殼聚糖對珠江口海域牡蠣酶解液中鎘離子的脫除研究*

李衍森, 黨愛翠

(1.國家海洋局 珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 珠海 519015;2.國家海洋局 南海分局南海環(huán)境監(jiān)測中心,廣東 廣州 510300)

?

殼聚糖對珠江口海域牡蠣酶解液中鎘離子的脫除研究*

李衍森1, 黨愛翠2*

(1.國家海洋局 珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 珠海 519015;2.國家海洋局 南海分局南海環(huán)境監(jiān)測中心,廣東 廣州 510300)

為了探究殼聚糖清除牡蠣中鎘離子的最優(yōu)條件，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法對殼聚糖脫除酶解液中鎘離子的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，單因素結(jié)果為振蕩速率150 r/min、酶解液pH值為7.0、吸附時(shí)間50 min、殼聚糖添加量為8 mg/mL.從簡化實(shí)驗(yàn)和節(jié)約能源的角度考慮，將振蕩速率設(shè)定為150 r/min；對酶解液pH、吸附時(shí)間和CTS添加量三因素通過響應(yīng)面Box-Behnken來進(jìn)行工藝優(yōu)化，最佳工藝為時(shí)間53.3 min、pH 7.6、添加量為8.4 mg/mL，預(yù)測脫鎘率為61.8%.經(jīng)驗(yàn)證在此條件下的脫鎘率為(61.5±1.3)%，略小于預(yù)測值61.8%，這表明優(yōu)化后的殼聚糖吸附條件對珠江口海域牡蠣酶解液中隔離子具有著較好的吸附作用.

殼聚糖；牡蠣酶解液；鎘離子脫除；條件優(yōu)化

鎘是一種對人體和水生動(dòng)物危害嚴(yán)重的重金屬元素，具有殘留時(shí)間長,可沿食物鏈轉(zhuǎn)移蓄積和不可逆性等特點(diǎn)[1-2].它主要由人類活動(dòng)產(chǎn)生，進(jìn)入自然界.鎘能溶于水體中或富集于沉積物，從而成為各種水生食物鏈的污染源.鎘能夠在魚類、貝類和浮游生物等水生生物體內(nèi)富集，損害生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)，抑制酶的活性[3-4].珠海牡蠣銷量大減,經(jīng)海洋農(nóng)漁和水務(wù)局對該區(qū)5個(gè)地方樣品進(jìn)行鎘離子檢測，結(jié)果顯示桂山海域和市場樣品低于規(guī)定限量，而橫琴新區(qū)、金灣區(qū)、高欄港區(qū)樣品分別超出規(guī)定限量0.69倍、1.36倍和1.00倍，表明當(dāng)?shù)夭糠帜迪犑艿芥k污染.牡蠣中重金屬鎘的嚴(yán)重超標(biāo)對其生理活性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用安全帶來了嚴(yán)重的影響.殼聚糖(Chitosan，CTS)是天然堿性多糖，化學(xué)結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特，結(jié)構(gòu)中具有羥基和氨基，對重金屬具有較強(qiáng)的吸附能力[5].目前，殼聚糖及其衍生物在工業(yè)凈水、食品、醫(yī)藥以及生活用品中取得了良好的進(jìn)展.魏婉楚[6]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖及其衍生物對貝類中的鎘離子脫除率達(dá)到90%以上，然而脫除劑加入，也帶來了成本高、營養(yǎng)成分流失等弊端.因此，清潔、高效地對貝類中的鎘離子進(jìn)行清除具有重要的意義[7-8].本實(shí)驗(yàn)分析了殼聚糖對牡蠣勻漿酶解液中隔離子的吸附條件首先利用單因素試驗(yàn)對吸附條件進(jìn)行了初步分析，并利用響應(yīng)面試驗(yàn)對殼聚糖脫除隔離子的條件進(jìn)行了優(yōu)化，為牡蠣中隔離子的脫除方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 牡蠣，珠海金灣區(qū)海鮮市場；胰蛋白酶、枯草桿菌酶，北京索萊寶科技有限公司；殼聚糖(CTS)，脫乙酰度≥90%；NaOH、HCl等，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.1.2 試驗(yàn)儀器 DKS-24型電熱恒溫水浴鍋，嘉興市中新醫(yī)療儀器有限公司；UB-7型pH計(jì)，丹佛儀器(北京)有限公司；BS110S型分析天平，賽多利斯(北京)教學(xué)儀器公司；Z-5000原子吸收光譜儀，日本日立公司；超純水機(jī)，美國Millipore公司.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 牡蠣勻漿酶解液的制備 參考郭妍妍[9]等方法并略加改動(dòng)，用勻漿機(jī)在5 000 r/min條件下勻漿，并先后用胰蛋白酶和枯草桿菌酶酶解牡蠣勻漿液，將酶解液在沸水浴中滅酶活10 min，在3 500 r/min條件下離心10 min，得到上清液即為牡蠣酶解液.

