玉米秸秆纤维素脱除鱼露中铅离子研究

翁颖颖，杨立业

（浙江海洋大学食品与医药学院，浙江舟山 316022）

鱼露（Fish sauce）是一种以低值鱼类为原料，经腌渍、发酵、精制后所得的一种味道鲜美、营养价值高的调味品[1]，含有大量人体必需的氨基酸及微量元素[2]，深受消费者喜爱。然而由于海洋污染等因素，生产鱼露的原料鱼中存在铅离子超标的问题[3-5]。铅离子是一种蓄积性较强的有害重金属，严重危害人体健康[6-8]，因此建立一种安全、廉价的方法脱除鱼露中残留的铅离子十分重要。脱除重金属所用的传统方法有电极法、酸法、吸附法等。例如张丽娜等[8]探讨了微生物法脱除重金属的优点，并总结了国内外利用微生物法处理重金属的应用成果，对微生物法脱除重金属的未来进行展望；任丹丹等[9]利用D401螯合树脂对扇贝酶解液中重金属的脱除，研究了树脂对重金属脱除的选择性；欧阳小琨等[10]利用废弃花生壳提取纤维素，研究了花生壳纤维素对海洋蛋白酶解液中铅离子的吸附过程。综上可知，吸附法作为一种简单、可操作性强的方法[11-15]，可用于鱼露中铅离子的脱除。

常用的吸附剂有活性炭，硅胶，天然黏土等[16-19]。秸秆纤维素（Corn straw cellulose）作为一种天然的植物纤维素吸附剂[20-21]，不仅具有密集的细孔构造，而且来源广泛[22-23]。本研究拟利用碱浸泡法提取玉米秸秆中纤维素，并将其用于鱼露中铅离子的吸附脱除，研究结果有着良好的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要试剂与原料

玉米秸秆（禾本科植物玉蜀黍Zea mays linn.sp.的干燥茎叶部分，产于浙江省），L-谷氨酸（分析纯，上海晶纯生化科技股份有限公司）；鱼胶原蛋白肽（500～5 000 Da，江西可生生物有限公司）；其余试剂如氢氧化钠、无水乙醇、氯化钠、硝酸等皆为分析纯，购于上海国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 实验仪器与设备

AA-7 000型原子吸收光谱仪（日本岛津公司），SK5200 HP型超声清洗仪（上海科导超声仪器有限公司），BT125D型电子天平（赛多利斯科学仪器公司），SHZ-88A型水浴恒温振荡器（苏州培英实验设备有限公司），pHS-25型酸度计（上海仪电科学仪器股份有限公司），DHG-9032A电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米秸秆的预处理

玉米秸秆经去离子水洗涤，去除泥土和杂草等杂质，于60℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎机粉碎，所得粉末过100目筛。称取样品适量，加去离子水在60℃下搅拌1 h，除去水溶性杂质，烘箱烘干至恒重，密封保存备用。

1.2.2 玉米秸秆纤维素的提取

取30 g预处理玉米秸秆粉末，加入500 mL质量分数为17.5%的NaOH溶液中，室温下浸泡72 h，使木质素和半纤维素溶解于NaOH溶液后抽滤，用去离子水洗涤玉米秸秆粉末至中性，加入无水乙醇反复洗涤2～3次，得到玉米秸秆纤维素置于通风橱内，待乙醇挥发后放入烘箱60℃烘干，并存放于干燥器内备用。

1.2.3 玉米秸秆纤维素的理化性质

玉米秸秆纤维素的理化性质见表1。

表1 玉米秸秆纤维素的理化性质Tab.1 The physical and chemical properties of corn straw cellulose

