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(南京林业大学理学院,江苏南京 210037)

黄秋葵多糖提取及其絮凝性能

王炜强,李本刚,罗振扬,周伟健,朱丽珺*

(南京林业大学理学院,江苏南京 210037)

以水、酸、碱为浸提液,利用超声辅助法从黄秋葵果中提取了三种多糖,并以红外光谱和凝胶渗透色谱对其进行了表征。结果表明,三种多糖的组成基本相同,分子量不同。利用黄秋葵多糖、硫酸铁和硫酸铁-黄秋葵多糖复合絮凝剂对高岭土悬浊液处理表明,单独添加黄秋葵多糖时絮凝效果差;单独用硫酸铁时,只有Fe3+离子浓度接近0.1 mmol/L时才能达到90%左右的絮凝率;三种黄秋葵多糖与硫酸铁复合可在0.1～0.6 mmol/L的Fe3+离子浓度范围内达到90%左右的絮凝率,絮凝时间也短。碱提多糖对提高絮凝率和缩短絮凝时间的效果最好,其次是酸提、水提多糖。

黄秋葵多糖,硫酸铁,复合絮凝剂,絮凝率,絮凝时间

黄秋葵为锦葵科秋葵属一年生草本植物,黄秋葵的果实、花、叶中含有丰富的多糖物质,具有很高的提取利用价值[1-3]。目前,黄秋葵多糖的应用研究主要集中在食品和生物医药领域[4-9]。此外,国外研究者报道了黄秋葵多糖在絮凝方面的应用,例如,黄秋葵多糖在污水处理过程中能够有效地去除浊度、颜色及COD等[10],在污泥脱水过程中显示出良好的悬浮固体去除率和水回收率[11]。

多糖是一类常用的天然高分子絮凝剂,具有原料来源丰富、安全无毒、易于生物降解等优点。将天然高分子絮凝剂和无机絮凝剂复合使用,在增强絮凝能力的同时可降低絮凝剂用量,并减少对水体的二次污染,因此受到了广泛关注[12-14]。例如,聚合硅酸铁铝-壳聚糖复合絮凝剂对重金属离子有很强的絮凝能力[15],硫酸铁-大豆多糖复合絮凝剂处理高岭土悬浊液可达到较高的絮凝率[16]。

本文采用超声辅助浸提法从黄秋葵果中提取了三种多糖,并以高岭土悬浊液为处理对象,选择具有投放简单、使用方便、见效快等优点[17]的硫酸铁作无机絮凝剂,分别研究了黄秋葵多糖、硫酸铁、硫酸铁-黄秋葵多糖复合絮凝剂的絮凝性能,以便为黄秋葵多糖在絮凝领域的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜黄秋葵果 由南京溧水晓康农业合作社提供;高岭土 阿拉丁试剂有限公司;硫酸铁、乙醇、氢氧化钠、一水合柠檬酸 国药集团化学试剂有限公司;试剂 均为分析纯。

YJ2-2型气流式粉碎机 济南亿健医疗设备有限公司;KH3200DB型超声波清洗器 昆山禾创超声仪器有限公司;TG16-WS型台式高速离心机 湘仪离心机仪器有限公司;FD-1-50型冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司;UV-2450型紫外-可见分光光度计 日本岛津公司;VERTEX 80V型傅里叶变换红外光谱仪 德国布鲁克公司;PerkinElmer-200型凝胶渗透色谱仪 美国珀金埃尔默公司。

1.2实验方法

1.2.1 黄秋葵多糖的提取 先用水超声浸提黄秋葵中的水溶性多糖,剩余的残渣再用酸、碱超声浸提,从而将非水溶性多糖转化成水溶性多糖溶出。水提法:先用刀将黄秋葵果切开并于50 ℃烘干至恒重,然后用气流式粉碎机将其粉碎至600目。以固液比1∶44 (m/v)加入超纯水,于52 ℃超声100 W浸提1 h[18]后,冷却,8000 r/min 离心分离8 min,收集上层清液并浓缩,向浓缩液中加入乙醇(最终体积分数为70%)使多糖析出,离心收集沉淀物,乙醇洗涤三次,最后冷冻干燥得水提多糖p1。酸提法:将水提法剩余的残渣烘干并碾碎,以固液比1∶44 (m/v)加入pH为2的柠檬酸溶液,在52 ℃下超声浸提1 h。其余步骤同水提法,最后得酸提多糖p2。碱提法:步骤同酸提法。不同的是以pH为12的氢氧化钠溶液浸提,得碱提多糖p3。

