李占君 劉運(yùn)偉 張忠林 張志環(huán) 馬 珂 楊逢建

(1.黑龍江省伊春林業(yè)科學(xué)院，伊春 153000； 2.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

塔拉(CaesalpiniaspinosaKuntze)又名刺云實(shí)，是豆科(Leguminosae sp.)植物中的一種，在我國國內(nèi)塔拉作為單寧、多糖類植物資源多數(shù)是以進(jìn)口的形式從南美洲引種栽培[1～3]。塔拉具有重大經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益的珍貴經(jīng)濟(jì)林木[4]。在飽滿狀況下正常的塔拉豆莢中塔拉果殼含量約占種子總質(zhì)量的65%，種仁中富含大量的乳葡萄糖甘露聚糖多糖，其含量約為34%，在自然界中塔拉籽中的植物多糖是以大分子物質(zhì)的形式得以存在[5～6]?，F(xiàn)階段研究得知塔拉多糖具有無毒可食性，在食品、保健、醫(yī)藥、紡織、造紙、工業(yè)冶金等諸多領(lǐng)域得以廣泛性應(yīng)用，具有非常重要的意義[7～10]。雖然現(xiàn)階段工業(yè)化制備塔拉多糖工藝水平較高，但塔拉多糖的品質(zhì)往往也會因?yàn)楣に嚥僮鬟^程中色素雜質(zhì)的殘留而受到較大程度的影響。本實(shí)驗(yàn)主要針對塔拉多糖脫色工藝予以展開研究與討論，采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對塔拉多糖的脫色化工藝進(jìn)行分析與優(yōu)化，并取得了較好的脫色結(jié)果，為塔拉多糖的脫色工藝性研究提供現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)可靠的理論性依據(jù)，也對塔拉的工業(yè)化加工生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)性意義。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

材料：塔拉多糖粉末，購于云南中科院分院。

試劑：活性炭顆粒、活性炭粉末、過氧化氫，所用試劑由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器

BS124S型電子天平(北京SartoriouS儀器系統(tǒng)有限公司)、電熱恒溫水浴鍋(天津泰斯特儀器有限公司)、3K-30超速離心機(jī)(美國SIGMA公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

塔拉多糖脫色處理過程中的脫色劑主要包括：活性炭顆粒、活性炭粉末以及過氧化氫。脫色過程中，以多糖脫色率和多糖最終保留率為主要考察指標(biāo)，通過對比這兩項(xiàng)指標(biāo)得出最佳脫色實(shí)驗(yàn)過程中所涉及到的各項(xiàng)參數(shù)配比，并對脫色劑用量、脫色時間、脫色溫度、脫色次數(shù)進(jìn)行3因素選擇，為正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)做好前期準(zhǔn)備，通過多次、重復(fù)性正交實(shí)驗(yàn)以探究塔拉多糖脫色過程中最佳工藝參數(shù)[11～14]。

1.2.1 材料的處理

蒸餾水為實(shí)驗(yàn)過程中的反應(yīng)溶劑，并將脫蛋白處理過的塔拉多糖粉末溶于其中，以獲得所需濃度的多糖性水溶液(1 mg·mL-1)，并以40 mL濃度為30%的過氧化氫水溶液為母液稀釋定容為100 mL留以備用。

1.2.2 脫色實(shí)驗(yàn)

取50 mL具塞離心管3支，將所制備的多糖性水溶液分別置于這3支離心管中，每支5 mL，分別添加活性炭顆粒和活性炭粉末各0.3 g，制備所得的過氧化氫水溶液30 mL，45℃恒溫水浴90 min，水浴完成后，5 000 r·min-1、10 min離心處理，使其固液分離。對離心后的3支上清溶液450和490 nm兩處的處吸光值予以測定，加以空白對照，最終計(jì)算得出各脫色率、多糖保有率[15]。

1.2.3 脫色實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以活性炭顆粒、活性炭粉末以及過氧化氫這3種物質(zhì)為脫色劑對塔拉多糖性水溶液進(jìn)行脫色處理(圖1)。

圖1 塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Tara polysaccharide decolorization experiment results