1.2.4 模拟鱼露原液的配制

在鱼露酿造过程中，重金属的脱除往往选择在鱼露产品发酵后至复配调味前这一阶段，此时原料既含有鱼露所需的所有营养成分，又排除添加剂所造成的影响。因此本试验所用溶液采取模拟鱼露原液进行。根据资料查得鱼露发酵原液中NaCl含量为90 mg/mL、多肽为4 mg/mL，谷氨酸为2 mg/mL。试验所需铅离子溶液由浓度为1 000 mg/L的硝酸铅母液配制。

1.2.5 吸附试验

准确移取50 mL模拟鱼露原液至100 mL锥形瓶中，用0.01～0.1 mol/L硝酸溶液和氢氧化钠溶液调节模拟鱼露原液的初始pH为2～6之间，加入一定量的玉米秸秆纤维素，在30℃，150 r/min下恒温水浴震荡吸附一定时间后，4 000 r/min离心10 min取出，留上清液原子吸收光谱法检测。

吸附前后的浓度由原子吸收光谱法检测得到，玉米秸秆纤维素在吸附平衡时的吸附量qe（mg/g）通过下面的公式（1）计算：

在研究吸附动力学时，玉米秸秆纤维素在某个时间点的吸附量qt（mg/g）通过公式（2）进行计算

铅离子的脱除率R计算公式（3）

C0铅离子初始浓度；Ct吸附某时间点时铅离子浓度；V溶液体积；m吸附剂质量。

1.2.6 吸附-解吸实验

准确移取50 mL，0.1 mol/L盐酸加入到锥形瓶中，加入0.25 g已在上述溶液中完成吸附的吸附剂，在303.2 K，150 r/min下恒温水浴震荡4 h，4 000 r/min离心后取上清液测试其浓度。吸附剂用水洗涤烘干后，循环使用5次。解吸量及解析率可由公式（4）和公式（5）计算得出。

2 结果与讨论

2.1 溶液pH值对铅离子脱除率的影响

分别测定秸秆纤维素吸附剂在pH值为2、3、4、5、6时的zeta电位。取铅离子浓度为10 mg/L的模拟鱼露液50 mL，调节 pH 值为 2、3、4、5、6 五个水平，并分别加入玉米秸秆纤维素0.25 g混合均匀，置于30℃，150 r/min水浴振荡器中吸附240 min，并以4 000 r/min离心10 min后取上清液，原子吸收分光光度计测定剩余铅离子浓度，结果如图1。

从图1可以看出，随着pH的增加，吸附剂对模拟鱼露原液中铅离子的脱除率从47.78%±1.56%增加到93.99%±2.05%，同时zeta电位值从2.34降到-35.9。Zeta电位值可用来表征纤维素吸附剂表面的电荷，可以看出纤维素吸附剂表面在酸性条件下均带负电荷，并且电位值随pH值增加而变负，对铅离子的脱除率越高。由于铅离子只能在酸溶液中存在，在中性及碱溶液中会生成沉淀，所以当模拟鱼露原液pH值控制为6时吸附率最高。

图1 pH对zeta电位及吸附铅离子的影响Fig.1 Effect of pH on the Pb（II）adsorption and zeta potential

2.2 吸附时间对铅离子脱除的影响

选取吸附时间分别为 10、20、30、40、50、60、90、120、240、480、720 min，并移取浓度为 10 mg/L 的模拟鱼露原液50 mL于锥形瓶中，调至以上实验得到的最佳pH值，各加入0.25 g吸附材料混合均匀，置于30℃，150 r/min的水浴振荡器中进行吸附。吸附后以4 000 r/min离心10 min，取上清液测定溶液中剩余铅离子浓度，结果如图2。

从图2可以看出，在吸附开始的10～120 min，纤维素吸附剂对铅离子的吸附量随时间的增加而迅速增加。因为在开始120 min时间之内，溶液中铅离子向纤维素表面扩散的速度很快，随着吸附时间的增加，吸附剂表面的吸附位点逐渐减少至饱和，吸附速度变慢。在最后120～720 min内，吸附趋于平衡，吸附量增加变化不大。因此，本实验研究铅离子的吸附动力学实验的吸附时间为240 min。

