全 文 ：大孔树脂分离纯化米团花黄色素的研究
张俊杰 ,李存芝 ,李爱梅 ,王淑霞 ,欧仕益 ,张广文＊
(暨南大学 食品科学与工程系 ,广州　510632)
摘要:为寻找分离纯化米团花黄色素最佳工艺条件 ,对 11种大孔树脂对米团花黄色素的静态吸附 、解吸
性能进行了比较研究 ,并确定了最佳吸附树脂 D101对米团花黄色素动态吸附 、解吸的最佳条件 。结果
表明:D101型大孔树脂分离纯化米团花黄色素的最佳工艺条件为:上样液浓度 0.10 ～ 0.13 mg/mL ,上
样液 pH 5 ,流速为 1.5 mL/min;以 60%(V/V)的乙醇洗脱 ,流速为 3 mL/min 。D101型大孔树脂的饱
和吸附量为 8.820 mg/g 树脂 ,重复利用 10次吸附量仍然很好。采用该工艺分离纯化得到的产品中米
团花黄色素的含量为(1.9±0.0055)%,色价为 27.93±0.80。
关键词:米团花;黄色素;大孔树脂;分离纯化;研究
中图分类号:TS264.4　　　文献标识码:B　　　文章编号:1000-9973(2010)11-0087-06
Separation and purif ication of yellow pigments from Leucoscep trum
canum flowers by macropo rous adso rption resins
ZHANG Jun-jie ,LI Cun-zhi , LI Ai-mei , WANG Shu-xia , OU Shi-yi , ZHANG Guang-wen＊
(Department of Food Science and Engineering , Jinan University , Guangzhou 510632 , China)
Abstract:To purify yellow pigments f rom Leucosceptrum canum f low ers by macropo rous adso rption
resins , the stat ic adsorption and deso rption performance of 11 kinds of resins fo r y ellow pigments f rom
Leucosceptrum canum f lowe rs w ere compared , and the optimum condi tions of the dynamic adsorption
and desorption fo r separating yel low pigments f rom Leucosceptrum canum f lowe rs by D101 resin w ere
studied.Experiment results indicate D101 resin is the desi red adsorbent resin , with w hich the adsorp-
tion equilibrium time is 5 h in this e xperiment.The optimum condit ions of dynamic adso rpt ion and de-
sorption are as fo llow s:concentration of sample solut ion 0.10 ～ 0.13 mg/mL ,pH 5 , velo city of sample
solut ion 1.5 mL/min , velocity of 60%e thanol taken as eluent 3 mL/min , the saturated adsorption ca-
pacity of D101 is (8.82±0.2587)mg/g resin , and af ter 10 times repeatedly , adso rption capacity of
D101 is still g ood.With these parame ters , the purity and colo r value of product is(0.19±0.0055)%,
27.93±0.80.
