磷酸鹽緩沖液活化蝦殼材料脫除鎘的初步研究

李濛曉妍，萬 鵬，蔡冰娜，陳得科，朱曉連，孫恢禮，陳 華，潘劍宇

（1.中國科學院熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室/中國科學院南海海洋研究所/廣東省海洋藥物重點實驗室，廣東 廣州 510301；2.中國科學院大學，北京 100049）

磷酸鹽緩沖液活化蝦殼材料脫除鎘的初步研究

李濛曉妍1，2，萬 鵬1，蔡冰娜1，陳得科1，2，朱曉連1，2，孫恢禮1，陳 華1，潘劍宇1

（1.中國科學院熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室/中國科學院南海海洋研究所/廣東省海洋藥物重點實驗室，廣東 廣州 510301；2.中國科學院大學，北京 100049）

蝦殼黏附蛋白中的酸性氨基酸殘基含量相對較高，有利于蝦殼通過陽離子交換方式脫除水溶液中的重金屬。脫無機鹽蝦殼經磷酸鹽緩沖液浸泡活化可以得到一種能夠脫除水溶液中低濃度鎘離子的蝦殼材料。以Cd2+濃度約3 mg/L水溶液中的Cd2+脫除率為指標，通過單因素和正交試驗，考察了浸泡活化中磷酸鹽緩沖液pH值、磷酸鹽緩沖液濃度、磷酸鹽緩沖液與蝦殼液固比、活化時間等因素對蝦殼脫除鎘能力的影響。確定了磷酸鹽緩沖液活化蝦殼的最佳條件：磷酸鹽緩沖液pH 7.5，濃度0.15 mol/L，液固比20∶1，活化時間120 min。所得磷酸鹽緩沖液活化蝦殼在100 mg/80 mL加入量下，對水溶液中Cd2+的脫除率為95.25（±0.57）%。

蝦殼；磷酸鹽緩沖液；活化；鎘；脫除

水體的重金屬污染主要來源于冶煉、采礦、核工業、化工業等工廠廢水排放，高濃度的重金屬廢水經過化學沉淀、離子交換、吸附、膜過濾等常規方法處理后，仍存在微量的重金屬離子存留。由于重金屬離子具有不可降解性、生物富集性、長期持續性毒性的特點，即使濃度很低，也能造成危害［1-3］。鎘是重金屬污染物中比較常見的一種，是目前已知的最容易在體內蓄積的重金屬種類之一，在人體內主要儲存在肝臟和腎臟中，對腎、肺、肝、睪丸、腦、骨骼均可產生毒性，鎘造成的骨痛病是世界八大環境公害病之一［4-5］。

甲殼素與殼聚糖是目前新興的吸附材料，能夠有效去除廢水及其他液體中低濃度或微量的重金屬離子［6-7］。蝦殼作為甲殼素與殼聚糖的來源，具有來源豐富、價格低廉、食用安全的特點，但從蝦殼中提取甲殼素并脫乙酰基轉化為殼聚糖，需要消耗大量的酸、堿，污染環境，也有可能使蝦殼遭到污染，降低安全性，而且1 g干蝦殼只能制備0.1 g的殼聚糖，無論經濟還是環境成本均較高［8-9］。同時，分析蝦殼成分以及生產甲殼素的廢堿液成分發現，干蝦殼中含有大量的礦物質，其次是甲殼素，還有少量的蛋白質、脂肪、蝦紅素和蝦黃素等，而蝦殼黏附的蛋白含有多種氨基酸殘基，其中含量最高的氨基酸是天冬氨酸和谷氨酸，它們都會在堿泡脫蛋白時被去除［10-11］，這兩種氨基酸具有酸性基團支鏈，有助于蝦殼結合鎘。因此完全脫除蝦殼的蛋白質并不利于蝦殼對鎘的脫除。