1.2.2 脫鎘率的計(jì)算 酶解液用磷酸二氫胺(120 g/L)作為基體改進(jìn)劑，石墨爐原子吸收光譜法測定鎘的含量.脫鎘率(%)=[(M1-M2)/M1]×100%，其中M1、M2分別為脫鎘前后酶解液中鎘離子的含量，將酶解液中的鎘離子濃度稀釋至4 μg/mL.

1.2.3 殼聚糖(CTS)脫除隔離子單因素實(shí)驗(yàn) 以脫鎘率為指標(biāo)，對影響吸附率的酶解液pH、振蕩時(shí)間、CTS的添加量及振蕩速度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).

(1) 酶解液pH單因素實(shí)驗(yàn)：吸取7份酶解液30 mL，分別向其中加入0.3 g殼聚糖，依次用0.1 mol/L的NaOH和HCl分別將pH值調(diào)整為2.5、4、5.5、7、8.5、10和11.5，在常溫下振蕩吸附30 min，振蕩速率為150 r/min，測量隔離子含量，計(jì)算脫鎘率.

(2) CTS吸附時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)：pH值為7.0，在常溫下振蕩吸附，時(shí)間分別為5，20，30，50，70，90 min，其他步驟同1.2.1.

(3) CTS的添加量單因素實(shí)驗(yàn)：pH值為7.0，吸附時(shí)間為50 min，CTS的添加量分別為2、5、8、10、13、16 mg/mL，其他步驟同1.2.1.

(4) 振蕩速率單因素實(shí)驗(yàn)：pH值為7.0，吸附時(shí)間為50 min，CTS的添加量為8.0 mg/mL，振蕩速度分別設(shè)定為40、80、120、150、190、230、270 r/min，其他步驟同1.2.1.

表1 殼聚糖脫除條件優(yōu)化的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 The experimental design for response surface experimental conditions of chitosan to remove

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化吸附條件 當(dāng)振蕩速率為150 r/min與190 r/min時(shí)，脫鎘率分別為(59.6±1.1)%和(60.4±1.4)%，兩組之間不存在著顯著性差異(p>0.05)，這表明振蕩速率對脫鎘率的影響不大，從優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和節(jié)約能源的角度考慮，將振蕩速率設(shè)定為150 r/min.對酶解液pH、吸附時(shí)間和CTS添加量三因素通過響應(yīng)面Box-Behnken來進(jìn)行工藝優(yōu)化，確定最優(yōu)鎘離子吸附條件，實(shí)驗(yàn)因素水平見表1.

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel軟件和SAS軟件Design-Expert 7.0.0進(jìn)行響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析.若p>0.05，則差異不顯著；若p<0.05，則差異顯著；若p<0.01，則差異極其顯著.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 酶解液的pH值對CTS脫鎘率的影響 通過圖1(a)可知，CTS對鎘離子的吸附率隨著pH的增加出現(xiàn)先升后降的趨勢，在pH為7.0時(shí)，脫鎘率最高為(53.2±1.1)%.當(dāng)酶解液過酸時(shí)，會(huì)釋放出更多的H+，H+會(huì)與鎘離子產(chǎn)生競爭性的吸附作用，這不利于氫氧根和氨根對鎘離子的吸附螯合作用；隨著pH值的升高，會(huì)形成氫氧化鎘沉淀，有助于CTS對鎘離子的吸附，但是堿性過強(qiáng)不利于鎘離子從酶解液中解離出來，CTS的脫鎘率降低.所以，當(dāng)酶解液的pH值維持在中性范圍時(shí)，CTS脫鎘率最高.

2.1.2 CTS吸附時(shí)間對脫鎘率的影響 通過分析圖1(b)可知，CTS對脫鎘離子的吸附率隨著時(shí)間的延長出現(xiàn)先升后降的趨勢，在吸附時(shí)間為50 min時(shí)，脫鎘率最大為(57.3±1.3)%，此時(shí)對鎘離子的吸附已經(jīng)達(dá)到飽和.當(dāng)吸附時(shí)間為90 min時(shí)吸附率為(53.0±0.9)%，下降較為明顯.這是由于CTS發(fā)生部分降解，吸附率下降.

2.1.3 CTS添加量對脫鎘率的影響 通過圖1(c)可知，CTS添加量在2～8 mg/mL時(shí)，脫鎘率迅速提高，但隨著劑量逐漸提高，脫鎘率基本持平，這表明CTS添加量在8 mg/mL時(shí)，對鎘離子的吸附已經(jīng)達(dá)到飽和.