Key words:Leucosceptrum canum ;yel low pigments;macropo rous resin;adsorption and purif icat ion;
research
　　米团花(Leucosceptrum canum ,Smith)属唇形科 ,
产于我国云南 、四川和西藏东南部海拔 400 ～ 1900 m
的林缘 、水边和路边草地[ 1] 。根 、叶具有药用价值[ 2] ,
滇中一带居民自古以来就有用米团花浸提色素作为食
品染色剂的习惯 ,证明米团花色素是一种比较安全的
可以食用的天然色素 。研究表明米团花色素是一种耐
光 、耐热 、耐酸性强 ,且对多种金属离子 、食盐和蔗糖稳
定 ,适宜在酸性和中性介质中使用的水溶性黄色素[ 3] ,
收稿日期:2010-06-10　　　　　　　　＊通讯作者
基金项目:暨南大学引进优秀人才科研启动基金(51208045);广东省科技计划项目(2007B020712005)
作者简介:张俊杰(1985-),男 ,硕士 ,研究方向为食品添加剂。
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动物毒理学试验表明米团花黄色素是一种安全的天
然色素 ,可用作食品添加剂[ 4] 。另外 ,随着人们对食
品安全越来越关注 ,相对安全的天然食用色素将逐
步取代对人体健康有害的合成食用色素[ 5-11] 。因
此 ,对米团花黄色素的开发研究具有重要意义 。目
前 ,己有米团花黄色素提取的报道 ,但未见利用大孔
树脂分离纯化米团花黄色素的报道。本实验对大孔
树脂分离纯化米团花黄色素的条件进行优化 ,确定
最佳吸附树脂类型和影响因素 , 旨在寻找具有一定
选择性 、吸附容量大 、易于解吸的树脂及最佳纯化工
艺条件 ,以期对规模化分离纯化米团花黄色素提供
参考 。
1　材料与方法
1.1　材料与试剂
米团花　购自云南省宝山市;米团花黄色素 A(实
验室自制 , HPLC检测纯度>98%);D101 、AB-8 、X-5 、
D3520 、D4020 、D401 、D296 、D301G 、 H103 、D151 、
NKA-9型大孔树脂 南开大学化工厂;无水乙醇 天津
化学试剂一厂 分析纯。
1.2　仪器与设备
722 s可见分光光度计 上海恒平科学仪器有限公
司;电子分析天平 梅特勒-托利多上海仪器有限公司;
HH-4数控恒温水浴锅 金坛市宏华仪器厂 。
1.3　方法
1.3.1　树脂的预处理[ 12]
树脂先用 95%乙醇浸泡 24 h ,然后用95%乙醇洗
至洗出液加适量水无白色浑浊出现 ,再用去离子水洗
至无醇味 , 去醇后再进行酸碱处理:先用 5% HCl
(V/V)溶液浸泡 24 h ,然后用去离子水洗至中性 ,接
着用 5%N aOH 溶液浸泡 24 h ,最后用去离子水洗至
中性 。
1.3.2　米团花黄色素提取液的制备
称取 400 g 米团花 ,用 60%乙醇(V/V)以料液比
1∶45 ,在 83.3 ℃下浸提 2次 ,每次 3.4 h ,将提取液过
滤 、浓缩至无醇味 ,加适量去离子水稀释备用 。
1.3.3　标准曲线的制作
精确称取干燥至恒重的米团花色素 A 5.0 mg ,用
70%(V/V)乙醇溶解并定容至 50 mL。准确吸取
0.1 , 0.2 , 0.3 ,0.4 , 0.5 ,0.6 , 0.7 , 0.8 ,0.9 , 1.0 mL 此
溶液于 20 mL 容量瓶中 ,再用70%(V/V)乙醇定容至
20 mL ,以 70%(V/V)乙醇为空白 ,在 431 nm 处测定
吸光度 ,以米团花黄色素 A 的浓度为横坐标 ,吸光度
为纵坐标绘制标准曲线 ,得到回归方程 y =0.1449x-
0.0052 , R2 =0.9996 。
1.3.4　大孔树脂静态吸附与解吸附的研究
准确称取已预处理的大孔树脂 D101 、AB-8 、X-5 、
