易慶平，閔慧玉，樊睿怡，張青林，羅正榮

(1.荊楚理工學(xué)院 生物工程學(xué)院，湖北荊門 448000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430070；3.荊門市格林美新材料有限公司，湖北荊門 448124)

中國是柿(DiospyrosL.)的原產(chǎn)地和柿屬植物的原產(chǎn)中心之一。在中國分布的柿屬植物中，柿是作為果樹栽培的代表種。此外，還有用于提取柿單寧的油柿(D.oleifera)，用作栽培柿砧木的君遷子(D.lotus)等近緣種[1]。中國是世界上最早利用柿單寧的國家，柿單寧具有防水、防腐、防蟲蛀以及染色等功效[2]。一般以未成熟柿果或加工后廢棄的柿皮等為原料，經(jīng)清洗、榨汁、發(fā)酵、酶解、過濾、濃縮等步驟制得的柿單寧溶液或干粉。柿單寧富含酚羥基，對金屬離子具有吸附能力，作為一種來源豐富、環(huán)境友好的天然高分子吸附材料，其應(yīng)用前景引起廣泛關(guān)注[3-4]。已報道的柿單寧金屬吸附劑有單寧酚醛樹脂、單寧接枝膠原纖維/殼聚糖材料及負載含氮、硫功能基團的衍生物，吸附對象包括重金屬[5-7]、放射性元素[8-9]和貴金屬[10-13]。中國柿屬植物種質(zhì)資源最為豐富，不同類型的柿果被用作提取柿單寧的原料，但評價和篩選不同柿屬植物單寧優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源用作金屬吸附劑的研究鮮見報道[14-15]。本研究以7份代表性的中國特產(chǎn)柿屬植物為對象，采用Folin-Ciocalteu法測定不同種質(zhì)和不同發(fā)育時期果實單寧質(zhì)量分數(shù)，并以柿果粉為原料采用硫酸交聯(lián)法制備出柿單寧金屬吸附劑，通過比較其對貴金屬Au(III)的吸附能力，試圖篩選出適合用于制備柿單寧金屬吸附劑的專用種質(zhì)及其采樣時期，以期為柿屬植物單寧功能化產(chǎn)品開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材分柿(D.kakiThunb.)和油柿(D.oleifera)兩種，包括主栽澀柿品種‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盤柿’(D.kakiThunb.)、珍稀特色種質(zhì)‘黑柿’(D.kakiThunb.)、中國甜柿‘鄂柿1號’(D.kakiThunb.)和日本甜柿‘陽豐’(D.kakiThunb.)以及油柿(D.oleifera)的一個單株共7份，采取盛花后140 d未成熟的果實供試。此外，采取盛花后35、70、105、140、175 d的油柿果實用于比較不同發(fā)育時期的單寧質(zhì)量分數(shù)及其制備柿單寧金屬吸附劑的效果。以上樣品全部采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柿圃。采集后的柿果洗凈、切片去核、真空冷凍干燥后，采用破碎機磨成細粉，過60目網(wǎng)篩-80 ℃保存，備用。

1.2 單寧質(zhì)量分數(shù)測定

參考Oshida等[16]Folin-Ciocalteu 法測定柿可溶性和不溶性單寧質(zhì)量分數(shù)。柿果總單寧質(zhì)量分數(shù)為可溶性和不溶性單寧質(zhì)量分數(shù)的總和。

1.3 吸附劑制備

含柿單寧的金屬吸附劑制備采用硫酸交聯(lián)法[17]稍有修改。具體方法：取5 g柿粉，加10 mL濃硫酸在80 ℃溫度下交聯(lián)固化24 h，用NaHCO3中和后蒸餾水洗至中性，烘干，研磨后過60目網(wǎng)篩，備用。

1.4 吸附試驗

金是非常典型的貴金屬，在手機、電腦印刷電路板等電子廢棄物中具有很高的含量，具有極高的回收價值[4]。本研究以Au(III)為代表性金屬離子用于評價7種不同柿種質(zhì)制成的金屬吸附劑的吸附能力。將HAuCl4·4H2O配制成5 000 mg/L的Au(III)溶液，備用。