2.3 吸附剂的用量对铅离子脱除的影响

分别移取pH 6，浓度为10 mg/L的模拟鱼露原液50 mL 于锥形瓶中，称取吸附剂 0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 g分别加入锥形瓶中，于30℃，150 r/min条件下在水浴振荡器中吸附240 min，吸附后以4 000 r/min离心10 min，取上清液用原子吸收分光光度计测定剩余铅离子浓度，结果如图3。

从图3可以看出，随着吸附剂用量的增加，吸附量减少，而溶液中铅离子的脱除率增加，加入的吸附剂越多，吸附效率越高。

2.4 初始浓度对铅离子脱除的影响

配制一系列铅离子浓度为 1、2、4、6、8、10 mg/L 的模拟鱼露原液，并调节pH值为6，分别移取不同浓度模拟液50 mL于100 mL锥形瓶中，加入0.25 g吸附剂，在30℃，150 r/min下震荡吸附240 min后，以4 000 r/min离心10 min，取上清液用原子分光光度计测定剩余铅离子浓度，结果如图4。

从图4可以看出，铅离子的脱除率随着初始浓度上升而增高，当铅离子浓度达到6 mg/L时，吸附率达到最大，而吸附量则与浓度呈正比关系，当浓度上升时，吸附量也随之增加。

2.5 鱼露中各呈味物质对铅离子吸附的影响

2.5.1 NaCl对吸附容量影响

配制pH 6，铅离子浓度为10 mg/L，多肽浓度为4 mg/mL，谷氨酸浓度为2 mg/mL的一系列含NaCl模拟鱼露原液，将 NaCl浓度分别调为 0、10、30、60、90、120 mg/mL，各移取50 mL溶液加入0.25 g吸附剂，混合均匀后置于30℃，150 r/min水浴振荡器中吸附240 min，以4 000 r/min离心10 min后取上清液用原子分光光度计测量剩余铅离子浓度，结果如图5。

从图5可以看出，NaCl对铅离子脱除率的影响较大，NaCl浓度越高，溶液中铅离子的脱除率越低。在溶液中仅有氨基酸和多肽，没有氯化钠存在时，铅离子的脱除率可达98.24%±1.39%。这可能是因为同为金属阳离子，钠离子会与铅离子竞争有效的吸附位点。由此可得高盐度的模拟鱼露原液中的钠离子对铅离子的脱除有较大的影响作用，低盐度更利于重金属的脱除。

图2 吸附时间对玉米秸秆纤维素吸附铅离子的影响Fig.2 Effect of contact time on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

图3 吸附剂用量对玉米秸秆纤维素吸附铅离子的影响Fig.3 Effect of adsorbent dosage on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

图4 铅离子初始浓度对玉米秸秆纤维素吸附铅离子的影响Fig.4 Effect of initial concentration on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

图5 氯化钠对玉米秸秆纤维素吸附铅离子的影响Fig.5 Effect of sodium chloride on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.5.2 氨基酸对吸附容量的影响

配制pH 6，铅离子浓度为10 mg/mL，NaCl浓度为90 mg/mL，多肽含量为4 mg/mL的一系列含谷氨酸的模拟鱼露原液，调节谷氨酸浓度为 0、0.5、1、1.5、2、2.5 mg/mL。分别移取50 mL上述酶解液于100 mL锥形瓶中，加入0.25 g吸附剂混匀，置于30℃，150 r/min水浴振荡器中吸附240 min后，以4 000 r/min离心10 min取上清液，用原子吸收分光光度计检测剩余铅离子浓度，结果如图6。

由于谷氨酸为鱼露中重要呈鲜味氨基酸，所以在鱼露中谷氨酸含量较高。由图可以看出，在谷氨酸浓度由0 mg/mL增加至1 mg/mL时，脱除率呈增大趋势，随后随着谷氨酸浓度增加，溶液中铅离子的脱除率有所下降，在谷氨酸为1.5 mg/mL时，脱除率最小。所以，谷氨酸含量较低时可能比较有利于吸附。