1.2.2 黄秋葵多糖的表征 红外光谱测定:将干燥的黄秋葵多糖粉末用KBr压片后进行红外光谱测定,扫描波段4000～400 cm-1。凝胶渗透色谱(GPC)测定:水作流动相,流速0.6 mL/min,测定温度40 ℃,进样量20 μL。

1.2.3 絮凝率测定 配制2 g/L的三种黄秋葵多糖溶液,并稀释至所需浓度待用;配制30 mmol/L的Fe3+离子溶液,并稀释至所需浓度待用;配制 5 g/L的高岭土悬浊液待用。向10 mL试管中加入 9.3 mL上述高岭土悬浊液、0.5 mL指定浓度的黄秋葵多糖水溶液和 0.2 mL指定浓度的硫酸铁水溶液,振荡1 min,然后静置20 min。移取上清液 1 mL,稀释50倍,于500 nm测定吸光度A。以相同体积的蒸馏水代替黄秋葵多糖和硫酸铁溶液作为空白组,测定吸光度B,按以下公式计算絮凝率η[16]:

η(%)=(B-A)/B×100

式(1)

式(1)中,A为加入黄秋葵多糖及硫酸铁时的吸光值,B为空白组的吸光值。

1.2.4 絮凝率与时间关系曲线的绘制 按照1.2.3的方法,固定黄秋葵多糖浓度为1 mg/L、固定Fe3+浓度(0.1、0.4、0.6 mmol/L),分别测定在静置时间为1、2、3、4、5、6、7、8、10、15、20 min时的絮凝率,并绘制成絮凝率与时间关系曲线。

1.3数据处理

絮凝实验均重复3次,采用Excel对数据进行分析,结果以平均值±标准差(Mean±SD)表示。

2 结果与分析

2.1黄秋葵多糖表征

图1给出了水提多糖(p1)、酸提多糖(p2)和碱提多糖(p3)的红外光谱图。由图1可见,酸提、碱提黄秋葵多糖均在1738 cm-1处出现明显的吸收峰,而水提多糖没有出现该吸收峰;这是因为在稀酸或稀碱作用下非水溶液多糖容易发生部分水解和降解[19-20],糖苷键被打断,多糖分子链上出现了更多的羰基。同时,三种多糖其它特征峰的位置基本一致,说明三种多糖的成分基本相同。

图1 黄秋葵多糖的红外光谱Fig.1 FT-IR spectra of okra polysaccharides

图2给出了三种黄秋葵多糖的GPC曲线。由图2可见,三种多糖的分子量分布都较宽,根据GPC曲线最高峰的流出时间可初步判断三种多糖的分子量大小顺序为:碱提多糖>酸提多糖>水提多糖。

图2 黄秋葵多糖的GPC曲线Fig.2 Gel permeation chromatograms of okra polysaccharides

2.2单一絮凝剂的絮凝性能

2.2.1 黄秋葵多糖 图3给出了不同浓度的黄秋葵多糖溶液对高岭土悬浊液的絮凝率结果。由图3可见,单独使用黄秋葵多糖作为絮凝剂时,随着三种黄秋葵多糖浓度的提高,絮凝率从1%提高到7%,但最高也不超过10%。由此可见,单独用黄秋葵多糖作絮凝剂时效果并不好。这是因为悬浮颗粒表面通常带负电荷,黄秋葵多糖属于阴离子型多糖,没有办法通过架桥作用使悬浮颗粒凝聚成大颗粒。

图3 黄秋葵多糖浓度对絮凝率的影响Fig.3 Influence of okra polysaccharide concentration on the flocculation rate

