木瓜多糖的冷电弧-光催化-吸附脱色工艺研究

谢 勇，王中来*

（福州大学 生物科学与工程学院，福建 福州 350001）

木瓜为蔷薇科植物贴梗海棠（Chaenomeles speciosaNakai）干燥近成熟果实，习称”皱皮木瓜”，又名铁脚梨等[1]。木瓜不仅可药用，还可食用，木瓜果实中含有蛋白质、多糖、还原糖、黄酮、枸橼酸、抗坏血酸等成分[2]。木瓜多糖（papaya polysaccharide）具有一定的抗氧化活性、保湿性等功效，可用于药物载体、保湿剂等方面[3-4]。

木瓜中的色素成分主要包括类胡萝卜素及黄酮等。目前木瓜多糖的脱色方法多为吸附法和氧化法，这些脱色技术不仅效果不佳而且脱色时间较长。冷电弧又称冷等离子体，特指由带电的电子、离子、中性粒子、活性自由基及射线组成[5]。光催化是指半导体光催化剂TiO2等利用紫外线，激发光生电子和光生空穴，催化氧化产生大量的自由基。冷电弧-光催化-吸附技术脱色的基本原理就是将光催化剂负载于具有吸附作用的载体（如活性炭、层状石墨、陶瓷、氧化铝等）上，然后将其填充于产生冷电弧（冷等离子体）的装置中，在高强度电场作用下冷电弧装置产生大量的可以激发TiO2产生大量的自由基的紫外线，产生的高活性自由基即对吸附在填充物介质周围的目标物进行氧化降解，使其转化为可降解或容易分离的小分子物质，甚或直接降解成H2O和CO2，从而达到脱色目的。纳米TiO2有金红石型、锐钛矿型和板钛矿型3种晶型，其中锐钛矿型光催化活性最高[6]。由于半导体TiO2的禁带宽度仅为3.2eV，对可见光的利用率不高[6]，为拓宽TiO2光催化剂的光谱响应范围和提高光量子效率，可采用离子参杂的方法对其进行修饰。孔剑飞等[7]利用过渡金属离子钴（Co2+）和稀土离子铈（Ce6+）掺杂到TiO2中，且取得了一定的成果。冷电弧-光催化-吸附集成技术不仅利用了冷电弧技术，还综合了TiO2的催化作用及活性炭的吸附作用。郭刚等[8-9]已利用冷电弧-光催化技术对荔枝多糖和龙眼多糖进行脱色，并取得了良好的效果。本研究采用离子参杂的方法对光催化剂进行修饰，然后负载于活性炭上，制得冷电弧-光催化-吸附集成装置，并利用该装置对木瓜多糖进行脱色研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木瓜：市售，福州市永辉超市；活性炭（Φ1.5～2.0mm）：长沙市中质环保科技有限公司；钛酸四丁酯、浓硫酸、无水乙醇、硫酸亚铁、蒽酮、冰醋酸、乙酰丙酮、葡萄糖等均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

PTI-15/17KV-60HZ高压变压器：PlasmaTechnics，Inc；日立UV900 紫外可见分光光度计：美国Perkin Elmer公司；Zetasizer Nano ZS90 Malvern激光粒度仪：英国马尔文仪器有限公司；ZT60-600 恒流泵：兰格恒流泵有限公司；DRZ-80电阻炉温度控制器：天津市华北试验仪器有限公司；冷电弧-光催化-吸附装置：自制。

1.3 试验方法

1.3.1 TiO2光催化剂的制备及负载

A液：钛酸四丁酯/无水乙醇/冰醋酸/乙酰丙酮=65∶100∶2.5∶1（V/V）；B液：体积分数为2%的硝酸溶液，4倍于无水乙醇体积；C液：体积分数为10%的三乙醇胺溶液，与无水乙醇等体积。将B液缓慢加入A液中并不断搅拌直至白色沉淀消失为止，后缓慢加入C液并快速搅拌，然后加入1/5倍无水乙醇体积的0.01mg/mL亚硫酸铁，直至溶液呈淡蓝色，避光储存7d后用Malvern激光粒度仪测定纳米TiO2颗粒的粒径。按液固比2∶1将钛胶与活性炭混合，加入一定量的可溶性淀粉并迅速搅拌30min、静置24h，然后过滤沥干，于120℃烘箱中干燥2h。最后将其置于电阻炉温度控制器中500℃条件下处理2h，即得所需TiO2光催化剂[6]。

1.3.2 冷电弧-光催化-吸附装置的制作

冷电弧反应器以钢化玻璃为介质，纱布为流面层，铜箔为电极导体，采用典型的立式介质阻挡放电结构[5]。

1.3.3 试验流程

图1 冷电弧-光催化-吸附集成反应器脱色试验流程图Fig.1 Technology process of decoloration experiment by non-thermal plasma-photocatalytic-adsorption

