硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)脫除扇貝廢棄物酶解液重金屬的研究

任丹丹,張海麗,曲　詞,李佰磊,郭曉茜,任先見

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116023)

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硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)脫除扇貝廢棄物酶解液重金屬的研究

任丹丹,張海麗,曲詞,李佰磊,郭曉茜,任先見

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116023)

研究了硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)對扇貝廢棄物酶解液中重金屬的脫除作用。以扇貝加工廢棄物為原料,SiO2-CTS/SA為實(shí)驗(yàn)材料,對酶解液進(jìn)行處理,利用原子吸收石墨爐法測定處理液中各種重金屬的含量。結(jié)果顯示:在投加量為5 g/L,pH為6,吸附時(shí)間2 h條件下,SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的脫除率分別為92.5%、82.3%和84.6%;在10～50 ℃間,吸附熱力學(xué)較好的符合Langmuir方程式;吸附動(dòng)力學(xué)均符合Lagergren準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)態(tài)過柱實(shí)驗(yàn)表明,在流動(dòng)過柱狀態(tài)下SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的吸附量分別為0.678、0.523、0.457 mg/g,在流速1 BV/h,流動(dòng)過柱2 h時(shí)后,脫除率接近100%;通過定量過柱實(shí)驗(yàn),SiO2-CTS/SA可完全脫除酶解液中Cr、Cd和Pb;蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮保存率分別為90.86%和92.39%。硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)能有效脫除扇貝酶解液中重金屬Cr、Cd、Pb。

硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉,重金屬,扇貝廢棄物,酶解液,吸附

隨著人口的迅速增長和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展,大量工業(yè)廢水和生活污水排入到近岸海域,使得海域污染總體形勢嚴(yán)峻,其中具有強(qiáng)毒性的Cr、Cd、Pb易在貝類體內(nèi)富集成為貝類食品安全的重大隱患之一[1]。因此,尋找有效減少或脫除Cr、Cd、Pb在雙殼貝類體內(nèi)殘留的方法,對保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全、保障人們飲食健康和解除我國貝類食品出口貿(mào)易技術(shù)壁壘具有重要意義。

化學(xué)沉淀法、電解法和離子交換與吸附等是目前常用的重金屬脫除方法[2]。但這些脫除方法主要是針對處于游離狀態(tài)下的重金屬離子,而對于脫除與蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)結(jié)合的重金屬離子的研究方法較少。吸附法是一種既簡單又具有發(fā)展前景,而且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的脫除方法。殼聚糖是甲殼素在堿性條件下水解并脫去部分乙?；笊傻难苌?可溶于大多數(shù)稀酸溶液。它是目前發(fā)現(xiàn)唯一的一種天然堿性多糖,已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等行業(yè)中[3-6]。Muzzarelli[7]研究了殼聚糖與重金屬離子的作用機(jī)理,認(rèn)為其除具有螯合作用外,還包括離子交換和物理吸附兩種方式。殼聚糖來源豐富,吸附效率高,可生物降解,無毒,是一種十分理想的重金屬離子脫除劑。因此,殼聚糖已成為未來研究的重點(diǎn),尤其在其增強(qiáng)對重金屬的選擇性及可再生的改性殼聚糖樹脂方面的研究。本文以硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)為吸附材料,考察其對酶解液中重金屬的脫除作用,旨在促進(jìn)我國貝類廢棄物利用和貝類產(chǎn)品的開發(fā)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

扇貝加工廢棄物由大連獐子島漁業(yè)集團(tuán)公司提供;殼聚糖(CTS)、海藻酸鈉(SA)為生化試劑;硅膠(200-300目)青島海洋化工有限公司;氫氧化鈉、濃鹽酸、濃硝酸、冰乙酸、無水氯化鈣、高氯酸,硫酸鉀、碳酸鉀等均為國產(chǎn)分析純;鉛、鎘和鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