2.1.4 振蕩速率對脫鎘率的影響 通過圖1(d)可知，在振蕩速率為40～150 r/min時(shí)，脫鎘率迅速提高至(59.6±1.1)%，這表明隨著振蕩速度的提升，加快了分子之間的運(yùn)動(dòng)速率，有助于鎘離子與復(fù)合物之間的接觸，加快了螯合吸附作用.但是隨著振蕩速率的增加，鎘離子的脫除率已不再顯著增加，這表明振蕩速率繼續(xù)增加，不會(huì)對脫鎘率造成較大影響.

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 殼聚糖對鎘離子吸附條件分析和優(yōu)化 對酶解液pH、吸附時(shí)間和CTS添加量三因素通過響應(yīng)面Box-Behnken來進(jìn)行工藝優(yōu)化，確定最優(yōu)吸附工藝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示.

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果Tab.2 The design and results of Response surface experiments

2.2.2 方差分析 獲得殼聚糖吸附工藝的回歸方程：

脫鎘率(%)= 60.2 + 4.18A+ 1.53B+ 1.05C+ 0.100AB+ 0.100AC+ 0.90BC- 3.80A2- 2.90B2- 1.95C2，其中，A、B、C分別表示pH、吸附時(shí)間、添加量.

由表3方差分析得出，該模型Prob>F(a)，F(xiàn)(a)小于0.01，表明本模型是極顯著的.失擬項(xiàng)(lack of fit)表示模型預(yù)測值與實(shí)際值不擬合的概率.表3中殼聚糖吸附條件的模型失擬項(xiàng)的Prob>F(a),F(a)為0.066 3,大于0.05，模型失擬項(xiàng)不顯著，模型選擇合適，可以用此模型對殼聚糖對鎘離子吸附條件的工藝優(yōu)化.

表3 響應(yīng)面方差分析Tab.3 Analysis the response surface of variance

注：(a)P-value Prob>F,F的大小表示模型及各因素的顯著水平；

(b)P-value Prob>F,F大于0.05,表示模型及各因素?zé)o顯著影響，P-value Prob>F,F小于0.05表示模型及各因素有顯著影響，P-value Prob>F,F小于0.01表示模型及因素有極顯著影響.

從回歸方程及表3和圖2～圖4來看，AB、AC對殼聚糖吸附影響不顯著，A、B、C、A2、B2、C2對殼聚糖吸附有極顯著影響，BC對殼聚糖吸附有顯著影響.回歸方程優(yōu)化后得：

脫鎘率(%)= 60.2 + 4.18A+ 1.53B+ 1.05C+ 0.90BC- 3.80A2- 2.90B2- 1.95C2.其中，A、B、C分別表示pH、吸附時(shí)間、添加量.

2.2.3 交互作用分析與優(yōu)化

通過Design-Expert軟件求解方程，對于殼聚糖吸附鎘離子，吸附時(shí)間、添加量和pH值都會(huì)對鎘離子的脫除率產(chǎn)生較大的影響.由實(shí)驗(yàn)可知，殼聚糖脫除鎘離子的最佳工藝為吸附時(shí)間53.28 min、酶解液pH 7.56、CTS添加量8.36 mg/mL，預(yù)測脫鎘率為61.80%.

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 將殼聚糖脫除鎘離子的最佳工藝調(diào)整為吸附時(shí)間53.3 min、酶解液pH 7.6、CTS添加量8.4 mg/mL，驗(yàn)證殼聚糖的脫鎘率.經(jīng)驗(yàn)證,在此條件下的脫鎘率為(61.5±1.3)%，略小于預(yù)測值61.8%，其誤差范圍在1%之內(nèi).說明殼聚糖脫除鎘離子工藝優(yōu)化效果較好.

3 討 論

本文對殼聚糖對珠江口海域牡蠣酶解液中鎘離子吸附條件進(jìn)行優(yōu)化，在吸附時(shí)間53.3 min、酶解液pH 7.6、CTS添加量為8.4 mg/mL時(shí)，對酶解液中隔離子的脫鎘率為(61.5±1.3)%.經(jīng)檢測，珠江口海域牡蠣中隔離子的含量為2.94 mg/kg，超過了食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》(GB2762—2012)中規(guī)定的水產(chǎn)品貝(雙殼)類中重金屬鎘限量2.0 mg/kg.本文通過對殼聚糖吸附條件的優(yōu)化，脫鎘率達(dá)到(61.5±1.3)%，而酶解液中隔離子濃度稀釋為4 μg/mL，經(jīng)殼聚糖吸附后，隔離子濃度為1.54 μg/mL，對鎘離子的吸附效果較好.

