
孔树脂所吸附。综合考虑,选择样品液pH为4。
图6 不同pH样品液的吸收曲线
Fig.6The absorption curve of the sample
solution on different pH
3.2.3 乙醇浓度对花椒叶黄酮解吸的影响
根据方法2.3.3,得到不同浓度洗脱液的吸收曲
线,见图7。
图7 不同乙醇浓度洗脱液的吸收曲线
Fig.7The absorption curves of diferent concentrations of elutes
注:从下往上分别为50%、60%、70%、80%的乙醇洗脱液
和样品液。
由图7可知,随着乙醇浓度的增大,从D101大孔
树脂解吸出的花椒叶黄酮越多,但70%和80%浓度乙
醇溶液解吸出的物质在220~280nm下的紫外吸收
均高于样品液,且整体峰形也有变化,说明乙醇浓度越
大洗下的杂质就越多,故应选择60%浓度的乙醇溶液
为解吸液。
3.2.4 流速对花椒叶黄酮解吸的影响
根据方法2.3.3,得到不同洗脱流速下的洗脱曲
线,见图8。
图8 不同流速下的解吸曲线
Fig.8The desorption curves of different flow rates
由图8可知,在2BV/h流速下洗脱峰最高且峰
型集中,无拖尾现象,故选择最佳洗脱流速为2BV/h。
在不同流速下,当洗脱液体积达到3BV时,花椒叶黄
酮都能完全解吸下来,故选择洗脱液体积为3BV。
3.3 HPLC结果分析
按2.4方法进行 HPLC分析,得到花椒叶黄酮经
D101大孔树脂纯化前后在328nm下的色谱,结果见
图9。
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图9 经D101大孔树脂纯化前(上图)后
(下图)328nm下花椒叶黄酮的 HPLC图
Fig.9HPLC profile of the flavonoids of the Zanthoxylum
bungeanum leaves monitored at 328nm before(up)and
after(down)purification by D101resin
由图9可知,相同浓度纯化后的花椒叶黄酮色谱
峰均比纯化前的响应值增大约2倍,且25min之后的
杂质峰已经没有,表明经过D101大孔树脂处理,花椒
叶黄酮中的杂质被除去一部分。
3.4 花椒叶黄酮纯度计算
按2.5方法得到芦丁标准曲线方程,溶液吸光度
与浓度的关系为A=13.194C-0.0012,R2=0.9985,
计算得纯化前后花椒叶黄酮粉末的纯度由23.2%提
高到了56.4%,进一步证明D101大孔树脂纯化了花
椒叶黄酮。
4 结论
在选择的八种大孔树脂中,D101大孔树脂是比较
理想的树脂,其吸附速度快,吸附率大,解吸率高,通过
HPLC分析的结果得出:该方法可以除去花椒叶中部
分杂质,并纯化主要黄酮成分,使纯度可提高到
56.4%,适用于花椒叶黄酮的纯化,为其进一步的成分
分析奠定了基础,同时也为以后花椒叶黄酮的研究与
应用提供了理论依据。
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(上接第29页)用量25%,大曲价格5元/kg,即每吨主
料耗用大曲费用250×5=1250元。
采用生物酶解工艺:每吨投料消耗大曲5%,即每
吨主料耗用大曲费用50×5=250元,每吨主料使用酶
和菌种后费用约为60~75元。即通过工艺改进,应用
菌种发酵和酶制剂,在达到大或等于原有出醋率前提
下,投料每吨节约成本1250-(250+75)=1202~
1190元。5度醋出醋率1∶4计,每吨醋节约成本约
300元,毎千吨食醋生产节约成本30万元以上。
3 结论
通过应用α-淀粉酶、糖化酶加速淀粉水解速度,
及时补充糖分,添加活性干酵母的方法可以提高小米
醋酒精发酵阶段酒精发酵率,降低传统小米醋酿醋工
艺中大曲的使用量,从而降低生产成本。
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