摘要：以黄姜为原料生产皂素的过程中，黄姜黄色素的流失不仅会对周围水环境造成污染，同时也是黄色素资源的巨大浪费。针对此问题，文章研究利用AB-8大孔吸附树脂吸附溶液中的黄姜黄色素，分别采用静态和动态吸附两种方式用AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素的吸附效果进行考察，并研究了其洗脱情况。实验结果表明，静态和动态吸附对黄姜黄色素均有一定的吸附效果，综合考虑成本、吸附效果、解吸能力等，动态吸附更佳。在此实验条件下，AB-8大孔吸附树脂能处理36倍树脂体积的黄姜黄色素溶液，吸附率为76.65%。以99%乙醇水溶液为脱附剂，解吸率为75.58%。研究结果能为分离纯化黄姜黄色素的树脂选择及工艺推广和优化提供一定的依据。
关键词：黄姜,黄色素,AB-8大孔吸附树脂,吸附,生物医药
0引言
黄姜是世界上皂素含量最高的资源植物之一[1]，是生产薯蓣皂素的主要原料。据估计，全球70%以上的皂素是由黄姜中提取的，而皂素有“激素之母”之称[2]，是各类激素药物不可或缺的成分。薯蓣皂素即薯蓣皂甙元，该化合物具有溶血、降血脂、抗菌、消炎等作用，在医药方面上的应用不可或缺[3]，也是生产甾体激素类药物的原料，常用于治疗风湿关节炎、心脑血管疾病等。随着不断增加的黄姜皂素市场需求，我国也随之增大了对黄姜的种植力度，然而在黄姜生产皂素的过程中会排放出酸度高、色度大、盐分高、组成复杂的高浓度有机废水[4]。黄姜黄色素是该类废水中的重要组成成分，其随皂素生产废水直接排放，会使废水色度高难处理，不仅影响水体美观，而且会对周围水体造成污染。同时还由于有色水体能阻碍光的透明度、降低水的透明度、导致光合作用受阻进而抑制水中生物的生长。另一方面，黄色素可以作为食品加工行业的重要原料，在皂素生产过程中不对其进行纯化回收而直接排放到水体中也是对黄色素资源的极大浪费。研究表明，黄色素不仅安全无毒，而且具有保护视力和提高人体免疫力等功效，对一些疾病还有一定的治疗作用[5-6]。何其胜等[7]通过研究红花黄色素对伴应激性高血糖脑梗死患者糖代谢、C-肽水平及凝血功能的影响，发现红花黄色素能有效地抑制炎症反应，调节糖代谢及C-肽水平。此外，黄色素也是一种常见的食品添加剂，这也在一定程度上增加了进入环境中黄色素的总量。黄姜黄色素是黄色素(属天然色素)中的一种，它们在人类生活中有着极其重要的作用，在利用黄姜作为原料生产皂素的过程中，将黄色素分离纯化后资源化利用对黄姜皂素产业的健康发展具有十分重要的意义。
黄色素是天然色素的一种，天然色素的提取和纯化方法多种多样，常见的有溶剂萃取、超声辅助提取、微波辅助提取、生物酶解技术和大孔吸附树脂法、超临界流体萃取、分子蒸馏技术、双水相萃技术、膜技术等[8-9]。吸附法由于其易于操作、成本低等优点在功能成分的分离富集和环境保护领域得到了大量的推广应用[10-11]。在黄姜黄色素的吸附分离中，找到一种对其吸附性能优良的吸附剂是迫在眉睫的任务。本研究试图找到一种对黄姜黄色素具有吸附选择性好、吸附量大、分离方便、重复利用性好、操作简单且成本可以接受的黄姜黄色素吸附剂。
早在1960年左右，大孔树脂技术就已经出现在科研的历史舞台上，大孔树脂被分为大孔离子交换树脂和吸附树脂，而目前应用最多的是吸附树脂[12]。大孔吸附树脂是具有物理化学稳定性高、比表面积大、选择性好、吸附好和交换容量大等特点的一种有机高聚物吸附剂，被广泛应用到分离和纯化天然活性化合物的领域[13-14]。常见的有AB-8、D101、S-8、X-5、LX-18、LX-18G、LSA-5B、XDA-1、HPD-300等。目前常见的活性炭、沸石和分子筛等材料有些选择性较差，有些吸附容量小，有些重复利用性能较差，而大孔吸附树脂因为具有较好的吸附选择性、较大的吸附容量和优异的重复利用性能，以及操作简单等优点，被广泛应用在污染水体处理和工业废气治理等环境治理、修复工程中[15]。大孔吸附树脂近年来被广泛用于医药、环保和食品等领域，在中草药研究方面也有广泛应用[16]。孟维等[17]采用AB-8型大孔吸附树脂分离纯化茶皂素，纯化的产品中的纯度相比原来提高了5.83倍，实验证明AB-8型大孔吸附树脂可以有效地分离纯化茶皂素。陈明珠等[18]考察了AB-8型大孔吸附树脂对绿萼梅总黄酮的分离纯化性能，结果表明，在最佳工艺条件下AB-8大孔吸附树脂静态吸附绿萼梅总黄酮的最大容量为7 304.5μg/g，脱附率可以达到94.32%，表现出优异的分离纯化性能。
