《Environmental Technology & Innovation》：Purification and Optimization of Salt Solution-Extracted Coagulation-Active Components from
Moringa oleifera Seeds for Enhanced Drinking Water Treatment
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辣木（Moringa oleifera）籽含有可在水处理过程中混凝和絮凝浊度物质的组分。其提取物被称为天然基于自然的（Nb）混凝剂。然而，该提取物还含有一些与混凝无关的杂质，这些杂质可能在处理水中引起问题，如色度和臭味。此外，由于残留有机物的存在，氯化处理后可
辣木（Moringa oleifera）籽含有可在水处理过程中混凝和絮凝浊度物质的组分。其提取物被称为天然基于自然的（Nb）混凝剂。然而，该提取物还含有一些与混凝无关的杂质，这些杂质可能在处理水中引起问题，如色度和臭味。此外，由于残留有机物的存在，氯化处理后可能形成消毒副产物。混凝效率与处理水水质之间的平衡是成功开发Nb混凝剂的关键。本研究旨在建立一种简单的方法，通过盐溶液，采用固化或稀释方式，从辣木籽粗提物中纯化混凝活性组分。通过用自来水中的离子稀释盐提取物而形成的不溶性凝胶显著改善了处理水的水质。尽管盐提取液在混凝后通常会导致溶解性有机碳和盐浓度的增加，但采用这种纯化方法时，处理水水质的劣化并未发生。此外，对于浊度为40 NTU的水，其混凝沉淀效率保持在约90%的浊度去除率。本研究证明了辣木籽中纯化混凝组分的高潜力，以及这种可持续天然混凝剂可能的应用前景。
# 辣木籽盐提取混凝活性组分的纯化与优化：迈向可持续饮用水处理的研究进展
## 研究背景与问题
辣木（Moringa oleifera）属于辣木科（Moringaceae），是一种热带植物，因其叶、荚果和种子含有多种必需植物化学物质而具有丰富的营养价值和较高的商业价值。已有研究表明，辣木籽含有等电点约为10-11的阳离子蛋白质（Ndabigengesere et al., 1995, Nordmark et al., 2016）。由于该组分对水中浊度物质表现出混凝/絮凝效果，源自辣木籽的混凝剂已在世界范围内得到广泛研究（Yamaguchi et al., 2021）。众多研究者不仅将其视为传统铝盐和铁盐混凝剂的环境友好型替代品（Folkard and Sutherland, 2002, Pritchard et al., 2009, Jadhav and Mahajan, 2014），还将其作为膜处理的预处理剂进行研究（Katalo et al., 2018）。研究结果表明，使用辣木籽可使浊度降低90%以上（Nkurunziz et al., 2009, Gámez et al., 2015），其主要聚集机制是通过辣木籽中蛋白质的电荷中和作用使颗粒失稳；但也有研究提出辣木籽组分自聚集体对颗粒的网捕卷扫作用（Nordmark et al., 2016, Okuda et al., 2001）。此外，一些研究报道辣木籽在较宽的pH范围内均表现出混凝性能，且不影响处理水的pH（Ndabigengesere et al., 1995, Mageshkumar and Karthikeyan, 2016）。
然而，辣木籽中含有多种因产地和提取方法不同而异的组分，有报道称这些组分可能影响混凝活性，因此改进提取物的提取和纯化方法也具有重要意义（Yamaguchi et al., 2021）。采用盐溶液从辣木籽中提取的两性物质比用蒸馏水提取的效果更佳（Okuda et al., 1999）。研究还表明，辣木籽中所含的混凝组分之一可以使用纯水进行凝胶化（Nguyen et al., 2025）。使用NaCl溶液提取的辣木盐提取物即使在50 NTU等低浊度水中也表现出更高的效率，尤其是降低浊度方面（Nkurunziza et al., 2009）。盐溶液提取的混凝活性组分通常比非盐水提取物表现出更优异的性能，因为其所需种子提取物更少，且浊度和有机物去除率更高。