D3520 、D4020 、D401 、D296 、D301G 、 H103 、D151 、
NKA-9各 2.0 g(去表面水),分别置于 100 mL 具塞
锥形瓶中 ,然后各加入 40.56 μg/mL 的米团花黄色素
提取液 50 mL , 置于 30 ℃水浴恒温摇床中以
150 r/min进行振荡 24 h 后 ,测定溶液中米团花黄色
素的浓度 ,计算各树脂的比吸附容量;然后将上述树脂
用 60%乙醇 50 mL 进行解吸 ,同样条件下振荡 24 h
后 ,测定溶液中米团花黄色素的浓度 ,计算各树脂的解
吸率 。
比吸附容量(mg/g 树脂)按下式计算[ 13] :
Q=(Co -Cv)V
W
。
式中:Q为比吸附容量(mg/g);Co 为初始溶液浓
度(mg/mL);Cv 为吸附后溶液浓度(mg/mL);V 为溶
液体积(mL);W 为树脂质量(g)。
解吸率按下式计算:
E(%)=CbC b
QW
×100 。
式中:E为解吸率;Cb 为 60%乙醇溶液中米团花
黄色素的浓度(mg/mL);V b 为 60%乙醇溶液体积
(mL);Q 为比吸附容量(mg/g);W 为树脂质量(g)。
1.3.5　大孔吸附树脂的静态吸附动力学特征[ 14]
准确称取 D101 、AB-8 、X-5 、D3520 、D4020 各
2.0 g(去表面水),分别置于 100 mL 具塞锥形瓶中 ,
各加 47.63 μg/mL 米团花黄色素提取液 80 mL ,置
于 30 ℃水浴恒温摇床中以 150 r/min 进行振荡 ,每
隔一定时间吸取 1 mL 上清液 ,用 70%乙醇定容至
10 mL ,测定米团花黄色素含量 ,绘制静态吸附动力
学曲线 。
1.3.6　树脂吸附等温线测定[ 1 5]
准确称取 7份 1.0 g(去表面水)的筛选出的适宜
树脂 ,分装于 7个 100 mL 具塞锥形瓶中 ,分别加入不
同浓度的米团花黄色素提取液 50 mL ,置于 30 ℃水浴
恒温摇床中以 150 r/min进行振荡 24 h 后 ,测定溶液
中米团花黄色素的浓度。根据吸附平衡后吸附量与溶
液中米团花黄色素浓度之间的关系 ,得到该树脂的吸
附等温线 。
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1.3.7　大孔吸附树脂对米团花黄色素的动态吸附与
解吸
1.3.7.1　大孔吸附树脂对米团花黄色素的动态吸附
对静态吸附实验优选出的最佳树脂进行上样液浓
度 、上样液 pH 值 、流速三个因素动态吸附实验 ,将预
处理好的树脂装入 1.0×50 cm 玻璃层析柱中 ,树脂床
体积为15 mL。将一定浓度的米团花黄色素提取液通
入树脂 ,控制一定流速 ,收集流出液(5 mL/流份),当
流出液浓度达上样液浓度的 1/10时 ,认为米团花黄色
素已透过 ,停止进样 ,计算吸附量。
吸附量=上样液浓度(mg/mL)×流出液体积
(mL)。
1.3.7.2　大孔吸附树脂对米团花黄色素的动态解吸
对静态吸附实验优选出的最佳树脂进行洗脱液浓
度 、流速两个因素的动态解吸实验 ,将预处理好的树脂
装入 1.0 ×50 cm 玻璃层析柱中 , 树脂床体积为
15 mL 。将 100 mL米团花黄色素提取液在最佳吸附条
件下进行吸附 ,吸附后用 4倍柱床体积的去离子水冲
洗 ,然后用一定浓度一定体积的洗脱液以一定的流速
进行洗脱 ,然后测定洗脱液中米团花黄色素的含量 ,计
算洗脱率 。
1.3.8　树脂的重复利用性能及再生
取最佳树脂 ,湿法装柱 ,柱床体积为 15 mL ,采用
最佳工艺条件进行重复吸附和解吸 ,计算吸附率 ,测定
树脂的重复使用性能 。
吸附率=树脂吸附的黄色素量原液中黄色素含量 ×100%。
1.3.9　样品色价的测定
准确称取 0.10 g 干燥至恒重的样品 ,用 70%的乙