将负载有TiO2的活性炭添加到冷电弧-光催化-吸附装置中。调节图1中二级变压器将220V交流电压调至试验所需电压，同时调节恒流泵流速至试验所需的流速，然后用蒸馏水对反应器进行清洗，同时注意保持装置外部干燥。待蒸馏水基本流尽后，将木瓜多糖混合液泵入该装置中以进行脱色处理。具体试验流程如图1所示[8]。

1.3.4 木瓜多糖溶液的制备

将新鲜木瓜削皮、去籽、切片、烘干、粉碎后，过40目筛，称取一定量的木瓜粉，按液固比40∶1添加蒸馏水、超声处理35min、75℃水浴浸提65min，离心去除滤渣，将所得溶液定容于一定体积的容量瓶中，待脱色处理。

1.3.5 木瓜多糖的测定

采用蒽酮-硫酸法[10]测定溶液中的总糖，3，5-二硝基水杨酸（dinitrosalicylic acid，DNS）法[11]测定其还原糖，两者之差即为木瓜多糖的含量。

1.3.6 多糖提取液最大吸收波长的测定

将木瓜多糖提取液进行紫外-可见光谱全波长扫描，确定溶液有色物质的最大吸收波长。

1.3.7 单因素试验

在常温、常压、空气相对湿度＜70%的条件下，量取100mL木瓜多糖粗提液，以脱色率和多糖保留率为指标。研究多糖初始浓度、电压、脱色时间及活性炭填充率4个因素对木瓜多糖粗提液脱色效果的影响，脱色率与糖保留率计算公式如下：

式中：A0为脱色前的吸光度值，A1为脱色后的吸光度值。

式中：C1为脱色后木瓜多糖的质量浓度，mg/mL，C0为脱色前木瓜多糖的质量浓度，mg/mL。

1.3.8 木瓜多糖脱色工艺的优化

选取脱色时间、电压、活性炭填充率及多糖初始质量浓度4个因素，采用二次回归正交旋转组合设计优化脱色条件[12]。以木瓜多糖溶液的脱色率（Y1）和糖保留率（Y2）为考察指标，采用综合评分法进行评价[13]。评分标准为多糖脱色率和保留率的权重各占50%，即综合得分Y=（Y1+Y2）×50%。

2 结果与分析

2.1 多糖粗提液最大吸收波长的确定

扫描结果表明，木瓜多糖溶液无最大吸收波长。根据多糖溶液脱色前后均为橙黄色，故从溶液的互补色考虑，选择450nm为检测波长[14]。

2.2 单因素试验

2.2.1 脱色时间对木瓜多糖脱色率和糖保留率的影响

在多糖初始质量浓度3.13mg/mL、电压14.0kV、载有光催化剂纳米TiO2活性炭填充率33.0%条件下，脱色时间对木瓜多糖粗提液脱色率和糖保留率的影响如图2所示。

图2 脱色时间对木瓜多糖脱色率和保留率的影响Fig.2 Effect of time on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

从图2中可知，多糖粗提液的脱色率随脱色时间的增加逐渐升高，而糖保留率却随之逐渐降低。处理时间的增加，增加了木瓜多糖液的循环次数从而增加了与反应体系的接触时间，有利于冷电弧、光催化、吸附作用及其协同作用的累积，色素分子大量被氧化从而提高了脱色效率；但时间不宜超过45min，以免造成多糖的大量损失。

2.2.2 电压对木瓜多糖脱色率和糖保留率的影响

当多糖初始质量浓度为3.13mg/mL、脱色时间15min、纳米TiO2活性炭填充率33.0%时，电压对木瓜多糖粗提液脱色率和糖保留率的影响如图3所示。

图3 电压对木瓜多糖脱色率和保留率的影响Fig.3 Effect of voltage on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

从图3可知，电压升高，木瓜粗提液的脱色率明显增加，糖类物质的保留率一直呈递减的趋势。当电压从10kV上升到13kV后，脱色率急剧增加，之后虽然也呈递增趋势，但比缓慢，而糖类物质保留率的下降趋势平缓。这可能是因为低于13kV时，冷电弧效果比较微弱，产生的紫外光较少，光催化效果比较差，冷电弧、光催化作用及其协同效应都相对较弱，所以脱色率不高；当增大电压后，综合作用得到显著加强，脱色率明显上升，但高于25kV时操作不安全，故电压保持在18～25kV较合适。