鉴于AB-8型大孔吸附树脂的优异性能，本研究选用AB-8型大孔吸附树脂为黄姜黄色素的吸附剂，利用静态和动态吸附两种吸附方式对AB-8大孔吸附树脂吸附黄姜中黄色素的性能进行了研究。研究结果可为分离纯化黄姜黄色素的树脂选择及工艺推广和优化提供一定的依据，可推动黄姜皂素产业中黄色素的资源化利用，为黄姜皂素产业实现清洁生产的目标做了积极的研究探索。
1材料与方法
1.1试剂与仪器
鲜黄姜(采于湖南张家界，含水率为70%～72%)，AB-8大孔吸附树脂(粒径：0.30～1.25 mm≥95%；含水量：60%～70%)，盐酸、99%乙醇、氯化钠、碳酸钠、石油醚等均为分析纯。
主要仪器：立式双层恒温振荡仪(ZHWY-2102)，离心机(LD5-2A)，粉碎机(FS30C)，旋片式真空泵(TW-1A)，电热鼓风干燥箱(LX-9075A)，电子天平(ES-C200A)，定时恒温磁力搅拌器(PO-2型)，索氏提取器，砂芯过滤装置，玻璃吸附柱，紫外可见分光光度计(上分精科752N plus型)。
1.2实验方法
1.2.1色素样品的标准曲线
按向纪明等[3]提取皂素的流程在实验室产生的原液黄色素的浓度为0.54 mg/mL。李稳宏等[19]以经硅胶柱层析的水溶性黄姜黄色素为对照品，配置了一系列不同浓度的标准溶液，在波长425 nm处测定各溶液的吸光度，得到黄姜色素标准液的标准曲线方程为：A=0.695 3C+0.005 7，R2=0.999 8。经计算，本实验黄姜色素提取液在该标准曲线浓度范围内，故参考此线性方程进行分析。
1.2.2树脂的预处理
将AB-8大孔吸附树脂浸泡在99%乙醇中24 h，之后用蒸馏水冲洗3次，接着用5%的氯化钠溶液冲洗3次，之后用5%的碳酸钠溶液冲洗3次，最后用蒸馏水将其洗至中性，装入洗净、晾干的吸附柱中(本实验吸附柱内AB-8大孔吸附树脂装填高度为10 cm，直径为2.0 cm)，压实，盖上适量脱脂棉。用填充树脂体积的3倍体积乙醇冲洗吸附柱，最后再用3倍树脂体积的蒸馏水将吸附柱冲洗干净，备用。
1.2.3吸附解吸的测定方法
将黄姜黄色素水溶液以每小时2倍树脂床体积(2 BV/h)的速度过吸附柱，并以30 mL为单位盛接漏出液，直至漏出液与原液颜色接近。然后以99%乙醇为洗脱剂对树脂进行解吸，以10 mL为单位盛接漏出液，直至漏出液接近透明。用分光光度计在425 nm处测定吸光度，由标准曲线分别计算其黄色素浓度。分别计算树脂饱和吸附量、吸附率以及解析率，并描述吸附穿透曲线和解吸曲线。吸附量、吸附率和解析率的计算公式如下：
式(1)～式(3)中：C0、C1、C2分别为初始溶液黄姜色素浓度、剩余溶液黄姜色素浓度和洗脱液溶液黄姜色素浓度(mg/mL)；V、V1、V2分别为装填AB-8大孔吸附树脂体积、吸附溶液体积、洗脱溶液体积(mL)。静态吸附的计算则将V换为M(树脂的质量)。
1.2.4吸附曲线的测定
(1)动态吸附及解吸曲线。将黄姜黄色素水溶液通入吸附柱，控制吸附流速为每小时2倍树脂床体积(2 BV/h)过吸附柱，分步收集，使用分光光度法测定吸附流出液中黄色素的浓度。解吸时以99%乙醇为洗脱剂，同样测定其吸光度来计算黄色素浓度，观察吸附和解吸过程黄姜黄色素的浓度变化。
(2)静态吸附曲线。准确称取活化湿AB-8大孔吸附树脂8 g，加入200 mL黄姜黄色素水溶液，首先测原液吸光度，然后定时测出上清液吸光度的变化。
2结果与分析
2.1树脂的吸附性能
2.1.1流速对AB-8大孔吸附树脂吸附黄色素的影响