然而，使用粗辣木籽提取物的一个主要问题是，提取过程中会夹带与蛋白质一起提取的不必要的可溶性有机物（Nordmark et al., 2016, Garcia-Fayos et al., 2020, Hoa and Hue, 2018）。这些残留有机物会作为杂质改变处理水的嗅味和色度，可能导致微生物再生长，并造成饮用水的有害污染（Gámez et al., 2015, Oladoja, 2015）。此外，盐溶液提取会增加处理水的盐度，对其质量产生负面影响（Nguyen et al., 2025, Okuda and Ali, 2019）。因此，需要改进方法或对辣木籽提取物中的混凝活性组分进行纯化，包括盐提取和非盐提取。
研究人员先前提出了带预洗涤（第一步）的两步提取法（Okuda and Ali, 2019），并在前期研究中开发了一种能显著抑制盐度和溶解性有机物（DOC）升高的纯化方法（Nguyen et al., 2025）。在后一种方法中，通过简单稀释，盐溶液提取的混凝活性组分可在凝胶形成过程中以固体沉淀形式回收。然而，这种凝胶化虽然是在相对较低的浊度下评估的，却导致了混凝活性的下降。基于前期研究的机理分析（Okuda et al., 2001），用纯水稀释发生凝胶形成时混凝活性下降的可能原因包括：1a）混凝活性组分缺失；1b）组分的一部分或必要的亚组分缺失；以及2）所形成的凝胶物理结构不适合捕获浊度物质（形成了无孔或非网状凝胶）。其他可能性包括凝胶表面电荷或化学性质的变化，但这一可能性较低。这是因为这些化学性质应在含有离子的自来水（混凝活性研究所在介质）中得以保留，且仅通过纯水稀释不太可能发生这种不可逆的化学反应。
本研究旨在通过探究盐浓度稀释产生的凝胶状混凝活性组分性能下降的原因，来改善辣木（Moringa oleifera）提取物（一种天然基絮凝剂）的性能。性能不仅包括混凝活性，还包括处理后残留DOC和盐浓度增加的最小化。研究人员尝试改进稀释溶剂，并考察了其额外优势。
## 研究方法与技术
研究人员采用了两步提取法从辣木籽中制备混凝剂：首先用蒸馏水预洗涤去除粉末中的杂质，然后用0.3 M NaCl溶液提取混凝活性组分，所得滤液命名为“MoCo”（Moringa coagulant）。纯化过程通过稀释实现，采用两种稀释溶剂：超纯水（50倍稀释）制备MoCo-Sup，以及自来水制备MoCo-St。混凝活性通过标准烧杯试验（jar test）评价，以40 mg/L高岭土配制的模拟浊水（约40 NTU）为处理对象，考察不同投加量下的残余浊度。同时测定了处理水的DOC、电导率（EC）、pH、zeta电位等水质指标。对形成的凝胶进行了显微镜观察和悬浮固体（SS）定量分析，以表征凝胶的物理结构。此外，还通过对比再溶解试验验证了活性组分的可逆性。
## 研究结果与讨论
### 3.1 盐提取物（MoCo）形成的凝胶（MoCo-S）的混凝活性
为探究前期研究中超纯水稀释MoCo导致混凝活性下降的原因，研究人员考察了两个假设：活性组分或其部分的分离以及凝胶结构的差异。通过将MoCo-Sup加固体NaCl至0.6 M再溶解后进行混凝活性测试，发现其混凝活性恢复到与MoCo几乎相同的残余浊度。统计学检验（未配对双侧t检验，对投加量高于1 mg-C/L的所有结果）表明存在显著差异（p < 0.05）。因此，超纯水稀释导致的活性位点或辅助组分的去除并不是MoCo-Sup性能下降的主要原因。此外，该结果表明超纯水稀释形成的凝胶在混凝活性方面发生可逆变化，同时伴随可溶性与不溶性间的转变。由于混凝活性是在自来水中测试的，MoCo-Sup没有混凝活性表明，在自来水中的溶解物质浓度条件下，恢复混凝活性的（逆）变化不会发生。两种凝胶的zeta电位分别为：MoCo-St为+26 mV，MoCo-Sup为+38 mV。从对带负电高岭土颗粒的静电吸附角度看，两者相当或者MoCo-Sup更正，这支持了表面电荷不是主要原因的假设。此外，MoCo-Sup较高的表面电荷表明产生的凝胶颗粒更容易相互排斥，这可能阻止其生长为大絮体。