2.2.3 活性炭填充率对木瓜多糖脱色率和糖保留率的影响

选取多糖初始质量浓度3.13mg/mL、脱色时间15min、电压15kV，活性炭填充率对木瓜多糖粗提液脱色率和糖保留率的影响如图4所示。

图4 活性炭填充率对木瓜多糖脱色率和保留率的影响Fig.4 Effect of activated carbon filling rate on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

从图4可知，随着活性炭填充率的增加，多糖粗提液的脱色率逐渐升高，多糖的保留率逐渐降低。在没有添加活性炭时，脱色率约为31%，远低于加入活性炭时的脱色率，这说明单一冷电弧技术的脱色效果不如冷电弧-光催化-吸附集成技术的脱色效果。但当填充率大于51%后，可能是因为反应装置内气液分布不均导致冷电弧作用减弱，虽然光催化剂及活性炭的量增加，但光催化剂需要的激发光如紫外线并没有增加，光催化作用及冷电弧作用的减弱抵消了部分活性炭的吸附作用，总体上呈现平衡趋势。

2.2.4 多糖初始质量浓度对木瓜多糖脱色率和糖保留率的影响

当脱色时间为15min、电压15kV、纳米TiO2活性炭填充率40%时，多糖初始质量浓度对木瓜多糖粗提液脱色率和糖保留率的影响如图5所示。

图5 木瓜多糖浓度对其脱色率和糖保留率的影响Fig.5 Effect of polysaccharide concentration on decolorization rate and retention rate of papaya polysaccharides

从图5可知，木瓜多糖质量浓度为4.0～1.5mg/mL范围时，脱色率达到50%～70%。脱色率呈先增后降的趋势。这可能是因为高质量浓度时，多糖液体系中的色素含量较多，且色素分子的吸附抑制了电子空穴的复合，加强了光催化作用，被降解的色素也越多，但是在单位时间内催化氧化降解色素分子的能力时有限的，质量浓度过高时，生产的中间产物富集在活性炭及光催化剂周围，阻碍了光催化剂的催化作用及活性炭的吸附作用[15]。

2.3 二次回归正交旋转组合设计确定木瓜多糖最佳脱色工艺条件

2.3.1 因素水平编码

根据二次回归正交旋转组合设计的要求，需对所选因素进行编码，选取脱色时间、加载电压、多糖初始质量浓度及活性炭填充率4个因素进行优化试验，因素水平编码见表1，设计结果见表2。

表1 响应面试验因素水平编码Table 1 Factors and levels of response surface methodology

表2 二次回归正交旋转组合设计及试验结果Table 2 Quadratic orthogonal rotary combination design and experimental results

2.3.2 回归方程及回归系数的检验

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the fitted regression model

由表3 可知，回归方程在α=0.01水平上高度显著，X1X2、X1X3、X3X4和X2X4均不显著，X2、X3、X1X4、X2X3、X22、X32及X42在α=0.01水平上高度显著，X1、X12、X4在α=0.05水平上显著，剔除不显著项，并代入中心化公式X′=X2-0.667得回归方程（3）：

2.3.3 零水平处重复试验

在中心点处有12次重复试验，试验结果分别为Y01，Y02，…，Y12，用由此产生的误差平方和S误对失拟平方和Slf进行检验，结果如公式（4）所示：

由公式（5）可知，失拟误差是由试验误差引起的，回归方程在中心点拟合较好。

2.3.4 回归方程的还原

根据编码公式，将简化后的回归方程变换得方程（5）：

2.3.5 最佳工艺条件确定

对方程（5）求偏导数得最优值，Z1=3.7、Z2=22.7、Z3=24、Z4=41.4，即多糖初始浓度3.7mg/mL、处理时间22.7min、电压24.0kV及活性炭填充率41.4%为最优工艺条件，将其代入方程（6）得综合得分73.7。将此条件进行3组平行试验，测得脱色率72.2%，糖保留率76.6%，综合得分74.9，与预测值相差1.8%。

3 结论

乙酰丙酮、可溶性淀粉及硫酸亚铁可显著提高TiO2催化剂的催化活性，通过单因素试验和二次回归正交旋转组合设计优化试验，得出最佳脱色工艺条件为多糖初始质量浓度3.7mg/mL、处理时间22.7min、电压24.0kV及活性炭填充率41.4%，脱色率达73.2%，糖保留率达76.6%。在同等条件下，冷电弧-光催化-吸附技术的脱色率比单一冷电弧技术高26.8%。冷电弧-光催化-吸附集成技术在木瓜多糖脱色工艺中取得了良好的脱色效果，且具有脱色时间短、无二次污染、操作简单、成本低等特点，这可为该技术在其它脱色工艺中的应用提供理论依据。

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