KSW-5-12A水浴恒溫振蕩器金壇市順華儀器有限公司;pHs-25C數(shù)字式酸度計(jì)上海理達(dá)儀器廠;FW100高速萬能粉碎機(jī)天津市泰斯特儀器有限公司;KSW-5-12A馬弗爐天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)有限公司;SB-電熱板龍口市先科儀器公司;KDN-04消化爐上海新嘉電子有限公司;SBS-100自動(dòng)計(jì)滴部分收集器上海滬西分析儀器廠有限公司;79-2磁力攪拌器常州國華電器有限公司;中空纖維超濾膜正泰集團(tuán)成套設(shè)備制造有限公司;TAS-990 AFG型原子吸收分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)材料制備

1.2.1.1扇貝酶解液的制備制備方法參考文獻(xiàn)[8]。

1.2.1.2硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉凝膠顆粒(SiO2-CTS/SA)的制備分別稱取2 g海藻酸鈉、殼聚糖,溶于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的100 mL醋酸溶液,脫泡、靜置過夜,讓其充分溶解,分別配成海藻酸鈉溶液和殼聚糖溶液。在攪拌下向殼聚糖溶液中加入等體積的海藻酸鈉溶液,20 min后,邊攪拌邊加入2 g烘干至恒重的硅膠,持續(xù)攪拌1 h。用膠頭滴管將均勻混合溶液滴加到2%的氯化鈣溶液中,滴狀物膠化成粒徑為(3.0±0.2) mm的顆粒。在氯化鈣溶液中固化4 h。用蒸餾水將所得到的顆粒洗滌數(shù)次至中性,70 ℃烘干,輕輕研磨,過100目篩,即得淡黃色顆粒狀固體硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)復(fù)合材料[9]。

1.2.2靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1投加量對吸附效果的影響取SiO2-CTS/SA,分別按質(zhì)量0.00、0.01、0.02、0.03、0.05、0.07、0.10、0.20、0.40 g分別投入9個(gè)100 mL錐形瓶中,并做好編號(hào)。將扇貝酶解液解凍后,用1 mol/L的NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié)溶液初始pH6,向每個(gè)錐形瓶中分別加入10 mL扇貝酶解液,用保鮮膜罩住瓶口,在溫度25 ℃條件下震蕩3 h,震蕩結(jié)束后3000 r/min離心15 min,取上清液。消化,定容后待測。

1.2.2.2溶液初始pH對吸附性能的影響取7個(gè)100 mL錐形瓶,分別向其中加入10 mL解凍后的扇貝酶解液,用1 mol/L的NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH分別為2、3、4、5、6、7、8,然后向每個(gè)錐形瓶中各加入0.1 g吸附材料,用保鮮膜罩好瓶口,在溫度25 ℃條件下震蕩3 h,震蕩結(jié)束后3000 r/min離心15 min,取上清液。消化,定容后待測。

1.2.2.3吸附時(shí)間對吸附性能的影響取8個(gè)錐形瓶,分別向其中加入10 mL解凍的扇貝酶解液,用1 mol/L的NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH為6加入0.1 g吸附材料,用保鮮膜罩住瓶口,在溫度25 ℃條件下分別震蕩0、10、30、60、90、120、240、360 min,震蕩結(jié)束后3000 r/min離心15 min,取上清液。消化,定容后待測。

1.2.2.4溫度對吸附效果的影響分別取5份扇貝酶解液溶液20 mL于錐形瓶中,用1 mol/L的NaOH或HCl溶液調(diào)pH為6,然后定容至50 mL,分別加入0.1 g 吸附材料。在搖床中恒溫振蕩反應(yīng)4 h,振蕩速度為200 r/min,溫度分別為10、20、30、40、50 ℃,然后3000 r/min離心15 min,取上清液。消化、定容過程同上。

1.2.3動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1流動(dòng)過柱向(Ф1.6 cm×60 cm)的玻璃柱中加入20 mL(柱高10 cm)充分吸水溶脹的硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉(SiO2-CTS/SA)復(fù)合材料,裝柱完畢后,溫度25 ℃,用恒溫蠕動(dòng)泵維持動(dòng)態(tài)平衡半小時(shí)。扇貝酶解液(pH6)持續(xù)地以1 BV/h從吸附柱頂端流入,流出液在吸附柱底收集,測定流出液中重金屬和氨基酸態(tài)氮、蛋白質(zhì)含量。