本研究使用酸泡脫除蝦殼中的無機鹽，暴露重金屬螯合位點，保留蛋白質，再用磷酸鹽緩沖液浸泡處理已經脫除無機鹽的蝦殼，用磷酸鹽緩沖液中的鈉離子將脫無機鹽蝦殼中的氫離子交換出來，使脫無機鹽蝦殼活化從而具有鎘結合能力。以Cd2+濃度約3 mg/L水溶液中的Cd2+脫除率為指標，通過單因素和正交試驗優化，研究磷酸鹽活化蝦殼工藝，可獲得能夠脫除低濃度水溶液中鎘離子的磷酸鹽緩沖液活化蝦殼（PBSA-蝦殼），該蝦殼材料經濟環保，脫除效率高，并能夠制備成食品級，是一種很有潛力的生物新材料，可以用作食品工業用水的鎘離子脫除材料，以及日常直飲水機濾芯的備選材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試原料：南美白對蝦濕蝦殼，由廣東省湛江市國聯水產有限公司提供。蝦殼用自來水沖洗干凈，在55℃烘箱中烘干24 h以上得到烘干蝦殼，用多功能攪拌機粉碎干蝦殼，過0.25～0.83 mm篩。將蝦殼粉末在1.2 mol/L的鹽酸中以液固比10∶1浸泡1 h，得到灰分＜1.0 g/100 g的脫無機鹽蝦殼。該蝦殼在后續試驗中經過磷酸鹽緩沖液（用十二水合磷酸氫二鈉和二水合磷酸二氫鈉配制）活化處理得到活化蝦殼（PBSA-蝦殼）。

試驗試劑：鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉等試劑均為分析純；鎘離子標準溶液（批號13050282），國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院提供。

儀器設備：干燥箱（101-1），上海市實驗儀器廠；九陽料理機（JYC-C020），九陽股份有限公司；箱式高溫電爐（SX2-5-12），上海成順儀器儀表有限公司，南通嘉程儀器有限公司；Acculab精密電子天平，德國賽多利斯股份公司；原子吸收分光光度計（WFX-210），北京瑞利分析儀器公司；pH計（pHS-3C），上海精密科學儀器有限公司；數顯恒溫水浴鍋（HH-2）、恒溫振蕩儀（SHZ-82A），金壇市富華儀器有限公司；臺式離心機（TDL-5-A），上海安亭科學儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1PBSA-蝦殼鎘脫除率計算 利用鎘離子標準溶液配制濃度為3 mg/L的Cd2+水溶液，調節初始pH值為8。取80 mL Cd2+水溶液，加入100 mg PBSA-蝦殼，室溫下恒溫震蕩2 h，靜置，5 000 r/min離心10 min，取上清液，用火焰原子吸收分光光度法檢測溶液中殘留的Cd2+濃度，計算鎘脫除率（R）：

式中，C0為溶液初始鎘離子濃度，Ce為脫除后溶液中的鎘離子濃度。

1.2.2PBSA-蝦殼脫除鎘機理初探 稱取脫無機鹽蝦殼，以10∶1的液固比，在0.05 mol/L、pH=8.0的磷酸鹽緩沖液中活化2 h，用0.075 mm濾網過濾，保留上清液，用蒸餾水淋洗濾渣并保留淋洗液，淋洗過的濾渣55℃下烘干得到PBSA-蝦殼。檢測活化前后緩沖液pH值、Na+濃度和總P濃度，檢測脫無機鹽蝦殼的Na+濃度、總P濃度，氨基酸組成以及對水溶液中鎘離子的脫除率。分析蝦殼成分的改變對鎘離子脫除率的影響。

1.2.3單因素試驗 磷酸鹽緩沖液pH值的選擇：配制pH值分別為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，濃度為0.05 mol/L的磷酸鹽緩沖液，加入脫無機鹽蝦殼調節液固比為10∶1，振蕩反應1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-蝦殼進行鎘離子脫除試驗。

