乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附特性研究

刘 漫，李和生，徐祥浩

（宁波大学海洋学院，浙江宁波315211）

乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附特性研究

刘 漫，李和生*，徐祥浩

（宁波大学海洋学院，浙江宁波315211）

以乌贼墨黑色素作为吸附剂对Pb2+进行吸附，分别考察初始离子浓度、溶液pH、吸附温度、吸附作用时间、乌贼墨黑色素添加量对吸附的影响。结果表明，pH4～5时，吸附率最高，温度对吸附基本不产生影响，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附率随初始离子浓度增大而下降，随吸附时间延长和吸附剂添加量增加而增加直至吸附饱和。乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附过程符合Langmuir等温线方程和准二级动力学方程，吸附过程以单层吸附为主。

乌贼墨黑色素，吸附，铅离子

铅是自然界广泛存在的有害物质，易通过消化道、呼吸道而被人体吸收，有很强的亲组织性，导致人体组织中的铅沉积。铅等重金属化学物质一直是环境污染的主要因素之一，其危害已逐渐演变为一个严重的社会问题。乌贼墨约占乌贼体重的1.3%，是乌贼加工过程中的废弃物，具有抗肿瘤活性[1-3]、抗氧化活性[4-5]、血液活性[6-7]、抗菌活性[8-10]、免疫活性[11-12]等生物活性。最新研究表明，其主要成分黑色素具有较好的吸附金属离子的能力[13]。

乌贼墨黑色素是一种不溶于水的生物大分子多聚体，由小的低聚物分子组成[14]，化学成分是黑色素和蛋白多糖复合体，主要是真黑素与蛋白质结合的黑素蛋白、酪氨酸的聚合物、水和脂肪等[15]。真黑色素是以由酪氨酸氧化而成的DHI（5，6-二羟基吲哚）和DHICA（5，6-二羟基吲哚酸）这两种吲哚结构的分子为前体的，而乌贼墨黑色素被认为是天然真黑色素的典型，其中存在不同的基团均可以参与到金属键的结合中去，如（-COOH、-NH、-OH）等，具有结合潜在毒性阳离子（如一些过渡金属）的特性。Lian[16]利用红外吸收光谱法检测了乌贼墨黑色素颗粒与二价阳离子Mg2+、Ca2+、Zn2+和Cu2+的结合，发现金属离子和黑色素的COOH、NH和OH等官能团相互作用。本课题拟以乌贼墨黑色素为材料，研究其与重金属铅的吸附行为，分析各种因素对其吸附活性的影响，考察乌贼墨黑色素吸附清除水中Pb2+的性能，并通过吸附动力学、吸附等温线、扫描电镜技术等研究其吸附机理，以期提高乌贼废弃物的综合利用率，促进水产品加工废弃物的高值化利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金乌贼墨囊 -20℃储藏备用；试剂Pb（NO3）2、HCl、NaOH、浓HNO3均为分析纯；实验用水 均为超纯水。

AB104-N型分析天平 METTLER TOEDO公司；DK-S22型电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；KA-1000型离心机 上海精工科学仪器厂；320型pH计 METTLER TOEDO公司；SHZ-82型气浴恒温振荡器 金坛市科析仪器有限公司；2100DV型电感耦合等电子体发射光谱ICP-AES Perkin Elmer；日立扫描电子显微镜S-3400N 天美（中国）科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乌贼墨黑色素的提取 采用高速离心法[17]：冷冻的金乌贼墨囊挤压去表皮膜和内部网状膜，得到的乌贼墨汁加适量水浸泡过夜，再反复离心水洗，所得沉淀冷冻干燥后即得乌贼墨黑色素，其为黑色粉末，提取率为18.7%。

1.2.2 吸附实验 配制适当浓度的Pb（NO3）2溶液，取50mL于150mL锥形瓶中，分别加入200mg的乌贼墨黑色素，以1%的HCl和1%的NaOH溶液调节pH为4.5，置于恒温振荡箱中（100r/min，25℃）中反应24h，反应完毕后将其过滤，取滤液定容至一定体积，过0.22μm膜，采用电感耦合等电子体发射光谱仪（ICP）检测溶液中Pb2+的浓度。做平行实验，取平均值。分别研究初始离子浓度、溶液pH、吸附温度、吸附作用时间、黑色素添加量对乌贼墨吸附Pb2+能力的影响，各影响因素的吸附实验改变相应的实验条件。乌贼墨吸附Pb2+的吸附率的计算式为：