1.4.1 不同原料和不同發(fā)育時期制備的吸附劑對Au(III) 的吸附能力差異 20 mg不同類型柿種質(zhì)以及油柿不同發(fā)育時期柿粉制成的吸附劑分別與20 mL含0.1 mol/L HCl、初始質(zhì)量濃度為600 mg/L Au(III)離子溶液混合，在MAXQ-4000恒溫氣浴搖床(美國Thermo公司)中30 ℃以200 r/min振蕩反應(yīng)24 h。

1.4.2 不同吸附時間對吸附劑吸附Au(III)效果的影響 20 mg油柿(盛花后140 d)制備的吸附劑分別與20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始質(zhì)量濃度為600、1 800 mg/L Au(III)離子溶液混合，30 ℃振蕩，按照一定時間間隔取樣(5～2 880 min)。

1.4.3 不同初始溶液質(zhì)量濃度對吸附劑吸附Au(III)效果的影響 20 mg油柿(盛花后140 d)制備的吸附劑分別與20 mL 含0.1 mol/L HCl、初始質(zhì)量濃度分別為600、1 200、1 800、2 400、3 000 mg/L Au(III)離子溶液混合，分別于30、40、50 ℃溫度下振蕩24 h。

“1.4.1”、“1.4.2”和“1.4.3”吸附試驗均重復(fù)3次，過濾后用Spectra AA 220原子吸收光譜儀(美國VARIAN公司)測定吸附前后金屬離子質(zhì)量濃度。計算吸附率(%)或平衡吸附量qe(mg/g)。

吸附率=(Ci-Ce)/Ci×100%

qe=(Ci-Ce)/W×V

式中：qe為平衡吸附量(mg/g)、Ci與Ce分別為吸附前后金屬離子溶液的質(zhì)量濃度(mg/L)，W與V分別為吸附劑用量(mg)和溶液體積(mL)。

進一步采用Langmuir[18]和Freundlich[19]2種等溫線方程對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合。

Ce/qe=(Ce/qm)+(1/bqm)

lnqe=lnKF+(1/n)lnCe

式中：Ce為溶液平衡質(zhì)量濃度(mg/L)，qe和qm分別為平衡吸附量的試驗值(mg/g)和理論最大值(mg/g)，b為Langmuir吸附平衡常數(shù)(L/mg)。kF和n為Freundlich常數(shù)，分別指吸附能力和吸附強度。一般認為1

2 結(jié)果與分析

2.1 不同柿種質(zhì)的單寧質(zhì)量分數(shù)差異及其對金吸附的影響

表1顯示，同一時期不同柿屬植物的柿單寧質(zhì)量分數(shù)差異較大，油柿的單寧質(zhì)量分數(shù)最高，澀柿品種的質(zhì)量分數(shù)明顯高于甜柿。油柿‘磨盤柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’的總單寧質(zhì)量分數(shù)均在12%以上，油柿遠大于其他柿屬植物。由圖1可以看出，單寧質(zhì)量分數(shù)最高的油柿具有最大吸附率，吸附率達94.9%，吸附率稍低的分別為澀柿‘恭城水柿’(85.5%)‘磨盤柿’(84.5%)和‘黑柿’(82.2%)，而單寧質(zhì)量分數(shù)最低的日本甜柿‘陽豐’吸附率最低，僅67.6%。不同柿種質(zhì)原料制成的吸附劑對Au(III)的吸附率與單寧質(zhì)量分數(shù)的變化存在正相關(guān)，可見吸附劑原料柿單寧質(zhì)量分數(shù)對金的吸附率影響很大。在這些柿種質(zhì)中，油柿的單寧質(zhì)量分數(shù)最高，可以作為優(yōu)先選擇制備單寧吸附劑的原料，澀柿‘磨盤柿’‘恭城水柿’和‘黑柿’也可以作為制備吸附劑的備選柿種質(zhì)。