磷酸鹽緩沖液濃度的選擇：配制pH值為7.0，濃度分別為0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mol/L的磷酸鹽緩沖液，加入脫無機鹽蝦殼調節液固比為10∶1，振蕩反應1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-蝦殼進行鎘離子脫除試驗。

磷酸鹽緩沖液與蝦殼液固比的選擇：配制pH值為7.0、濃度為0.05 mol/L的磷酸鹽緩沖液，加入脫無機鹽蝦殼調節液固比分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，振蕩反應1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-蝦殼進行鎘離子脫除試驗。

活化時間的選擇：配制pH值為7.0、濃度為0.05 mol/L的磷酸鹽緩沖液，加入脫無機鹽蝦殼調節液固比為10∶1，振蕩反應時間分別為40、60、80、100、120 min，漂洗并烘干，得到PBSA-蝦殼進行鎘離子脫除試驗。

1.2.4正交試驗 根據單因素試驗結果，選取磷酸鹽緩沖液pH值、濃度、磷酸鹽緩沖液/蝦殼液固比、活化時間進行正交試驗，優化磷酸鹽緩沖液活化蝦殼的工藝條件，得到低濃度水溶液中脫除鎘離子能力最佳的PBSA-蝦殼制備工藝條件。正交試驗具體因素及水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平

2 結果與分析

2.1 PBSA-蝦殼脫除鎘離子機理初探

蝦殼脫除無機鹽可以將蝦殼與無機鹽離子結合位點暴露來，有利于蝦殼與鎘離子的結合。然而，檢測顯示，脫無機鹽蝦殼的鎘脫除率較低，僅為4.73（±0.25）%，分析其可能原因是，蝦殼經過鹽酸浸泡脫無機鹽，弱酸性基團帶H+離子使得吸附材料表面呈酸性，不利于鎘離子結合。脫無機鹽蝦殼經磷酸鹽緩沖液（偏堿性）活化后，鎘脫除率可高達80.01（± 1.80）%。

磷酸鹽緩沖液活化蝦殼前后，緩沖液與蝦殼化學成分分析如表2所示，蝦殼氨基酸含量變化如表3所示，蝦殼掃描電鏡圖片如圖1所示。

表2 磷酸鹽緩沖液活化蝦殼前后緩沖液與蝦殼化學成分分析

表3 磷酸鹽緩沖液活化前后蝦殼的氨基酸含量變化

由表1可知，活化后緩沖液pH值降低，說明緩沖液中Na+發生交換，把蝦殼上的H+交換下來，蝦殼上Na+含量的顯著增多，也證實了這一點。蝦殼氨基酸分析（表2）發現，活化后蝦殼的各氨基酸含量及總氨基酸含量都上升，可能是因為磷酸化能夠改變甲殼素的溶解度［12-13］，由于部分甲殼素溶出，從而提高了蛋白質（氨基酸）的相對含量。分析掃描電鏡圖發現，磷酸鹽緩沖液浸泡后，材料表面明顯變粗糙，進一步說明甲殼素被部分溶出。同時發現蝦殼中天冬氨酸和谷氨酸含量最高，這兩種氨基酸均含有弱酸性的支鏈基團，因此推斷磷酸鹽緩沖液活化過程中，蝦殼蛋白電離平衡向酸式電離的方向進行，蛋白質上的弱酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸的羧基側鏈和組氨酸側鏈咪唑基去質子化作用增強，鈉離子與蛋白側鏈羧基和咪唑基以離子鍵結合，形成的蝦殼蛋白結合鈉材料在水溶液中能有效與鎘離子交換。水溶液中鎘通常為二價離子，且半徑大于鈉離子，更易結合到蝦殼蛋白弱酸性基團上，從而達到吸附鎘離子的目的。