图4 Fe3+离子浓度对絮凝率的影响Fig.4 Influence of Fe3+ concentration on the flocculation rate

2.2.2 硫酸铁浓度 图4给出了不同Fe3+离子浓度对高岭土悬浊液的絮凝率的影响。由图4可得,随着Fe3+离子浓度的增大,絮凝率呈现先增大后减小的趋势,且当Fe3+离子浓度为0.1 mmol/L时絮凝率达到最大,说明Fe3+离子浓度对絮凝率有很大影响。这是因为铁盐的絮凝机理主要是电性中和与吸附架桥,初期主要进行电中和,随着添加量的增加产生吸附架桥作用,当添加量超过 0.1 mmol/L时会发生胶体保护作用,使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷起来重新稳定,絮凝率降低[14]。

2.3硫酸铁-黄秋葵多糖复合絮凝剂的絮凝性能

2.3.1 低Fe3+离子浓度下复合絮凝剂的絮凝效果 图5给出了低Fe3+离子浓度下(0.01、0.03 mmol/L)黄秋葵多糖用量对高岭土悬浊液絮凝率的影响。与图4单一硫酸铁相比,当添加的黄秋葵多糖浓度从1 mg/L增加到20 mg/L时,絮凝率均有所增加。在Fe3+浓度为0.01 mmol/L时,絮凝率从3.25%提高到15%;在Fe3+浓度为0.03 mmol/L时,絮凝率从6.75%提高到19%,最多提高了12%。这是因为在低Fe3+离子浓度下,胶粒间吸附和架桥作用比较弱,絮凝效果不是非常明显。

图5 低Fe3+离子浓度下黄秋葵多糖用量对絮凝率的影响Fig.5 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at low Fe3+ concentration

2.3.2 中Fe3+离子浓度下复合絮凝剂的絮凝效果 图6给出了中Fe3+离子浓度下(0.1 mmol/L)黄秋葵多糖的用量对高岭土悬浊液絮凝率的影响。与图4单一硫酸铁相比,添加黄秋葵多糖后的絮凝率均有所增加,但上升幅度很小,这是因为在此Fe3+离子浓度下单一硫酸铁的絮凝率已达到90%以上。图7给出了中Fe3+离子浓度下的絮凝率-时间曲线。由图7可见,不添加黄秋葵多糖时,需要15 min才能达到90%的絮凝率;添加1 mg/L的黄秋葵多糖后,可在8 min内达到90%的絮凝率;表明在中Fe3+浓度下,添加黄秋葵多糖可有效缩短絮凝时间。这是因为在中Fe3+浓度下,添加黄秋葵多糖,使胶体颗粒聚集,同时强化高分子物质与胶粒间吸附,促进架桥。

图6 中Fe3+离子浓度下黄秋葵多糖用量对絮凝率的影响Fig.6 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at medium Fe3+ concentration

综合图6和图7可见,三种多糖中,碱提多糖对提高絮凝率和缩短絮凝时间的效果最好,其次是酸提、水提多糖,这与三种多糖的分子量大小顺序一致。这是由于黄秋葵多糖的相对分子质量越大,其分子的螺旋链越长,凝聚过程中与颗粒碰撞的概率越大,架桥作用的效果越好,形成的絮体也就更大,絮凝效果也就越好[21]。

图7 中Fe3+离子浓度下的絮凝率与时间关系曲线Fig.7 Plots of flocculating rate and time at medium Fe3+ concentration