關(guān)于殼聚糖及其復(fù)合物對鎘離子的吸附作用，梁鵬[10]模擬了殼聚糖對含鎘水溶液中鎘離子的吸附作用，通過條件優(yōu)化，其對隔離子的吸附率達(dá)到了98.0%，殼聚糖對含鎘水溶液中鎘離子的吸附效果較好.張井[11]研究了OU-2型大孔吸附樹脂對北太平洋魷魚內(nèi)臟酶解中重金屬鎘的吸附情況，吸附后酶解液中鎘殘留量低于0.1 mg/kg.本文的研究與其他學(xué)者之間存在著一定的差異，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法等原因造成的.通過對殼聚糖脫除牡蠣酶解液中鎘離子條件進(jìn)行優(yōu)化，鎘離子的脫除效果較好，其對水產(chǎn)品重金屬污染去除效果較好，應(yīng)用價(jià)值較大.

[1] 吳小勝, 魏帥, 魏益民, 等. 鎘腎臟毒性生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展[J].環(huán)境與健康, 2011, 23(9): 739-742.

[2] VILLANUEVA M J, YOKOYAMA W H, HONG Y J, et al. Effect of high-fat dirts supplemented with okara soybean by-product on lipid profiles of plasma, liver and faeces in Syrian hamsters[J]. Food Chemistry, 2011, 124(1): 72-79.

[3] 江天久, 牛濤. 重金屬Cu2+, Pb2+和Zn2+脅迫對近江牡蠣(Crassostrea rivularis) SOD活性影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(2): 289-294.

[4] 陳海剛, 林欽, 蔡文貴, 等. 3 種常見海洋貝類對重金屬Hg、Pb和Cd的積累與釋放特征比較[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(3): 1163-1167.

[5] CRINI G. Recent developments in polysaccharide-basedma-terials used as adsorbents in waste water treatment[J]. Progress Polymer Science, 2005, 30(1): 38-70.

[6] 魏婉楚. 殼聚糖的改性及其應(yīng)用[J]. 中山大學(xué)研究生學(xué)刊, 2013,34(1): 1-12.

[7] 梁鵬, 吳曉萍, 徐慧, 等. 殼聚糖脫除牡蠣勻漿液中重金屬鎘的初步研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2010, 31(7): 107-109.

[8] 許愛清, 向言詞, 李會(huì)東. 運(yùn)用絲狀真菌生物吸附鎘(Ⅱ)污染物的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2013, 36(4): 55-61.

[9] 郭妍妍，吳紅棉，衣美艷，等. 殼聚糖復(fù)合物對近江牡蠣糖胺聚糖中鎘的脫除[J]. 食品科學(xué)，2014,35(12): 46-53.

[10] 梁鵬， 吳曉萍，徐慧，等. 殼聚糖脫除牡蠣勻漿中重金屬鎘的初步研究[J]. 食品科技，2010,7(31):107-110.

[11] 張井. 北太平洋魷魚內(nèi)臟酶解液中重金屬鎬的脫除研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué), 2009.

責(zé)任編輯：龍順潮

Chitosan for Removal of Cadmium from Oyster Hydrolyzate of Pearl River Estuary

LIYan-sen1,DANGAi-cui2*

(1.Zhuhai Central Station of Marine Environmental Monitoring,State Oceanic Administration,Zhuhai 519015;2.South China Sea Branch ,State Oceanic Administration,Guangzhou 510300 China)

In order to explore the optimal conditions of chitosanlear cadmium，on the basis of single-factor experiments, the key parameters of adsorption conditions were optimized by response surface method for hydrolyzate of cadmium ions.The operating conditions were: rate of 150 r/min, pH value of 7.0, adsorption time 50 min and CTS dosage 8 mg/mL. From the experimental simplification and energy conservation point of view, the oscillation rate was set to 150 r/min; the three-factor which were pH of hydrolyzate, adsorption time and CTS added concentration of Box-Behnken response surface to process optimization. The optimum were:oscillation rate of 150 r/min, pH value of 7.6, adsorption time 53.3 min and CTS dosage 8.4 mg / mL, the prediction cadmium removal was 61.80%. Proven under these conditions, the removal rate of cadmium(61.5 ± 1.3)%, slightly less than the predicted value of 61.8%.This suggests that chitosan adsorption conditions optimized for the Pearl River Estuary in hydrolyzate spacer having a good adsorption.

chitosan;oyster hydrolyzate；cadmium removal；optimization

2016-05-24

南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長基金(1352)

黨愛翠(1983-)女，廣西 貴港人，博士，工程師.E-mail:liyansen21@sohu.com

TQ91

A

1000-5900(2016)03-0048-06