1.2.3.2定量過柱將吸附材料裝柱,玻璃柱規(guī)格為Ф1.6 cm×60 cm,吸附材料高度為50 cm,裝柱完畢后,動(dòng)態(tài)平衡半小時(shí)后,定量加入20 mL的扇貝酶解液進(jìn)行洗脫,流速通過調(diào)節(jié)閥控制在1 BV/h,分部收集流出液,直至流出液在280 nm下吸光值小于0.05,合并流出液。將流出液濃縮為過柱前體積,測定流出液中重金屬和氨基酸態(tài)氮、蛋白質(zhì)含量。

1.2.4測定方法氨基酸態(tài)氮的測定[10]:采用甲醛滴定法測定;蛋白質(zhì)含量的測定[11]:采用280 nm紫外吸收法測定;重金屬含量的測定:Cd、Pb、Cr的含量均采用原子吸收分光光度計(jì)石墨爐法測定。

1.2.5脫除率及吸附量的計(jì)算根據(jù)以下公式計(jì)算吸附量Qt:Qt=V(C0-Ct)/W

脫除率R的計(jì)算公式為:

R(%)=(C0-Ct)/C0×100

式中:V為溶液體積(mL);W為SiO2-CTS/SA干重(mg);C0、Ct為吸附前、吸附t分鐘后重金屬濃度(mg/L)。

2　結(jié)果與分析

2.1投加量對吸附效果的影響

由圖1可知,隨著SiO2-CTS/SA投加量的增加,各種重金屬離子的脫除率不斷增加,這是由于SiO2-CTS/SA量增多,對金屬的吸附表面積增大,吸附重金屬離子的結(jié)合點(diǎn)和吸附功能基團(tuán)增多,使脫除率增大。當(dāng)用量為3 g/L時(shí),Cr、Cd、Pb的脫除率均不及40%,增加用量至5 g/L時(shí),Cr、Cd、Pb的脫除率均在65%以上,當(dāng)SiO2-CTS/SA量繼續(xù)增加至7 g/L,雖然Cr、Cd、Pb脫除率達(dá)到70%左右,但是吸附容量有所降低,綜合考慮脫除率和吸附容量兩個(gè)因素,SiO2-CTS/SA的用量應(yīng)控制為5 g/L。

圖1　SiO2-CTS/SA投加量對Cr、Cd、Pb脫除率的影響Fig.1　Effect of SiO2-CTS/SA weight on removal rate of Cr,Cd,Pb

2.2pH對吸附性能的影響

圖2　pH對Cr、Cd、Pb脫除率的影響Fig.2　Effect of solution pH on removal rate of Cr,Cd,Pb

2.3時(shí)間對吸附性能的影響

由圖3知,SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的去除率趨勢均隨著時(shí)間的延長而增大,前60 min,吸附過程進(jìn)行較快,90 min時(shí),吸附已趨于平衡,為保證吸附充分進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)中選擇時(shí)間應(yīng)為2 h。經(jīng)實(shí)驗(yàn)在投加量5 g/L,pH6吸附時(shí)間2 h時(shí)，SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的脫除率分別為92.5%、82.3%、84.6%。經(jīng)計(jì)算,t/Qt與t呈線性關(guān)系,以t/Qt對t作圖(見圖4)。

圖3　吸附時(shí)間對Cr、Cd、Pb脫除率的影響Fig.3　Influence of time on removal rate of Cr,Cd,Pb

圖4　Cr、Cd、Pb的準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型Fig.4　Pseudo second-order kinetic of Cr,Cd,Pb

動(dòng)力學(xué)常數(shù)K和平衡吸附量Qeq可由t/Qt對t作圖所得直線方程的截距和斜率求得(見表1)。

表1　SiO2-CTS/SA吸附Cr、Cd、Pb的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

由圖4和表1知,在SiO2-CTS/SA投加量5 g/L,pH為6,溫度25 ℃條件下,SiO2-CTS/SA對酶解液中Cr、Cd和Pb的平衡吸附量Qeq分別為0.712、0.586和0.597 mg/g。t/Qt與t相關(guān)系數(shù)分別為0.9969、0.9983和0.9993,t/Qt與t呈線性關(guān)系,說明SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的吸附很好的符合Lagergren準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型,吸附過程主要為化學(xué)吸附。