图6 谷氨酸对玉米秸秆纤维素吸附铅离子的影响Fig.6 Effect of L-glutamic acid on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.5.3 多肽对吸附容量的影响

配制pH 6，铅离子浓度为10 mg/mL，NaCl浓度为90 mg/mL，谷氨酸浓度为2 mg/mL的一系列模拟鱼露原液，调节多肽浓度为 0、2、3、4、5、6 mg/mL。分别吸取上述溶液 50 mL于100 mL容量瓶中，加入0.25 g吸附剂摇匀，置于30℃、150 r/min水浴振荡器中吸附240 min后，以4 000 r/min离心10 min，取上清液用原子吸收分光光度计测量剩余铅离子浓度，结果如图7。

从图7可以看出，多肽对铅离子脱除也有较大的影响，在0～4 mg/mL时，随着多肽浓度增加，溶液中铅离子的脱除率有所提高，但大于4 mg/mL时，随着多肽浓度增加，铅离子的脱除率开始下降。因此，多肽在较低和较高浓度时对铅离子的脱除有较大抑制作用。

图7 多肽对铅离子脱除的影响Fig.7 Effect of peptide on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.6 吸附动力学实验

通过准一级动力学模型（图8），准二级动力学模型（图9）对纤维素吸附剂吸附铅离子的动力学曲线数据进行拟合，拟合方程见（6）和（7），拟合所得参数见表2。

图8 纤维素吸附剂吸附铅离子的准一级动力学线性拟合Fig.8 Pseudo-first order model for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

图9 纤维素吸附剂吸附铅离子的准二级动力学线性拟合Fig.9 Pseudo-second order model for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表2 纤维素吸附剂吸附Pb2+动力学模型参数Tab.2 Parameters of pseudo-first-and pseudo-second-order kinetics models for the adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

由拟合参数可以看出，纤维素吸附剂吸附模拟鱼露原液中铅离子用准二级动力学模型拟合所得的相关系数高于用准一级动力学模型拟合得到的相关系数，实验得到的平衡吸附量也与准二级动力学模型计算的平衡吸附量较接近，因此纤维素吸附剂对铅离子的吸附数据用准二级动力学模型拟合更为适宜。

2.7 吸附等温线实验

利用常用的Langmuir（图10）和Freundlich（图11）吸附等温线方程对纤维素吸附模拟鱼露原液中Pb2+进行拟合，拟合结果通过公式（8）和（9）计算得到，结果见表3、表4。

图10 Langmuir等温吸附Fig.10 Langmuir isotherm models for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

图11 Freundlich等温吸附Fig.11 Freundlich isotherm models for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表3 纤维素吸附剂吸附铅离子的等温线模型参数Tab.3 Parameters of the Langmuir and Freundlich models for the adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表4 基于Langmuir等温吸附的RL值Tab.4 RLvalues of Pb（II）adsorption onto corn straw cellulose based on the Langmuir model

由表3中的相关系数，可得出纤维素吸附剂的两种等温线方程拟合效果相比之下，Langmuir等温线方程的相关系数较高，拟合效果较好，说明纤维素吸附材料对模拟鱼露原液中铅离子的吸附过程较好符合Langmuir等温线方程所描述的规律，证实了秸秆纤维素吸附剂反应主要以单分子层吸附为主，吸附过程是均匀的表面吸附，即一个吸附活性位点仅与一个重金属离子结合，被吸附的重金属离子之间不存在相互影响。方程拟合得到的b均为正值，说明纤维素吸附剂对溶液中铅离子的理论饱和吸附量大于实际中所测得吸附量。303.2 K下得到的RL值在0～1之间（表4），说明此吸附过程为有利吸附，RL的值随初始浓度的增加而减小，说明吸附反应在高浓度下更有利。由Freundlich方程拟合得到的n值在1～10之间，可以考虑此纤维素作为良好的吸附剂。