表1 7種柿屬植物柿果單寧質(zhì)量分數(shù)Table 1 Tannin mass fraction of fruit in 7 genotypes of Diospyros L. %

圖1 不同柿種質(zhì)吸附劑對Au(III)的吸附效果Fig.1 Adsorption rate of Au(III) using adsorbents derived from different persimmon germplasm

2.2 油柿不同發(fā)育時期單寧質(zhì)量分數(shù)及其對Au(III)吸附的影響

由圖2可知，在整個發(fā)育時期單寧質(zhì)量分數(shù)均較高，盛花后35～140 d總單寧質(zhì)量分數(shù)均在27%以上，盛花后70 d時達最高值30.60%，盛花后175 d隨著果實成熟軟化其單寧質(zhì)量分數(shù)下降至19.28%。由圖3可知，盛花后35～140 d柿果吸附劑對Au(III)的吸附率均很高，吸附率為93.8%～96.2%，而盛花后175 d油柿已經(jīng)開始軟化成熟，制得的吸附劑對Au(III)的吸附率降至86.4%。考慮到柿果發(fā)育的大小和果實質(zhì)量因素，適宜的油柿采樣時期推薦為盛花后140 d。因此，以下試驗采用的吸附劑是盛花后140 d油柿濃硫酸交聯(lián)固化制備的吸附劑，進行動力學(xué)與等溫線吸附試驗評價其對Au(III)的吸附性能。

圖2 油柿不同發(fā)育時期柿果單寧質(zhì)量分數(shù)Fig.2 Tannin mass fraction of D.oleifera at different developmental stages

2.3 以油柿果實為原料的金屬吸附劑對Au(III)的吸附動力學(xué)

圖4所示不同吸附劑時間(5～2 880 min)對油柿吸附劑吸附Au(III)的影響。吸附動力學(xué)曲線表明，在不同初始質(zhì)量濃度下吸附劑對Au(III)的吸附過程均比較緩慢，隨著時間的延長，吸附率緩慢上升。原因在于柿單寧酚羥基和Au(III)存在氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過程較慢[21]。當Au(III)初始質(zhì)量濃度為600 mg/L 36 h后該吸附劑對Au(III)能實現(xiàn)100%完全吸附。當Au(III)初始質(zhì)量濃度為1 800 mg/L時，吸附時間為36 h和48 h時的吸附率分別為60.1%和71.2%。若延長吸附時間吸附率還會有所增加。

2.4 以油柿果實為原料的金屬吸附劑對Au(III)的吸附等溫線

圖 5 所示不同初始離子質(zhì)量濃度(600～3 000 mg/L)對油柿吸附劑吸附Au(III)的影響。隨著離子質(zhì)量濃度的增加，最初吸附量上升很快，之后隨著Au(III)離子初始質(zhì)量濃度的增加，吸附量緩慢增加，最終達到一個接近穩(wěn)定的飽和吸附容量。50 ℃溫度下吸附劑對Au(III)吸附量明顯高于其他溫度，隨初始質(zhì)量濃度增加還能大幅增加，說明該吸附過程是吸熱的，升高溫度可大幅提高吸附容量。

圖3 不同發(fā)育時期油柿吸附劑對Au(III)的吸附效果Fig.3 Adsorption rate of Au(III) of D.oleifera adsorbents at different developmental stages

圖4 油柿吸附劑對Au(III)吸附動力學(xué)Fig.4 Adsorption kinetics for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

從圖6和表2可知，與Freundlich擬合結(jié)果相比，Langmuir方程的相關(guān)系數(shù)(R2)更高，達到0.99以上，這表明吸附過程符合Langmuir單分子層吸附模型，說明吸附過程為單分子層吸附。根據(jù)Langmuir擬合計算出在30、40、50 ℃的理論最大吸附容量分別為1 292.0、1 353.2、1 647.5 mg/g。Freundlich擬合得到的常數(shù)n值為4.726～11.806，說明吸附反應(yīng)均容易發(fā)生。

圖5 油柿吸附劑對Au(III)吸附等溫線Fig.5 Adsorption isotherms for adsorption of Au(III) using D.oleifera adsorbent