對圖1分析可知，3種脫色劑在對塔拉多糖性水溶液處理的過程中，活性炭顆粒對多糖脫色的效果最佳、最為合理，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以活性炭顆粒為最佳脫色劑，并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合其它3個影響顯著因素為研究對象進(jìn)行下一步的正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 活性炭顆粒脫色實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確量取5 mL，1 mg·mL塔拉多糖溶液于50 mL具塞離心管中，并將脫色過程中的藥品劑量、時間、溫度以及次數(shù)予以設(shè)定，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)完畢后對多糖溶液進(jìn)行450和490 nm兩處吸光值予以測定，最終通過精確計(jì)算得出各脫色率、多糖保留率[16]。

1.2.5 正交優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對該組實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行研究與分析，以脫色劑用量、脫色時間、脫色溫度、脫色次數(shù)為優(yōu)化研究對象進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)；并對最終測定數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治鯷17]。目的是為了使得整體實(shí)驗(yàn)過程中選擇出的塔拉多糖脫色工藝參數(shù)配比的最佳合理化(表1)。

表1L9(34)正交實(shí)驗(yàn)各因素水平表

Table1L9(34)Tableoffactorsandlevelsoforthogonalexperiment

因素Factors水平Level-101A-脫色劑用量Decoloring agent dosage(g)0.200.400.60B-脫色時間Decolorization time(min)456075C-脫色溫度Decolorization temperature(℃)455565D-脫色次數(shù)Decolorization times123

2 結(jié)果與討論

2.1 脫色劑用量的影響

在塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)操作過程中，多糖脫色率、保留率所受到脫色劑用量的影響程度，在一定程度上也會受到脫色所用時間、溫度以及次數(shù)之間綜合性作用的制約。實(shí)驗(yàn)操作過程中各項(xiàng)參數(shù)為：脫色用時45 min，溫度45℃、次數(shù)1次，用以研究和分析脫色劑量對多糖脫色率及保留率的影響。

圖2 脫色劑用量單因素實(shí)驗(yàn)Fig.2 Single factor experiment of decoloring agent dosage

對圖2分析可知，0.6 g是藥劑影響投放量的一個臨界值，當(dāng)脫色劑用量少于0.6 g時，多糖脫色率會隨著脫色劑的增加而得到相應(yīng)的提升且提升幅度較大，而塔拉多糖的保留率會因脫色劑的增加而得到相應(yīng)水平的降低，并且多糖保留率降低幅度較大，這是由于反應(yīng)混合溶液中脫色劑量對該種情況下溶液中的多糖脫色率和保留率的影響能力處于非飽和狀態(tài)。當(dāng)脫色劑用量達(dá)到0.6 g時，表現(xiàn)為塔拉多糖的脫色率提升達(dá)到最高水平，此時多糖脫色率和保有率的降低水平處也開始趨于水平走勢；當(dāng)脫色劑用量大于0.6 g時，塔拉多糖的脫色率和保留率二者并未因脫色劑的增加而發(fā)生明顯性改變，甚至繼續(xù)趨于平緩走勢，此時主要是由于反應(yīng)混合溶液中脫色劑對該種情況下塔拉溶液中的多糖脫色率和保留率的影響能力逐漸趨于極限狀態(tài)，因此變化程度不為明顯。綜合考慮多糖保留率和脫色率二者之間關(guān)系，將正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的脫色劑用量定為0.2～0.6 g。

2.2 脫色時間的影響

在塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)操作過程中，多糖脫色率、保留率所受到脫色時間的影響程度，在一定程度上也會受到脫色劑用量、脫色溫度以及脫色次數(shù)之間綜合性作用的制約。實(shí)驗(yàn)操作過程中各項(xiàng)參數(shù)為: 脫色劑用量0.4 g、脫色溫度45℃、脫色次數(shù)1次，用以研究和分析脫色時間對多糖脫色率及保留率的影響。