2.8 热力学研究

研究Pb2+的初始浓度在5～50 mg/L条件下，在293.2、298.2、303.2、313.2 K 4个不同温度条件下温度的对实验的影响，结果见表5。热力学参数可用公式（10）计算：

表5 玉米秸秆纤维素吸附铅离子的热力学参数Tab.5 Theromodynamic paramenters for the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

ΔG为负值表明吸附剂对铅离子的吸附是自发进行的。由表5可知ΔG的大小随着温度的增加而变小，说明温度升高更利于吸附实验自发的进行。ΔH均为正数，证明此实验是一个吸热反应。ΔS为正值，表明纤维素对于模拟模拟鱼露原液中铅离子的吸附具有随意性。

2.9 吸附-解吸实验

从图12可以看出，解吸过程并不能把吸附剂表面的铅离子完全解吸，所以纤维素吸附剂在循环使用过程中与重金属离子结合的有效位点会逐次减少，因而随着循环次数增加，吸附容量与解吸容量均呈下降趋势。但是在循环利用5次以后解吸率仍能达到90.98%。说明此吸附剂具有较好的循环使用能力。

2.10 吸附剂吸附前与吸附后的傅立叶红外分析

通过FI-IR可得（图13），对比吸附剂在吸附前与吸附后在3 330 cm-1处的峰，可以看出吸附剂在吸附重金属后在3 300 cm-1处峰的强度有着明显的减弱，表明在吸附过程中，羟基应该是一个对Pb2+的吸附起重要作用的官能团。

图12 玉米秸秆纤维素对Pb2+的吸附-解吸再生实验Fig.12 Repeated adsorption studies of corn straw cellulose for Pb2+

图13 玉米秸秆纤维素（A）和吸附铅离子后（B）的傅立叶变换红外光谱图Fig.13 FI-IR spectra of corn straw cellulose （A）and Pb（II）loaded corn straw cellulose （B）

3 结论

玉米秸秆纤维素对模拟鱼露原液中铅离子有着较好的脱除作用。在30℃，pH值为6，初始浓度为6 mg/mL时，用0.25 g玉米秸秆纤维素处理Pb2+为6 mg/L的模拟鱼露原液（NaCl 90 mg/mL、多肽4 mg/mL，谷氨酸2 mg/mL）50 mL，吸附240 min基本达到吸附平衡，秸秆纤维素的最大吸附量达到92.85 mg/g。结果表明模拟鱼露原液中呈味剂与铅离子之间存在吸附竞争，呈味剂浓度越高，铅离子的吸附效果越差。研究结果可为鱼露中残留铅离子的脱除提供经济便利的工艺。

[1]陈瑜珠,陶红丽,曾庆孝,等.利用罗非鱼加工下脚料发酵鱼露的研究[J].现代食品科技,2008,24（5）:441-443.

[2]ZENG Xiangcheng,LI Jian,ZHENG Huibin,et al.Determination of Trace Lead in Fish Sauces by ID-ICP-MS After Mg（OH）2Coprecipitation[J].Journal of Aquatic Food Product Technology,2013,22（6）:584-594.

[3]SEN I,SHANDIL A,SHRIVASTAVA V S.Study for Determination of Heavy Metals in Fish Species of the River Yamuna（Delhi）by Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy（ICP-OES）[J].Advances in Applied Science Research,2011,2（2）:161-166.

[4]SQUADRONE S,PREARO M,GAVONELLI S,et al.Heavy metals in Mugil cephalus（Mugilidae）from the Ligurian Sea （North-West Mediterranean,Italy）[J].Food Additives&Contaminants:Part B,2013,6（2）:134-138.