为了探明不同流速对AB-8大孔吸附树脂吸附黄姜黄色素的影响，分别测定吸附流速为1 BV/h、2 BV/h、3 BV/h时，同体积的AB-8大孔吸附树脂可以处理的泄漏前吸附溶液体积和树脂的吸附量，其结果如表1所示。
在动态情况下，将黄姜黄色素水溶液控制吸附流速分别为1 BV/h、2 BV/h、3 BV/h过同体积的AB-8大孔吸附树脂填充的吸附柱，从表1中可得3种流速中吸附流速为2 BV/h时，泄漏前吸附溶液体积最大，吸附量适中。虽然速度为1 BV/h时，吸附量最大，但也最耗时。综合考虑，后续实验吸附流速采用2 BV/h。
2.1.2 AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素的动态吸附
当吸附流速为2 BV/h时，31.4 mL的AB-8大孔吸附树脂可以处理36倍树脂床体积(1 130.4 mL)浓度为0.54 mg/mL的黄姜黄色素水溶液而不发生泄漏，AB-8大孔吸附树脂动态吸附黄色素的泄漏曲线如图1所示。
由式(2)计算可得，其吸附率为76.65%。继续增加黄色素水溶液，流出液的黄色素浓度开始逐渐升高，即已逐渐接近饱和值。
2.1.3 AB-8大孔吸附树脂对黄色素的静态吸附
常温下，准确称取活化湿AB-8大孔吸附树脂8 g，加入200 mL黄姜黄色素水溶液，首先在波长425 nm处测得吸附前吸光度A=0.43，然后定时在某一时间点测出上清液的吸光度变化，AB-8大孔吸附树脂的静态吸附曲线结果如图2所示。
由图2可知，在60 min时黄姜黄色素水溶液吸光度曲线已经趋于平稳，无较大变化。经式(2)计算可得，60 min内，AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素的吸附率为49.26%。
2.2 AB-8大孔吸附树脂吸附黄色素后的脱附性能
吸附剂吸附分离目标产物后能否顺利解吸脱附也是衡量一种吸附剂是否适合用来处理目标物的重要指标，因为这关系到吸附剂的重复利用性能和处理成本的高低。树脂吸附黄色素后，一般可以选用乙醇等亲水醇类和丙酮等作为脱附剂。从洗脱效率、节能、价廉和食品卫生等角度考虑，乙醇是较为合适的选择。本研究采用99%乙醇水溶液为脱附剂，控制脱附流速为2 BV/h，结果表明5倍树脂床体积的脱附剂即可基本将黄色素完全从树脂上解吸下来，解吸率为75.58%。解吸曲线如图3所示。
3结语
本研究通过对AB-8大孔吸附树脂对黄姜中黄色素在吸附、解吸方面的性能研究，得出以下结论：动态吸附中，AB-8大孔吸附树脂对黄姜中黄色素具有较好的吸附效果与解吸效果，树脂填充吸附柱体积为31.4 mL时，吸附流速选用2 BV/h效果最佳，此时吸附树脂能处理36倍的树脂床体积(1 130.4 mL)浓度为0.54 mg/mL的黄姜黄色素水溶液而不发生泄漏，吸附率为76.65%。本实验静态吸附中，AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素的吸附率为49.26%。如果增加更多的吸附剂，吸附率会提高，但同时也加大了工业应用时的成本。
因此，AB-8型大孔吸附树脂吸附黄姜黄色素动态吸附较静态吸附更佳。在AB-8大孔吸附树脂的解吸脱附性能探究中，因为AB-8大孔吸附树脂是非极性吸附剂，用极性的有机溶剂洗脱剂能较容易地把吸附质脱附下来，以99%乙醇水溶液为脱附剂时，解吸率为75.58%。表明AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素有良好的吸附和解吸性能，适合用于黄姜皂素生产过程中黄色素的分离回收。AB-8大孔吸附树脂对黄姜黄色素的吸附动力学特征、吸附等温线特征、吸附影响因素、AB-8大孔吸附树脂吸附黄姜黄色素后的重复利用性能以及AB-8大孔吸附树脂吸附黄姜黄色素的机理值得进一步研究。
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