式中：C0—溶液中金属离子初始浓度，mg/L；Ce—吸附反应后溶液中剩余离子浓度，mg/L。

吸附量的计算式为：

式中：q—吸附量，mg/g；C0—溶液中离子初始浓度，mg/L；Ce—反应后溶液中离子的平衡浓度，mg/L；V—溶液体积，L；m—乌贼墨黑色素添加量，g。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 初始离子浓度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 配制不同浓度（10、50、100、150、200、300、600mg/L）的Pb（NO3）2溶液，方法和条件同1.2.2。

1.2.3.2 溶液pH对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 固定其他条件同1.2.2，调节pH梯度为1.0、2.0、3.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0。

1.2.3.3 吸附温度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 维持1.2.2的其他条件不变，将反应溶液分别置于不同温度（15、25、35、45、55、65、100℃）下进行吸附反应。

1.2.3.4 吸附作用时间对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 固定其他条件同1.2.2，使溶液与乌贼墨黑色素反应不同的时间（15、30min、1、2、3、5、10、18、24h）。

1.2.3.5 黑色素添加量对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 维持1.2.2的其他条件不变，在Pb（NO3）2溶液中分别添加（20、50、100、200、250、300mg）的乌贼墨黑色素，反应后采用ICP检测溶液中残留Pb2+浓度。

1.2.4 吸附等温线 固液体系的吸附行为通常用Langmuir和Freundlich吸附等温线来描述。Langmuir模型假设吸附剂表面是均匀的，吸附过程是单分子层吸附。

式中：qe—平衡时的吸附量，mg/g；Ce—吸附平衡时的离子浓度，mg/L；K—吸附平衡常数，mg/L；qm—饱和吸附量，mg/g。以实验得到的数据Ce/qe对Ce作图可得到一条拟合的直线，能分别求出qm和K的值。若吸附剂表面是不均匀的，则常用Freundlich模型来描述：

式中：qe，Ce同上；KF—吸附容量，mg/g；n—吸附常数。以lnqe对lnCe作直线可得到KF和n。

1.2.5 吸附动力学模型 准一级动力学和准二级动力学是吸附动力学常用的模型，二者都是以吸附剂在t时刻的吸附量qt和平衡吸附量qe之差为吸附的驱动力，但前者是假定吸附速率与扩散有关，后者是假设吸附速率与化学吸附相关。准一级动力学方程：ln（qe-qt）=lnqe-K1t

准二级动力学方程：

式中：qe—平衡时的吸附量，mg/g；qt—t时刻的吸附量，mg/g；K1—一级吸附速率常数，min-1；K2—二级吸附常数，g/mg·min。

2 结果与分析

2.1 乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附特性

2.1.1 初始离子浓度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 由图1可知，在Pb2+浓度为10～150mg/L范围内，乌贼墨黑色素的吸附率没有太大变化，一直保持在95%以上，当浓度为50mg/L，吸附率最高，达99.7%。可推知，乌贼墨黑色素在低金属浓度情况下对Pb2+也有很高的吸附率。浓度到200mg/L以后，吸附率开始下降明显，可知浓度超过200mg/L时，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附已达到饱和，吸附量不变，从而吸附率大为下降，由图1可以看出，Pb2+初始浓度为150mg/L最宜。以下单因素实验Pb2+初始浓度均为150mg/L。

图1 Pb2+初始浓度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响Fig.1 Effect of Pb2+initial concenration on the adsorption of Pb2+

2.1.2 溶液pH对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 由图2可以看出，在酸度很低（pH1～2）时，乌贼墨对Pb2+的吸附率很低，此时水溶液中的H3O+与Pb2+竞争吸附剂表面的吸附位点，抑制了乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附作用。随着pH升高，溶液中H+浓度降低，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附率明显上升，pH4～7时，吸附率均在90%以上，pH4～5时，吸附率最大。当溶液呈碱性（pH=8）时，黑色素颗粒部分溶解，吸附率又有所下降。

图2 溶液pH对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响Fig.2 Effect of solution pH on the adsorption of Pb2+

2.1.3 吸附温度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 由图3可知，温度对于乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响并不显著，均在90%以上。温度升高有利于黑色素中的活性基团吸附Pb2+，但对物理吸附不利，因为物理吸附是放热反应。其结果是，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附基本不受温度的影响。当温度高达100℃时，吸附率也有90%，说明乌贼墨黑色素性质十分稳定。在实际实验或生产处理中，以室温25℃作为反应温度较为合适。