圖1 蝦殼、脫無機鹽蝦殼、磷酸鹽緩沖液活化蝦殼內表面掃描電鏡

2.2 單因素試驗

2.2.1磷酸鹽緩沖液pH值對蝦殼鎘離子脫除能力的影響 如圖2顯示，在一定范圍內，隨著磷酸鹽緩沖液pH值升高，PBSA-蝦殼對水溶液中鎘離子的脫除率升高。當磷酸鹽緩沖液pH值為7.5時，制得的PBSA-蝦殼對3 mg/L的Cd2+水溶液有最高的鎘脫除率，繼續升高溶液的pH值，鎘脫除率趨于平穩。因此，磷酸鹽緩沖液的pH值選為7.5。

2.2.2磷酸鹽緩沖液濃度對蝦殼鎘離子脫除能力的影響 由圖3可知，在一定范圍內，隨著磷酸鹽緩沖液濃度升高，PBSA-蝦殼對水溶液中鎘離子的脫除率升高。當磷酸鹽緩沖液濃度為0.1 mol/L時，制得的PBSA-蝦殼對3 mg/L的Cd2+水溶液有最高的鎘脫除率，繼續升高溶液的濃度，鎘脫除率趨于平穩。因此，磷酸鹽緩沖液的濃度值選為0.1 mol/L。

圖2 磷酸鹽緩沖液pH值對蝦殼鎘離子吸附能力的影響

圖3 磷酸鹽緩沖液濃度對蝦殼鎘離子吸附能力的影響

2.2.3磷酸鹽緩沖液與蝦殼液固比對蝦殼鎘離子脫除能力的影響 如圖4所示，在一定范圍內，隨著液固比升高，PBSA-蝦殼對水溶液中鎘離子的脫除率升高。根據單因素方差分析，液固比20∶1與液固比25∶1制得的PBSA-蝦殼，對3 mg/L的Cd2+水溶液的鎘脫除率在95%的置信區域內并無顯著性差異，且脫除率最高。考慮到經濟因素，液固比選為20∶1較為合適。

2.2.4磷酸鹽緩沖液活化時間對蝦殼鎘離子脫除能力的影響 如圖5所示，隨著活化時間的延長，PBSA-蝦殼對水溶液中的鎘離子的脫除率先升高后降低。當活化時間為80～100 min時，PBSA-蝦殼對3 mg/L的Cd2+水溶液的鎘脫除率在95%的置信區域內并無顯著性差異，此時鎘脫除率最高。考慮到經濟因素，選擇活化時間為80 min。

圖4 磷酸鹽緩沖液與蝦殼液固比對蝦殼鎘離子吸附能力的影響

圖5 磷酸鹽緩沖液活化時間對蝦殼鎘離子吸附能力的影響

2.3 磷酸鹽緩沖液活化蝦殼制備方法的工藝條件優化

磷酸鹽緩沖液活化蝦殼制備方法的工藝條件優化正交試驗結果見表4，表5為正交試驗方差分析結果。從表4、表5可以看出，影響因素的顯著性順序為pH值＞固液比＞濃度＞時間，4個因素均對鎘離子脫除率呈現高度顯著性。通過k值比較分析得到磷酸鹽緩沖液活化蝦殼的最優條件為A3B3C3D3，即磷酸鹽緩沖液pH 7.5，濃度0.15 mol/L，固液比20∶1，時間120 min。經實驗驗證，在同等條件同批分組試驗中，最優條件A3B3C3D3所得蝦殼與正交表中鎘離子脫除率最高的蝦殼條件A3B1C3D2對比，條件A3B3C3D3所得蝦殼對3 mg/L的Cd2+水溶液的鎘脫除率達95.25（±0.57）%，顯著高于條件A3B1C3D2處理所得的蝦殼對3 mg/L的Cd2+水溶液的鎘脫除率93.56（±0.43）%。因此，確定最優條件為A3B3C3D3。