2.4溫度的影響

以Qe對Ce作圖,分別用Langmuir和Freundlich方程對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的吸附熱力學(xué)曲線Langmuir模型和Freundlich模型分別如圖5、圖6所示。

圖5　Cr、Cd、Pb等溫吸附線Langmuir模型Fig.5　Langmuir isotherm model of adsorption of Cr,Cd,Pb

圖6　Cr、Cd、Pb等溫吸附線Freundlich模型Fig.6　Freundlich isotherm model of adsorption of Cr,Cd,Pb

通過比較圖5和圖6知,SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的吸附等溫線更加符合Langmuir模型,擬合參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2　Langmuir和Freundlich方程參數(shù)值(pH=6.0)

注:R2為相關(guān)系數(shù)。

由表2可知,SiO2-CTS/SA對Cr、Cd、Pb的吸附等溫線對Langmuir公式比Freundlich公式擬合得更好,其相關(guān)系數(shù)均大于0.99,SiO2-CTS/SA對扇貝酶解液中Cr、Cd、Pb的吸附主要為單分子層吸附。Freundlich方程中n<1,說明SiO2-CTS/SA對扇貝酶解液中Cr、Cd、Pb的吸附屬于容易吸附。

2.5動(dòng)態(tài)過柱吸附效果

SiO2-CTS/SA流動(dòng)過柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7　SiO2-CTS/SA流動(dòng)過柱吸附曲線Fig.7　Adsorption curve of SiO2-CTS/SA flowing through the column

由圖7可知,其吸附整體趨勢為當(dāng)扇貝酶解液連續(xù)通過吸附柱時(shí),SiO2-CTS/SA不斷吸附扇貝酶解液中重金屬離子。在最初階段,吸附柱頂端的SiO2-CTS/SA能夠迅速有效脫除重金屬,因此初始收集液中重金屬濃度很低,幾乎為零。隨著酶解液持續(xù)流入,吸附不斷進(jìn)行,頂部吸附帶達(dá)到飽和,吸附帶不斷下移,當(dāng)吸附帶下移到柱底端時(shí),酶解液中重金屬濃度不斷增加,當(dāng)吸附柱整體達(dá)到飽和時(shí),酶解液未經(jīng)脫除而直接穿出。經(jīng)計(jì)算,SiO2-CTS/SA在流動(dòng)過柱狀態(tài)下對Cr、Cd、Pb的吸附量分別為0.678、0.523、0.457 mg/g,在流動(dòng)過柱2 h時(shí),收集到過柱后的酶解液中Cr、Cd和Pb含量很少,脫除率接近100%。

2.6蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮含量的變化

由表3可知,定量過柱實(shí)驗(yàn)表明,在玻璃柱規(guī)格為1.6 cm×60 cm,SiO2-CTS/SA高度為50 cm,流速1 BV/h,定量加入20 mL扇貝酶解液,溫度25 ℃,pH6條件下,能較好的保留酶解液中主要營養(yǎng)物質(zhì),對蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮保存率分別為90.86%和92.39%。

表3　扇貝酶解液過柱前后蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮含量變化

3　結(jié)論

本文制備了硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉SiO2-CTS/SA這種新型的吸附材料,通過靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)洗脫實(shí)驗(yàn)等研究了這種材料對扇貝廢棄物酶解液中重金屬的吸附性能。研究結(jié)果表明,SiO2-CTS/SA能較好的脫除酶解液重金屬;綜合考慮pH、投加量、吸附時(shí)間及溫度等因素,SiO2-CTS/SA脫除扇貝酶解液中重金屬的最適宜條件為:投加量5 g/L,pH為6,吸附時(shí)間2 h,該條件下，對Cr、Cd、Pb的脫除率分別為92.5、82.3%、84.6%。動(dòng)態(tài)過柱實(shí)驗(yàn)表明,利用SiO2-CTS/SA對扇貝廢棄物酶解液進(jìn)行動(dòng)態(tài)洗脫以脫除其中的重金屬Cr、Cd和Pb效果較好,且對酶解液中的蛋白質(zhì)和氨基酸態(tài)氮的影響較小,從而說明今后將硅膠負(fù)載殼聚糖/海藻酸鈉SiO2-CTS/SA這種吸附材料應(yīng)用在扇貝廢棄物酶解液的加工過程中是可行的,SiO2-CTS/SA具有一定的應(yīng)用前景。