圖6 吸附劑對吸附Au(III)的(a)Langmuir和(b)Freundlich線性擬合Fig.6 Linear fitting of adsorption isotherms of Au(III)(a) Langmuir (b) Freundlich

溫度/℃TemperatureLangmuirqm /(mg/g)b/(L/mg)R2FreundlichKFnR2301 292.0 0.007 9 0.996 8254.2 4.726 0.986 7401 353.2 0.012 8 0.996 7650.0 10.834 0.958 3501 647.50.013 30.991 2824.7 11.8060.900 8

3 討 論

中國原產(chǎn)的栽培柿品種多為澀柿。澀柿成熟后軟化，其傳統(tǒng)用途為鮮食或制作柿餅，加之深加工技術(shù)滯后，嚴重制約了中國柿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。柿單寧具有特殊的生理生化活性，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、制革工業(yè)、日化工業(yè)、冶金工業(yè)、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域[22-23]。這些新用途為單寧含量極高的柿種質(zhì)開辟了前景，具有較為廣泛的應(yīng)用價值和潛在市場。

柿單寧的單體構(gòu)成類型、聚合度數(shù)量以及聚合物的分布是變化的，它們會隨著品種和發(fā)育時期的差異而有所不同[24]。夏宏義等[25]測定不同類型12個柿品種果實生長發(fā)育過程中縮合單寧質(zhì)量分數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)柿果實的生長發(fā)育進程中單寧質(zhì)量分數(shù)盛花后35～50 d達到最高水平，隨后逐漸降低，但不同類型柿間總含量及變化幅度存在較大差異。韓衛(wèi)娟等[26]研究柿果實中可溶性單寧質(zhì)量分數(shù)的年變化發(fā)現(xiàn)，不同品種果實可溶性單寧質(zhì)量分數(shù)均在生長初期最高，隨著果實的生長發(fā)育而逐漸降低。本研究所采用的7種柿屬植物雖然數(shù)量不多，但極具代表性，‘富平尖柿’ ‘恭城水柿’ ‘磨盤柿’分別為陜西、廣西、河北等中國澀柿主產(chǎn)區(qū)主栽品種，栽培面積大、產(chǎn)量高。油柿在湖南、江西、浙江等地作為柿栲膠原料廣泛栽培。該研究柿種質(zhì)柿果單寧質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律與夏宏義等[25]和韓衛(wèi)娟等[26]研究結(jié)果基本一致。今后還可以進一步豐富并擴大柿屬植物如‘君遷子’ ‘美洲柿’ ‘野柿’等的種類以及采樣時期，建立和完善柿屬植物單寧資源的測定標準和評價體系，為促進柿單寧功能化產(chǎn)品開發(fā)和柿產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

柿單寧來源豐富、成本低、富含酚羥基、易于制備，是一種應(yīng)用前景廣闊的生物吸附材料。本研究結(jié)果表明吸附劑原料中柿單寧質(zhì)量分數(shù)的多少對金吸附率影響很大，不同柿種質(zhì)吸附劑對金屬離子Au(III)吸附率與單寧質(zhì)量分數(shù)的變化存在正相關(guān)性。未經(jīng)提取純化的油柿柿果單寧質(zhì)量分數(shù)高達27%，通過濃硫酸交聯(lián)得到的吸附劑對Au(III)吸附能力強，不同溫度下吸附容量均在1 200 mg/g以上，與其他生物吸附劑相比吸附量很高[27]。該方法具有簡單易行、成本低、效率高等優(yōu)點，可應(yīng)用于電子廢棄物循環(huán)回收稀貴金屬和環(huán)境工程領(lǐng)域。因此，有必要對中國油柿的分布、產(chǎn)區(qū)及產(chǎn)量等進行調(diào)查和評估，以便更好地開發(fā)利用油柿這一寶貴資源，以油柿為制備吸附劑的原料，開發(fā)新型高效的柿單寧金屬吸附劑，為柿單寧吸附材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。