图3 温度对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响Fig.3 Effect of temperature on the adsorption of Pb2+

2.1.4 吸附作用时间对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 由图4可知，随时间的延长，乌贼墨对Pb2+的吸附率逐渐增大，直至吸附平衡。在15min～3h时间段内，吸附率上升很快，此时主要以膜扩散为主，膜内外浓度差很大，吸附驱动力也大，因此吸附较快；3～10h时间段吸附速率变缓，吸附率由88.5%增至98.6%，此时主要以空隙扩散为主，吸附速率下降；10h后，吸附率基本保持不变，吸附达到平衡。

2.1.5 黑色素添加量对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响 由图5可知，随着吸附剂添加量的增大，乌贼墨与Pb2+接触和碰撞的机会增大，从而乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附率也随之增大，直到乌贼墨黑色素添加量为200mg时，吸附率高达98.9%，此时乌贼墨黑色素添加量继续加大，吸附率保持不变。这说明吸附剂与吸附质之间存在化学当量平衡关系，在实际情况中考虑成本因素，乌贼墨黑色素添加量为200mg较为合适。

图4 吸附时间对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的影响Fig.4 Effect of adsorption time on the adsorption of Pb2+

图5 乌贼墨黑色素添加量对吸附Pb2+的影响Fig.5 Effect of sepia melanin contents on the adsorption of Pb2+

2.2 吸附等温线

在2.1.1实验条件下，考察不同Pb2+初始浓度下溶液平衡浓度与乌贼墨黑色素吸附量的关系，结果如图6所示。由图6可看出，当Pb2+浓度较低时，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附量增加较快，随着浓度的提高，吸附量保持平稳。将乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附进行等温线拟合，拟合参数见图7。由图7可看出，乌贼墨黑色素吸附Pb2+的过程对于Langmuir模型的拟合程度比Freundlich模型更高，且25℃时Langmuir模型相关系数高达0.9999，这说明乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附反应以单分子层吸附为主。滑，与原黑色素相比结构变化不大，但可以清晰的看出吸附后的黑色素颗粒较吸附前挨得紧密，可推测出乌贼墨吸附Pb2+后形成络合物，基团之间距离拉近。由此可知乌贼墨黑色素与金属离子发生络合反应对其表面结构影响不大，因此实际应用中可采取洗脱剂对吸附金属离子的乌贼墨黑色素进行洗脱，使金属离子能够回收，乌贼墨黑素色能够重复利用。

2.3 吸附动力学

图6 乌贼墨黑色素吸附Pb2+的吸附等温线Fig.6 Adsorption isothermal curve

表1 乌贼墨黑色素吸附Pb2+的动力学参数Table.1 Kinetic parameters for the biosorption of Pb2+on sepia melanin

图7 乌贼墨黑色素吸附Pb2+的等温线方程Fig.7 Equations of adsorption isotherms of sepia melanin adsorbing Pb2+

采用准一级和准二级动力学方程对乌贼墨黑色素吸附Pb2+的过程进行动力学拟合，得表1。由表1可看出，乌贼墨黑色素吸附Pb2+的过程基本符合准二级动力学方程，并且实际测得的吸附量q与算得的平衡吸附量qe十分接近。从而进一步证实了乌贼墨黑色素的吸附过程是单分子层吸附。

2.4 乌贼墨黑色素吸附Pb2+前后的电子显微镜扫描

将未吸附与吸附Pb2+后的乌贼墨黑色素表面喷金粉后，使用扫描电子显微镜分析，图8显示了乌贼墨黑色素吸附Pb2+后的表征结构变化。由图8可看出，黑色素吸附Pb2+后仍然保持球状的颗粒，颗粒表面平

图8 乌贼墨黑色素的电子显微镜扫描图Fig.8 The SEM image of sepia melanin

3 结论

乌贼墨黑色素对Pb2+有很好的吸附能力，较适宜的条件为温度25℃，Pb2+初始离子浓度150mg/L，pH4～5，乌贼墨黑色素200mg/50mL，吸附时间8h以上，最大吸附量可达37.15mg/g。乌贼墨对Pb2+的吸附主要受初始离子浓度、溶液pH、吸附温度、乌贼墨黑色素添加量的影响，温度对其影响很小。进一步探讨其吸附机理得知，乌贼墨黑色素对Pb2+的吸附过程符合Langmuir等温线方程和准二级动力学方程，吸附过程以单层吸附为主。扫描电镜结果表明乌贼墨黑色素吸附Pb2+后对其表面结构影响不大。

[1]Takaya Y，Uchisawa H，Matsue H，et al.An investigation of antitumor peptidoglycan fraction from squid ink[J].Biol Pharm Bull，1994，17（6）：846.