[1]Metian M,Warnau M,Oberh?nsli F,et al. Interspecific comparison of Cd bioaccumulation in European Pectinidae

(Chlamys varia and Pecten maximus)[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2007,353(1):58-67.

[2]邱兆富,呂樹光,洪麗云,等. 蟹殼生物吸附劑對水中鎳離子的吸附研究[J]. 凈水技術(shù),2008,27(1):50-53.

[3]Wang Z K,Hu Q L,Wang Y X. Preparation of chitosan rods with excellent mechanical properties:One candidate for bone fracture internal fixation[J].Science China Chemistry,2011,54(2):380-384.

[4]Ravi Kumar M N V,Muzzarelli R A A,Muzzarelli C,et al. Chitosan chemistry and pharmaceutical perspectives[J]. Chem Rev,2004,104:6017-6084.

[5]Ren D D,Wang Q K,He Y H,et al. Heavy metals removal of modified chitosan from scallop processing waste hydrolyzate[J]. Glycobiology. 2013,23(11):1353-1354.

[6]Rinaudo M. Chitin and chitosan:properties and applications[J]. Prog Polym Sci,2006,31(7):603-632.

[7]Muzzarelli R A A. Carboxymethylated chitins and chitosans[J]. Carbohydrate Polymers,1988,8(1):1-21.

[8]任丹丹,李佰磊,王添嬌,等. D401樹脂脫除扇貝廢棄物酶解液重金屬的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2013,34(17):139-141.

[9]Azlan K,Wan Saime W N,Lai Ken L. Chitosan and chemically modified chitosan beads for acid dyes sorption[J]. Journal of Environmental Sciences,2009,21(3):296-302.

[10]韓雅珊. 食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1996:61-63.

[11]張梅村. 蛋白質(zhì)定量方法[J]. 山東食品科技.2004,6(12):11-13.

Study on heavy metals removal from hydrolyzate of scallop processing waste by SiO2-CTS/SA

REN Dan-dan,ZHANG Hai-li,QU Ci,LI Bai-lei,GUO Xiao-xi,REN Xian-jian

(College of Food Science and Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The removal of heavy metals from scallop waste by silica-supported chitosan/alginate(SiO2-CTS/SA)was studied. Scallop processing wastes were used as raw materials and SiO2-CTS/SA was utilized to be experimental materials to treat enzymatic hydrolysate. Atomic absorption spectrometry was used to measure heavy metal contents in the liquid. It was found that the removal rate of Cr,Cd,Pb was 92.5%,82.3% and 84.6% in the condition dosage of 5 g/L,pH 6 and adsorption time of 2 h. The adsorption thermodynamics was well in accordance with the Langmuir equation between 10 ℃ to 50 ℃. The adsorption isotherm was conformed to the Langmuir equation. The pattern of adsorption was single molecular adsorption,and the adsorption kinetic followed the pseudo-second-order dynamics. Flow velocity of 1Bv/h,time of 2 h,the adsorption amount of SiO2-CTS/SA to Cr,Cd,Pb was 0.678,0.523,0.457 mg/g,respectively. Heavy metals of enzymolysis liquid collected after column cannot be detected. The retention rate of protein and amino acid nitrogen attained 90.86% and 92.39%. SiO2-CTS/SA can remove Cr,Cd,Pb of scallops enzymolysis liquid effectively.

SiO2-CTS/SA;heavy metals;scallop waste;enzymatic hydrolysis;adsorption

2015-09-17

任丹丹(1980-),女,博士,副教授,研究方向:海洋生物資源利用,E-mail:rdd80@163.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31301449);遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2014077);遼寧省海洋與漁業(yè)廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(201004)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)11-0109-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.014