圖3 脫色時間單因素實(shí)驗(yàn)Fig.3 Decolorization time single factor experiment

對圖3分析可知，多糖脫色率及多糖保留率與脫色時間有著較為密切的聯(lián)系，當(dāng)脫色時間不足75 min時，塔拉多糖脫色率與脫色時間二者之間是呈現(xiàn)出一定程度的正相關(guān)性，且提升幅度較為明顯；此時多糖保留率會因脫色時間的增加而發(fā)生大幅度的降低，這是由于反應(yīng)混合溶液中脫色劑會隨著脫色時間的延長而對該種情況下溶液中的多糖脫色率和保留率的影響能力得到加強(qiáng)。當(dāng)脫色時間達(dá)到75 min時，塔拉多糖脫色率會因脫色時間的增加而發(fā)生較小幅度的提升；而多糖保留率處于較低水平；當(dāng)脫色時間大于75 min時，塔拉多糖的脫色率和保留率二者并未因脫色時間的增加而發(fā)生明顯性改變，是由于隨著脫色時間的延長，脫色劑對多糖混合溶液的作用效果逐漸趨于完全，因此變化程度不為明顯。綜合考慮多糖保留率和脫色率二者之間關(guān)系，將正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的脫色時間區(qū)間定為：45～75 min。

2.3 脫色溫度的影響

在塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)操作過程中，多糖脫色率、保留率所受到脫色溫度的影響程度，在一定程度上也會受到脫色劑用量、脫色時間、脫色次數(shù)之間綜合性作用的制約。操作過程中各項(xiàng)參數(shù)為: 脫色劑用量0.4 g、脫色時間45 min、脫色次數(shù)1次，用以研究和分析脫色溫度對多糖脫色率及保留率的影響。

圖4 脫色溫度單因素實(shí)驗(yàn)Fig.4 Decolorization temperature single factor experiment

當(dāng)脫色溫度處于45～55℃時，多糖脫色率會隨著脫色溫度的升高而得到相應(yīng)的提升且提升幅度較大；此時塔拉多糖的保留率也會因脫溫度的升高而得到相應(yīng)水平的降低，且降低幅度較為明顯，這是由于反應(yīng)混合溶液中脫色劑會因反應(yīng)混合溶液溫度的升高，使得分子之間運(yùn)動加劇，進(jìn)而對該種情況下溶液中的多糖脫色率和保留率的影響能力得到加強(qiáng)。當(dāng)脫色溫度達(dá)到55℃時，表現(xiàn)為塔拉多糖的脫色率提升幅度和多糖保有率降低水平二者均開始逐漸變緩；當(dāng)脫色溫度高于55℃時，塔拉多糖的脫色率和保留率二者并未因脫色溫度的升高而發(fā)生明顯性改變，這是由于隨著脫色溫度的升高，脫色劑脫色能力的提升已接近最高限度，因此脫色劑對多糖混合溶液的作用效果不為明顯。綜合考慮多糖保留率和脫色率二者之間關(guān)系，將正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的脫色溫度區(qū)間定為：45～65℃。

2.4 脫色次數(shù)的影響

在塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)操作過程中，多糖脫色率、保保留率所受到脫色次數(shù)的影響程度，在一定程度上也會受到脫色劑用量、脫色時間、脫色溫度之間綜合性作用的制約。實(shí)驗(yàn)操作過程中各項(xiàng)參數(shù)為: 脫色劑用量0.4 g、脫色時間45 min、脫色溫度45℃，用以研究和分析脫色次數(shù)對多糖脫色率及保留率的影響。

圖5 脫色次數(shù)單因素實(shí)驗(yàn)Fig.5 Decolorization time factor experiment

對圖5分析可知，多糖脫色率、多糖保留率與脫色次數(shù)有著較為密切的聯(lián)系，一定范圍內(nèi)多糖脫色率會因脫色次數(shù)的增加而得到一定幅度的提升，相應(yīng)塔拉多糖保留率會因脫色次數(shù)的增加而發(fā)生明顯性的下降，當(dāng)脫色次數(shù)達(dá)到3次時多糖脫色率和保留率基本變化開始變得不為明顯且保持較為恒定，這是由于反應(yīng)混合溶液中脫色劑會隨著脫色次數(shù)的增加而對該種情況下溶液中的多糖脫色率和保留率的影響能力得到加強(qiáng)，并因脫色次數(shù)的增加相應(yīng)脫色作用效果逐漸趨于完全。綜合考慮多糖保留率和脫色率二者之間關(guān)系，將正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的脫色次數(shù)定為：3次。