[5]傅亚平,吴卫国.食品中重金属检测与脱除技术研究进展[J].食品与机械,2015,31（2）:252-256.

[6]LI Xiaoming,ZHENG Wei,WANG Dongbo,et al.Removal of Pb （II）from aqueous solutions by adsorption onto modified areca waste:Kinetic and thermodynamic studies[J].Desalination,2010,258（1/3）:148-153.

[7]BOPARAI HARDILJEET K,JOSEPH MEERA,O’CARROLL DENIS M.Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles[J].Journal of hazardous materials,2011,186（1）:458-465.

[8]张丽娜,解万翠,杨锡洪,等.微生物法脱除重金属技术的研究进展[J].食品工业科技,2015,36（24）:356-359.

[9]任丹丹,李佰磊,王添娇,等.D401树脂脱除扇贝废弃物酶解液重金属的研究[J].食品工业科技,2013,34（17）:139-141.

[10]OUYANG Xiaokun,YANG Leping,WEN Zhengshun.Adsorption of Pb（Ⅱ）from marine protein hydrolysate stimulant onto peanut shell[J].Bioresources,2014,9（2）:2 446-2 458.

[11]FU Dan,ZHANG Yihe,LYU Fengzhu,et al.Removal of organic materials from TNT red water by Bamboo Charcoal adsorption[J].Chemical Engineering Journal,2012,193（194）:39-49.

[12]KILIÇ MURAT,KIRBIYIL CISEM,ÇEPELIOGˇULLAR OZGE,et al.Adsorption of heavy metal ions from aqueous solutions by bio-char,a by-product of pyrolysis[J].Applied Surface Science,2013,283:856-862.

[13]LO Shengfong,WANG Songyung,TSAI Mingjer,et al.Adsorption capacity and removal efficiency of heavy metal ions by Moso and Ma bamboo activated carbons[J].Chemical Engineering Research and Design,2012,90（9）:1 397-1 406.

[14]杨乐萍,欧阳小琨,杨立业,等.竹木质纤维素吸附水溶液中铅离子的研究[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2014,33（1）:97-100.

[15]郑羽丽,吴 强,陈小娥,等.凹凸棒土负载壳聚糖吸附剂对鱼油中重金属离子吸附条件研究[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2012,31（5）:409-413.

[16]CHAKRAVAYRTY S,MOHANTY A,SUDHA T N,et al.Removal of Pb（II）ions from aqueous solution by adsorption using bael leaves （Aegle marmelos）[J].Journal of hazardous materials,2010,173（1）:502-509.

[17]HAN Lirong,FENG Juntao,ZHANG Shuangxi,et al.Alkali pretreated of wheat straw and its enzymatic hydrolysis[J].Brazilian Journal of Microbiology,2012,43（1）:53-61.

[18]李春光,王彦秋,李 宁,等.玉米秸秆纤维素提取及半纤维素与木质素脱除工艺探讨[J].中国农学通报,2011,27（1）:199-202.

[19]WANG Xuejiang,LIANG Xia,WANG Yin,et al.Adsorption of Copper （II）onto activated carbons from sewage sludge by microwave-induced phosphoric acid and zinc chloride activation[J].Desalination,2011,278（1/3）:231-237.

[20]郑明霞,李来庆,郑明月,等.碱处理对玉米秸秆纤维素结构的影响[J].环境科学与技术,2012,35（6）:27-31.

[21]MUI E L K，CHEUNG W H，VALIX M,et al.Dye adsorption onto char from bamboo[J].Journal of hazardous materials,2010,177（1）:1 001-1 005.

[22]王立华,王永利,赵晓胜,等.秸秆纤维素提取方法比较研究[J].中国农学通报,2013,29（20）:130-134.

[23]李丹丹,周 杰,刘文红.响应面优化玉米秸秆纤维素提取工艺[J].安徽农业科学,2011,39（30）:18 781-18 783.