基于这些结果，研究人员考察了凝胶结构的差异。当凝胶在无离子存在（如超纯水）的条件下形成时，MoCo中两性混凝活性组分的溶解度降低，导致不溶化。羧基等负电基团和氨基等正电基团容易发生分子内键合，形成致密结构的沉淀。相比之下，当MoCo稀释过程中存在离子时，离子中和了部分官能团的电荷，减少了分子内键合，形成更膨胀结构的沉淀。显微镜观察结果表明，MoCo-Sup中的主要颗粒直径小于10 μm，而MoCo-St中观察到长度超过100 μm的颗粒，表明MoCo-St中形成了更大且多孔的固体。
### 3.2 自来水形成的凝胶（MoCo-St）的混凝活性及处理水水质
由于超纯水（MoCo-Sup）和自来水（MoCo-St）稀释形成的凝胶不同，MoCo-St在自来水中对高岭土颗粒的混凝沉淀表现出更好的性能，具有比MoCo-Sup更高的混凝活性。在最佳投加量2.3 mg-C/L时，残余浊度达到约1.0 NTU。由于空白试验（仅混合和30分钟沉淀）后的残余浊度为13-23 NTU，这代表约90%的浊度去除率。
为进一步评价处理水水质，研究人员同时考察了各投加量下的残留有机物（DOC）浓度。在浊度去除的最佳投加量下，MoCo-St使残留DOC浓度增加极小（最大0.2 mg-C/L），而MoCo增加了约1.0 mg-C/L。研究还测定了处理水的电导率和pH（最佳投加量下分别为14±0.5 mS/m和7.5±0.2），与储备液相比几乎无变化。这表明MoCo-St在保持高混凝活性的同时，也能维持在前期研究中展示的处理水水质显著改善的优势。通过纯化，MoCo中约30%的碳被去除，而MoCo-St处理后DOC几乎无增加，说明不必要的有机物占总有机碳的比例高达30%。
基于高混凝性能的结果，研究人员考虑了其在实际环境水中的应用。然而，对低浊度河水性能较低；尽管在应具有高碱度和高pH的海水中观察到较高的混凝潜力；且在自来水中低浊度（10 mg/L高岭土）和高浊度（100 mg/L高岭土）条件下均观察到较低的混凝活性。这些结果表明MoCo-St在实际应用中仍存在局限性。但如果MoCo-St的混凝机理与作者先前提出的网捕卷扫混凝机理相同，MoCo-St可以缩短慢混合时间，因为用于捕获浊度物质的凝胶在投加前已经产生。实验证实，即使缩短慢混合时间，30分钟沉淀后残余浊度也降低了约30%。当完全不进行慢混合时，仅快速混合就实现了约10 NTU的浊度降低，这是因为预生成的凝胶在快速混合期间仅通过与浊度物质的接触就发生了部分混凝。然而，絮凝（小絮体的聚集）对于提高沉降速率（缩短获得同样清澈上清液的沉淀时间）并实现更低残余浊度和实际水质是必要的。
### 3.3 从盐提取物（MoCo）中回收凝胶（MoCo-St）的优化
最后，研究人员从工程角度考察了从MoCo中获得凝胶（MoCo-St）所需的稀释比。盐浓度应控制MoCo中混凝活性组分的溶解度，从而导致沉淀。因此，不溶性凝胶（含混凝活性组分）的量预计随着稀释后盐浓度的降低（即“MoCo稀释比”降低）而增加。然而，从实际操作角度，减少稀释溶剂（MoCo的稀释比较高）更有利于回收，因此存在最优值。实验结果显示，在约25%的MoCo比例（4倍稀释：约80 mM NaCl）下观察到最高的悬浮固体（SS）沉淀量。在稀释比0.3或更低时，沉淀中的碳为以MoCo形式加入碳的61-70%。在较高比例下SS量减少，在50%及以上比例（>150 mM NaCl）时未观察到凝胶沉淀。由于碳回收率随MoCo比例的降低而增加，这表明即使低盐浓度下仍有一定量的混凝活性组分保持溶解状态。考虑碳平衡（20%来自不必要的组分，最低61%来自活性组分），可能有多达19%的混凝活性组分在此稀释过程中损失。
## 结论
本研究证实了天然基混凝剂盐提取辣木（Moringa oleifera）籽的凝胶形成和混凝活性，并考察了其混凝性能，包括处理水水质、残留DOC和盐浓度。研究人员探索了稀释溶剂的改进方案，并考察了其额外优势。基于机理分析改进了从盐溶液提取凝胶中纯化混凝活性组分的稀释条件，在不损失凝胶混凝剂优势（DOC降低和处理水盐浓度增加抑制）的情况下显著提高了混凝活性。同时优化了凝胶形成的稀释浓度，成功解决了辣木天然基混凝剂的相关问题，为纯化方法的确立奠定了基础。本研究证明了纯化的辣木籽混凝组分在饮用水处理中的高应用潜力，为开发可持续的天然混凝剂提供了重要的技术支撑。