醇溶解并定容到 500 mL ,以 70%(V/V)乙醇为空白 ,
于 1 cm 的比色皿中在 431 nm 处测定吸光度 ,计算色
价[ 16] 。
E
1%
431 = A f
100W
。
A为吸光度;f 为稀释倍数;W 为试样质量。
2　结果与分析
2.1　大孔吸附树脂的静态吸附实验结果
表 1为 11种树脂对米团花黄色素的静态吸附与
解吸效果 ,由表 1可知 ,11种树脂中 D101 、AB-8 、X-5 、
D 3520 、D 4020对米团花黄色素具有相对较高的比吸
附容量和解吸率 。
表 1　11 种树脂对米团花黄色素的静态吸附与解吸效果
树脂的种类 初始浓度(μg/ m L) 比吸附容量(μg/ g) 吸附率(%) 解吸率(%)
NKA-9 801.97 79.09 96.52
D101 843.35 83.17 97.2
D401 753.7 74.33 96.64
D151 473.57 46.7 96.09
D296 40.56 752.89 74.25 27.35
D3520 817.55 80.63 95.63
D301G 771.37 76.07 54.41
AB-8 815.77 80.45 99.32
D4020 833.44 82.19 98.15
X-5 823.1 81.17 99.59
H103 837.75 82.62 80.15
2.2　树脂吸附过程的动力学特征和平衡常数
仅用树脂的平衡比吸附容量和解吸率来评价其吸
附性能是不全面的 ,合适的树脂不仅要具有较大的比
吸附容量和解吸率 ,同时应具有较快的吸附速率 ,图 1
为 5种树脂(D101 、A B-8 、X-5 、D 3520 、D 4020)的静态
吸附动力学曲线 。从图 1可以看出 ,D101型大孔树脂
对米团花黄色素的吸附为快速平衡型 ,起始阶段吸附
量较大 ,5 h基本接近吸附平衡 ,而 AB-8 、X-5 、D3520 、
D 4020这四种树脂起始吸附量较 D101少 ,到达平衡
的时间也相对较长。
图 1　几种大孔树脂静态吸附动力学曲线
为了定量比较五种树脂(D101 、AB-8 、X-5 、D
3520 、D 4020)的对米团花黄色素的吸附速率 ,研究了
它们的平衡吸附速率常数 。
根据 Lnagmuir提出的吸附速率方程:
1n
Qe
Qe-Qt =K t+m 。
式中 Q e 为树脂对米团花黄色素的平衡吸附量 ,
Q t 为树脂在 t时刻的吸附量。
上式经变换为:-1n(1-Qt/Qe)=Kt+m 。
以-1n(1-Q t/Qe)对时间 t 作图为一直线 ,斜率
即为平衡吸附速率常数 K ,截距为 m ,由此可得 5种树
脂(D101 、AB-8 、X-5 、D 3520 、D 4020)的吸附速率常数
见表 2。
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由表 2可以看出 D101型大孔树脂的平衡吸附速率常
数最大 ,为 0.5337 ,说明 D101型大孔树脂的吸附速率
最快 。从总体上来看 ,D101型大孔树脂对米团花黄色
素具有良好的吸附动力学特性 ,吸附及解吸特性优于
其他四种 。因此 ,选择 D101 型大孔树脂来分离纯化
米团花黄色素。
表 2　五种树脂的吸附速率常数
项目 平衡速率常数 K(S -1) m 回归系数 R2
D101 0.5337 0.9331 0.9809
D3520 0.3113 1.0974 0.9461
AB-8 0.4535 0.4803 0.991
D4020 0.4574 0.7975 0.9843
X-5 0.4160 0.5267 0.9965
2.3　吸附等温线
根据 1.3.6的方法所测得的数据 ,绘出 D101型
大孔树脂对米团花黄色素的吸附等温线见图 2 。又根
据固-液吸附的 Freundlich吸附等温方程[ 17] :
lgQe=lgKf+1/ nlgCe 。