2.5 正交優(yōu)化

在進(jìn)行正交優(yōu)化的過程中，分別以A-脫色劑用量、B-脫色時間、C-脫色溫度、D-脫色次數(shù)4因素的水平予以展開，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

對塔拉多糖脫色實(shí)驗(yàn)進(jìn)行正交優(yōu)化后，通過對表1～2中的方差和均值分析可知，在塔拉多糖脫色反應(yīng)過程中，各影響因素對多糖脫色率所造成的影響程度依次為：D-脫色次數(shù)>C-脫色溫度>A-脫色劑用量>B-脫色時間；而各影響因素對多糖保留率所造成的影響程度依次為：A-脫色劑用量>B-脫色時間>D-脫色次數(shù)>C-脫色溫度。

通過對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行正交優(yōu)化，經(jīng)方差分析可知，實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果中脫色次數(shù)與多糖保留率二者之間存在一定程度的聯(lián)系，且具有一定的極顯著性影響(P<0.01)而溫度對多糖的保留率也具有顯著性影響(P<0.05)。通過對塔拉多糖脫色率、保留率綜合分析研究得出：塔拉多糖脫色工藝的最佳工藝參數(shù)配置為：A2、B2、C3、D1，具體參數(shù)為脫色劑用量0.6 g，脫色所用時間45 min、脫色所需溫度45℃、脫色要求次數(shù)3次，最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果脫色率可達(dá)到50.55%，此時多糖保留率為92.92%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.6 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

將正交優(yōu)化所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與四個單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合對比分析，以及將正交優(yōu)化所得塔拉多糖脫色最佳工藝條件及多糖保留的最優(yōu)條件進(jìn)行方差檢驗(yàn)分析，得出具體實(shí)際工藝優(yōu)化參數(shù)為：脫色劑用量0.6 g、脫色時間45 min、脫色溫度45℃、脫色次數(shù)3次；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：脫色率50.21%，多糖保留率90.39%。充分說明實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正交優(yōu)化方案中所得出的塔拉多糖脫色率和保留率穩(wěn)合性較好，該正交優(yōu)化方案具有較強(qiáng)的科學(xué)理論性和置信性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要針對塔拉多糖的脫色工藝展開研究，在具體實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中以活性炭顆粒、活性炭粉末、過氧化氫作為塔拉多糖溶液脫色試劑。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選出活性炭顆粒作為最佳合理性脫色試劑，并為接下來將要展開的正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)做好必要的前期準(zhǔn)備，最終通過實(shí)驗(yàn)因素優(yōu)化得出最佳合理性工藝參數(shù)配置。在對塔拉多糖水溶液進(jìn)行脫色實(shí)驗(yàn)的過程中，得出實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)：脫色劑用量、脫色時間、脫色溫度、脫色次數(shù)對塔拉多糖的脫色率具有不同程度上的影響，通過正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出影響因素對多糖脫色率所造成的影響程度依次為：D-脫色次數(shù)>C-脫色溫度>A-脫色劑用量>B-脫色時間，而各影響因素對多糖保留率所造成的影響程度依次為：A-脫色劑用量>B-脫色時間>D-脫色次數(shù)>C-脫色溫度。

塔拉多糖脫色正交優(yōu)化最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：脫色劑用量0.6 g、脫色時間45 min、脫色溫度45℃、脫色次數(shù)3次，最終理論預(yù)期塔拉多糖脫色率50.55%，多糖保留率92.92%，在實(shí)際驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：脫色率50.21%，多糖保留率90.39%，具有較高的吻合性。與馮慎等[18]，活性炭脫色具有較好脫色效果，并且能夠最大限度的保留多糖成分，結(jié)果趨于一致。充分說明正交優(yōu)化對塔拉多糖的脫色工藝優(yōu)化切實(shí)可行，能夠?qū)λ嗵沁M(jìn)行合理性脫色工化處理。

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