2.3.3 高Fe3+离子浓度下复合絮凝剂的絮凝效果 图8给出了高Fe3+离子浓度下(0.4、0.6 mmol/L)黄秋葵多糖的用量对高岭土悬浊液絮凝率的影响。由图8可见,不添加黄秋葵多糖时,絮凝率只有40%～50%;添加黄秋葵多糖后,絮凝率大幅提升,当黄秋葵多糖的用量为1 mg/L时,絮凝率可达90%左右;说明在高的Fe3+离子浓度(>0.1 mmol/L)下,添加少量黄秋葵多糖就可显著提高絮凝率。这是因为单独用硫酸铁絮凝时,高Fe3+离子浓度会导致“再稳”现象,使悬浮颗粒表面带正电荷,无法产生架桥作用;而黄秋葵多糖为阴离子型多糖,可在“再稳”悬浮颗粒间产生架桥作用,使絮凝率极大地提高[22]。图9给出了高Fe3+离子浓度(0.4 mmol/L)下的絮凝率与时间关系曲线。由图9可见,不添加黄秋葵多糖时,20 min时絮凝率还未达到最大;添加1 mg/L的黄秋葵多糖后,15 min后絮凝率几乎不再上升;表明在高Fe3+离子浓度下,添加黄秋葵多糖还可有效缩短絮凝时间。

图8 高Fe3+离子浓度下黄秋葵多糖用量对絮凝率的影响Fig.8 Influence of okra polysaccharide dosage on the flocculation rate at high Fe3+ concentration

图9 高Fe3+离子浓度(0.4 mmol/L) 下絮凝率与时间关系曲线Fig.9 Plots of flocculating rate vs. time at a high Fe3+ concentratio of 0.4 mmol/L

综合图8和图9,三种多糖中,碱提多糖对提高絮凝率和缩短絮凝时间的效果最好,其次是酸提、水提多糖,这与中Fe3+离子浓度下的结果一致。

3 结论

先用水提法从黄秋葵果中提取多糖,再分别用酸提法、碱提法从水提后的残渣中提取多糖,得到了三种黄秋葵多糖。三种多糖的组成基本一致,分子量大小顺序为:碱提多糖>酸提多糖>水提多糖。

对高岭土悬浊液,单独添加黄秋葵多糖絮凝时效果差;单独添加硫酸铁絮凝时,只有在较窄的Fe3+离子浓度范围内才能达到90%左右的絮凝率;对硫酸铁-黄秋葵多糖复合絮凝剂,添加1 mg/L的黄秋葵多糖后,可在较宽的Fe3+离子浓度范围内达到90%左右的絮凝率,并有效缩短絮凝时间,碱提多糖对提高絮凝率和缩短絮凝时间的效果最好,其次是酸提、水提多糖。本研究表明黄秋葵多糖在一定的条件下具有较好的絮凝性,能够开发成为一种可生物降解的、无毒无害的、天然高分子絮凝剂,在环境保护领域具有良好的应用前景。

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Extractionandflocculationpropertiesofokrapolysaccharide

WANGWei-qiang,LIBen-gang,LUOZhen-yang,ZHOUWei-jian,ZHULi-jun*

(College of Science,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

Three kinds of polysaccharide were extracted from okra fruit by ultrasonic technology using water,acid and alkali as soaking solvents. They were characterized by infrared spectroscopy and gel permeation chromatography. The results showed that three kinds of polysaccharide had almost the same composition and different molecular weight. Using kaolin suspensions as flocculating object,the flocculation properties of okra polysaccharide,ferric sulfate and ferric sulfate-okra polysaccharide composite flocculant were investigated. The results suggested that poor flocculation properties were exhibited by adding only okra polysaccharide as flocculant. Only the concentration of Fe3+close to 0.1 mmol/L,ferric sulfate could reach flocculation rate of 90%. However,ferric sulfate-okra polysaccharide composite flocculant could reach flocculation rate of 90% in a wide Fe3+concentration range of 0.1～0.6 mmol/L,and the flocculation time was also short. The order of flocculation rate from high to low and flocculation time from short to long was okra polysaccharide extracted by alkaline,okra polysaccharide extracted by acid and okra polysaccharide extracted by water.

okra polysaccharide;ferric sulfate;composite flocculant;flocculation rate;flocculation time

2017-03-22

王炜强(1993-),男,硕士研究生,研究方向:天然资源材料开发与利用,E-mail:wwq19930927@163.com。

*

朱丽珺(1960-),女,博士,教授,研究方向:环境友好材料,E-mail:lxyzlj@njfu.edu.cn。

江苏省自然科学基金(BK20140967)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)21-0076-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.015