式中 Qe为平衡吸附量 , Ce 为平衡浓度 , Kf 为平
衡吸附系数 ,表示吸附量的相对大小 , n 为特征常数 ,
表明吸附剂表面的不均匀性和吸附强度的相对大小。
再用试验所得数据以 lgQe 对 lgCe 作图 ,得到的图形
具有良好的线性相关性(r>0.97),可与 Freundlich吸
附等温方程拟合为直线 , lgKf是直线的截距 , 1/n直线
的斜率 , 可推算出拟合方程及相关参数:Kf =
0.06313;n=1.747 , Freundlich 方程对 D101 型大孔
树脂的吸附等温线有较好的拟合效果(r>0.97),这说
明 Freundlich方程对本吸附系统适用;n总大于 1 ,表
明在所研究的吸附浓度范围内均为优惠吸附过程 。
图 2　D101 型大孔树脂对米团花黄色素的吸附等温线
2.4　大孔吸附树脂 D101对米团花黄色素的动态吸附
2.4.1　上样液浓度的影响
如图 3所示 ,在 pH 4.85 ,上样液流速为2 mL/min
的条件下 ,随着上样液浓度的增加 ,米团花黄色素吸附
量先增后降 ,上样液浓度在 0.10 ～ 0.13 mg/mL时吸附
量达到最大 。这可能是因为当上样液中米团花黄色素
浓度较低时 ,树脂出现泄露时仍有相当大一部分树脂未
达到吸附饱和 ,随着上样液中米团花黄色素浓度的增
加 ,树脂的吸附量越来越大 ,越来越接近饱和;但当上样
液中米团花黄色素浓度过高时 ,上样液中的大分子物质
等杂质的浓度也相应增加 ,从而容易发生絮凝和沉淀 ,
会堵塞树脂 ,影响吸附 ,降低吸附量。所以上样液浓度
在0.10 ～ 0.13 mg/mL 最合适。
图 3　上样液浓度对吸附量的影响
2.4.2　上样液 pH 的影响
如图 4所示:一定浓度的米团花黄色素提取液在
上样液流速为 2 mL/min 的条件下 ,随着 pH 值的增
加 D101型大孔树脂对米团花黄色素的吸附量增大 ,
当 pH 值大于 6时溶液出现颜色加深 ,可能引起了黄
色素结构变化 ,因此 ,为保持黄色素的稳定 ,选用 pH 5
的提取液上样。
图 4　pH 值对吸附量的影响
2.4.3上样液流速的影响
图 5　流速对吸附量的影响
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如图 5所示:随着上样液流速的增加 ,米团花黄色
素的泄漏加快 , D101型大孔树脂对黄色素的吸附量减
少。在流速为 1.0 mL/min 时吸附量最大 ,但当流速
为1.5 mL/min时吸附量与流速为 1.0 mL/min 时相
差不大 ,为提高效率故选用1.5 mL/min做为最佳吸附
流速 。
2.5　大孔吸附树脂 D101 对米团花黄色素的动态洗
脱
2.5.1　洗脱液浓度的影响
洗脱液浓度的影响见图 6。
图 6　乙醇浓度对洗脱率的影响
由图 6可知米团花黄色素的洗脱率随着乙醇浓度
的增大而增大 ,当乙醇浓度达到 60%时洗脱率超过
85%继续增加乙醇浓度洗脱率增加不明显 ,为了节省
成本则选择 60%的乙醇作为洗脱剂。
2.5.2　洗脱液流速的影响
取 100 mL 米团花黄色素水溶液在最佳吸附条件
下进行吸附 ,吸附后用 4倍柱床体积的去离子水冲洗 ,
然后用60%(V/V)乙醇以1.0 ,2.0 ,3.0 mL/min的流
速进行洗脱 ,每接 10 mL 流出液测定一次米团花黄色
素浓度 ,得到 1.0 ,2.0 , 3.0 mL/min流速下的解吸曲
线图 7。
图 7　不同解吸流速下的解吸曲线
由图 7可知 ,分别以 1.0 , 2.0 , 3.0 mL/min的流
速进行洗脱得到的解吸曲线峰形和峰值相差不大 ,因
此从提高效率的角度考虑选择 3.0 mL/min作为洗脱
流速 。
2.6　最佳工艺的验证实验
表 3　纯化工艺重复验证实验结果
序号 总黄色素回收率(%) 平均值(%) RSD(%, n=5)