[2]王欣，李国明.乌贼墨对小鼠T细胞亚群和T细胞活化的影响[J].中国医药导报，2008，21（5）：25-26.

[3]郑玉寅，杨永芳，丁国芳，等.乌贼墨肽聚糖的制备工艺与体外抗前列腺癌研究[J].时珍国医国药，2012，23（1）：111-113.

[4]Rozanowska M，Sarha T，Land E，et al.Free radical scavenging properties of melanin：interaction of eu-and pheo-melanin models with reducing and oxidizing radicals[J].Free Radical Biology and Medicine，1999，26：518-525.

[5]李和生，李晓，董亚辉，等.乌贼墨黑色素的超微结构及抗氧化活性研究[J].中国食品学报，2012，12（10）：62-66.

[6]王荣，孙道元，孟昭竑.乌贼墨——一种新的全身性止血药[J].动物学杂志，1975（1）：55.

[7]谢光临，吕昌龙，洪明标.乌贼墨促凝血作用机制的实验研究[J].中国医科大学学报，1994（6）：23-24.

[8]王劲松.乌贼墨中抗菌活性成分的应用研究[J].荆门职业技术学院学报，2008，23（12）：15-19.

[9]Nithya V，Ambikapathy A Panneerselvam.Effect of pharaoh’s cuttlefish ink against bacterial pathogens[J].Asian Journal of Plant Science and Research，2011，1（4）：49-55.

[10]周培根，卫小怡，杨文领，等.乌贼墨抗菌活性的分离与研究[J].现代食品科技，2004，21（1）：69-71.

[11]关玲敏，王庆辉，张佩，等.乌贼墨对免疫低功小鼠的免疫促进作用[J].中国海洋药物杂志，2010，29（2）：36-39.

[12]赫畝，孟胜男，谢光麟.乌贼墨诱导小鼠巨噬细胞产生白细胞介素-1的研究[J].中国海洋药物杂志，2003（5）：17-19.

[13]陈士国，薛勇，薛长湖，等.鱿鱼墨黑色素络合铁离子的活性研究[J].离子交换与吸附，2010，26（4）：310-316.

[14]Yan Liu，Lian Hong，Valerie R.Kempf，et al.Iron exchange and adsorption of Fe（III）by Sepia melanin[J].Pigment Cell Research，2004，17：262-269.

[15]宋珳，丁安伟.乌贼墨化学成分和药理作用研究概况[J].时珍国医国药，2001，12（4）：377-388.

[16]Lian Hong，John D Simon.Insight into the binding of divalent cations to sepia eumelanin from IR absorption spectroscopy[J]. Photochemistry and Photobiology，2006，82（5）：1265-1269.

[17]Liu Y，Simon J D.Isolation and biophysical studies of natural eumelanins：applications of imaging technologies and ultrafast spectroscopy[J].Pigment Cell，2003，16（6）：606-618.

Study on adsorption characteristics of sepia melanin adsorbing Pb2+

LIU Man，LI He-sheng*，XU Xiang-hao
（Ocean Institute of Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Sepia melanin was used as adsorbent for absorbing Pb2+from water.The influences of Pb2+initial concenration，pH value，adsorbing temperature，adsorbing time and sepia melanin contents on the adsorption effect of sepia melanin onto Pb2+were discussed.The results indicated that when pH value was 4～5，the Pb2+absorbing amount reached the highest.The temperature almost didn’t affect the adsorption.The absorbing rate decreased against the increase of Pb2+initial concenration，while it increased with the increasing of adsorbing time and sepia melanin contents until it reached saturation adsorption.Adsorption process of Pb2+by sepia melanin was in accordance with the Langmuir models and pseudo-second-order reaction equation and obeyed to the rule of single element layer.

sepia melainin；adsorption；lead ions

TS201.1

A

1002-0306（2014）04-0131-05

2013－06－24 *通讯联系人

刘漫（1988-），女，硕士研究生，研究方向：食品资源利用。

浙江省优先主题计划项目（2009C03017-3）；宁波市自然科学基金资助项目（2013A610156）。

[20]Jerez-Timaure N，Huerta-Leidenz N，Ortega J，et al. Prediction equations for Warner-Bratzler shear force using principal component regression analysis in Brahman-influenced Venezuelan cattle[J].Meat Science，2013，93（3）：771-775.