表4 正交試驗結果

表5 正交試驗方差分析結果

3 結語

本試驗研究發現，蝦殼黏附蛋白中的弱酸性氨基酸含量相對較高，有利于蝦殼對水溶液中重金屬Cd2+的交換脫除。鹽酸浸泡脫除蝦殼中的無機鹽，暴露Cd2+螯合位點后，用磷酸鹽緩沖液活化蝦殼，使蝦殼蛋白上的酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸的羧基側鏈上結合的氫離子被鈉離子交換下來，得到活化的蝦殼蛋白結合鈉材料是一種經濟環保的PBSA-蝦殼，在水溶液中能有效脫除重金屬鎘。

以濃度3 mg/L Cd2+水溶液中的Cd2+脫除率為指標，通過單因素和正交試驗優化，獲得磷酸鹽緩沖液活化脫無機鹽蝦殼的最佳條件為：磷酸鹽緩沖液pH 7.5、濃度0.15 mol/L，液固比20∶1，活化時間120 min。所得磷酸鹽緩沖液活化蝦殼在100 mg/80 mL加入量下，對水溶液中Cd2+的脫除率為95.25（±0.57）%。本研究蝦殼材料的脫無機鹽和磷酸鹽活化步驟簡便，經濟環保，獲得的PBAS-蝦殼脫除鎘離子效率高。采用新鮮蝦殼及控制生產過程中試劑的質量，可以獲得安全無毒的PBSA-蝦殼，不僅可以用于食品工業用水的鎘離子脫除，以及日常直飲水機濾芯制備材料，還可以進一步應用于海產品營養液的重金屬脫除。

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（責任編輯 儲霞玲）

Preliminary study on removal of cadmium in aqueous solution by shrimp shell activated by phosphate buffer

LI Meng-xiao-yan1，2，WAN Peng1，CAI Bing-na1，CHEN De-ke1，2，ZHU Xiao-lian1，2，SUN Hui-li1，CHEN Hua1，PAN Jian-yu1
（1.Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology/South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Science/ Guangdong Key Laboratory of Marine Materia Medica，Guangzhou 510301，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Adhesion protein in shrimp shell is found with relatively higher content of acidic amino acid residues，which is conducive to remove heavy metals in the aqueous solution for shrimp shells through cation exchange.Decalcified shrimp shell and activated by phosphate buffer can produce a kind of shrimp shell material that can remove cadmium ion from dilute aqueous solution.Taking Cd2+removal rate as index，single-factor test combined with orthogonal test were used to optimize the shrimp shell activation condition.The optimum conditions were obtained as follows： phosphate buffer pH of 7.5，concentration of 0.15 mol/L，ratio of liquid to solid of 20∶1，activation time of 120 min.And the Cd2+removal rate was 95.25 （±0.57）% when the phosphate buffer activation shrimp shell dosage was 100 mg/80 mL in Cd2+aqueous solution.

shrimp shell；phosphate buffer；activate；cadmium；removal

O647.3；S912

A

1004-874X（2016）12-0122-07

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.12.021

2016-08-04

“十二五”農村領域國家科技計劃項目（2012BAD33B10-3）；國家海洋局海洋公益性行業科研專項（201305018-2）；廣東省海洋區域經濟創新示范項目（SZHY2012-B01-004）；廣東省海洋經濟創新發展區域專項（GD2013-B03-001）；廣東省中國科學院全面戰略合作項目（2012B091000025）；國家自然科學基金青年基金（31101271）；廣東省科技計劃項目（2013B090800002）；中國科學院院地合作項目（ZNGZ-2011-022）；廣東省自然科學基金博士科研啟動項目（2014A030310351，2014A030310338）

李濛曉妍（1991-），女，碩士，E-mail：253423284@qq.com

潘劍宇（1979-），男，博士，副研究員，E-mail：jypan@scsio.ac.cn

李濛曉妍，萬鵬，蔡冰娜，等.磷酸鹽緩沖液活化蝦殼材料脫除鎘的初步研究［J］.廣東農業科學，2016，43（12）：122-128.