1 80.78
2 75.32
3 81.18 79.00±2.54 3.60
4 81.18
5 76.53
　　将 150 mL 浓度为 0.13 mg/mL 的米团花黄色素
提取液在最佳吸附条件下吸附后在最佳洗脱条件下洗
脱 ,然后测定米团花黄色素的回收率 ,重复实验 5次 ,
结果见表 3。
由表 3 可 知 该 工 艺 的 平 均 回 收 率 是
(79.00±2.54)%, RSD为 3.60%,说明该工艺稳定 ,
可应用于生产。
2.7　树脂的饱和吸附量
准确称取 10 g D101型大孔树脂湿法装柱 ,按最
佳条件进行吸附 ,当流出液的吸光度与上样液的吸光
度基本接近时 ,认为 D101 型大孔树脂对米团花黄色
素的吸附己达到饱和状态 ,然后用 4倍柱床体积的去
离子水冲洗树脂 , 再用 60%乙醇按最佳条件进行洗
脱 ,当洗脱液基本无色时停止洗脱 ,将洗脱液定容测吸
光度 ,计算 D101 型大孔树脂对米团花黄色素的饱和
吸附量 ,见表 4。
表 4　饱和吸附量测定结果
序号 饱和吸附量(mg/g) 平均值(mg/g)RSD(%, n=3)
1 8.77
2 9.17 8.82±0.2587 3.59
3 8.54
　　由表 4可知 ,D101型大孔树脂对米团花黄色素的
饱和吸附量为(8.82±0.2587)mg/g树脂 。
2.8　树脂的重复利用性能及再生
大孔树脂在重复使用多次后 ,由于流动相中的
糖类 、蛋白质等杂质引起树脂中毒的缘故 ,大多存在
吸附力明显减弱柱效降低的现象 ,因而需要再生。
在工业生产中 ,树脂重复使用次数越多 ,生产成本越
低。
由图 8可见 ,树脂在重复利用 10次后 ,吸附率无
明显变化 ,说明此工艺中 D101 型大孔树脂中毒现象
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较轻 ,适合于米团花黄色素的重复分离 。
图 8　树脂的重复使用性能
2.9　样品和精制品色价的比较
从表 5可见 ,在最佳工艺条件下分离纯化后 ,米团
花黄色素的含量和色价都提高了一倍 ,说明该工艺效
果纯化明显 ,可应用于生产。
表 5　样品和精制品的色价比较
序号 色素含量(%) 色价 RSD(%, n=3)
样品 0.10±0.0044 15.37±0.68 3.60
精制品 0.19±0.0055 27.93±0.80 3.59
3　结论
3.1　米团花黄色素分离纯化的最佳工艺条件
通过静态吸附和解吸实验发现 D101型大孔树脂
对米团花黄色素具有较好的选择吸附和解吸能力 ,因
此选用 D101 型大孔树脂分离纯化米团花黄色素。
D101 型大孔树脂分离纯化米团花黄色素的最佳工艺
条件为:以 0.10 ～ 0.13 mg/mL 、pH 5.0的米团花黄
色素提取液上柱 ,流速为 1.5 mL/min;60%乙醇以
3 mL/min流速洗脱效果最佳。
3.2　工艺特性
米团花黄色素的纯化工艺简单易行 、稳定可靠 ,变
异系数很小 ,为 3.60%。该工艺采用的 D101型大孔
树脂对米团花黄色素的饱和吸附量为(8.82 ±
0.2587)mg/g树脂。该工艺总色素回收率达(79.00
±2.54)%,该工艺分离纯化得到的产品中米团花黄色
素的含量为(0.19±0.0055)%,色价为 27.93±0.80 ,
较纯化前提高了一倍 ,说明该工艺分离纯化效果良好。
树脂重复利用 10次 ,吸附效果仍然很好 ,说明该工艺
中树脂中毒现象轻 ,重复利用性能良好 ,适合工业化生
产。
参考文献:
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食品添加剂　　2010 年第 11 期总第 35卷
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CHINA CONDIMENT