海产品中重金属脱除的研究进展

王婷婷，吴彦超，李惠静*

（哈尔滨工业大学（威海）海洋科学与技术学院，山东 威海 264209）

我国海产品资源十分丰富，产量很高，常见的有贝类、棘皮类、鱼类等，这些海产品不但营养丰富、美味可口，而且大多数含有大量的生物活性物质，常作为食品、药品以及保健品[1]，受到消费者的喜爱。

重金属的相对原子质量在63.5和200.6之间，比重大于5.0，通常分为营养类和毒理（有害）类。Fe、Zn和Cu等是人体健康必需的营养类金属，Pb、Hg和Cd等为有害类金属，不利于人体健康，本文对海产品中有害重金属的脱除技术进行阐述。由于有害重金属具有较强的脂溶性，在生物体内与脂肪、蛋白质等生物活性物质结合，使其积累。当有害重金属在海洋生物体内积累至一定浓度，含量超标的海产品被人们食用，使重金属最终转移至人体内[2]，导致人们患病[3-5]。因此，脱除海产品中的有害重金属受到研究者的广泛关注。重金属通过自然地质活动和人为活动（如煤炭燃烧、固体废物焚烧、农业径流、采矿等）不断释放至海洋中，使得海洋生物的生存环境受到极大的威胁。因此，通过建立脱除食用海产品中的有害重金属的工艺，以减少或去除有害重金属，对评估有害重金属对人体健康的影响具有重要的意义。

传统的物理、化学重金属脱除方法存在成本较高，脱除效果较差等弊端。目前，降低海产品中的重金属除了从源头上限制重金属的使用和清洁生产外，重金属的脱除技术更应该着眼于新技术的开发（如钛纳米管、天然吸附剂以及生物技术等）。本文对近年来国内外从海产品中脱除有害重金属的新技术路径，尤其对海产品中有害重金属污染现状及其危害、脱除技术做了系统的分析和综述。

1 海产品有害重金属污染现状及其危害

由于不断加剧的工农业污染、生活废水污染，导致海洋环境质量大幅下降。海洋有害重金属的积累抑制了海洋生物的生化活动，使其初级生产力降低，进而对海洋生态系统和环境质量产生多重影响[6]。多数具有毒理性质的重金属（如Hg、Pb和Cd等）具有来源较广、易在体内累积、残留时间较长等特征。在生物体内累积至一定浓度，就会破坏生物体正常生理代谢活动[7]。

目前，国内外关于重金属污染的相关研究较多，但主要集中于检测水体中沉积物和土壤中的重金属含量，并且研究其指示性生物的富集能力[8-9]。Degger等[10]对中国沿海不同水文条件下5 个城市的重金属污染情况进行了调查。调查结果表明，青岛海域中发现Cr、Cu、Hg含量超标，上海海域中Cd、Pb含量超标，大连海域中Zn含量超标，此外5 个城市的Cu污染水平一直远高于相关报道的其他国家（如澳大利亚、葡萄牙、苏格兰、冰岛、韩国、南非和孟加拉等）。这一研究结果表明，有害重金属对我国水域已经产生很大的影响。同时，也有很多关于海产品中重金属超标问题的报道。Zhu Zhipeng等[11]对中国深圳9 种不同类型海鲜中有毒元素As、Cd和Pb的分布情况进行研究，结果表明：在鱼类和双壳贝类中，As的含量和Cd的含量都超过中国和欧盟食品安全法规规定的限值。Maulvault等[12]对来自欧洲海洋生态系统收集的海鲜中各种重金属含量进行检测，该研究通过测定Cd、Pb、Hg、MeHg、As、Al、Co、Cu、Zn、Ni、Cd和Fe的含量，以评估海产品的金属污染情况和潜在风险，并确定指示性生物在环境监测研究中的适应性。检测结果表明：不同物种表现出不同的重金属元素特征，可能是由于其生态策略、新陈代谢和环境水平（即海水和沉积物）不同。在双壳类物种中，检测到较高含量的Cd、Pb、Co、Cu、Zn、Cd和Fe；在鱼类中，检测到大多数Hg是以MeHg的形式存在的，而双壳类物种中MeHg的比例相对较低；最高含量的As存在于大型藻类，其中无机As占总As含量的近50%。国内外各大海域沉积物和土壤中重金属含量以及海产品重金属含量的逐渐增多，不但对我们赖以生存的环境造成严重的污染，同时也危害人类的健康。

随着海洋生物逐步被开发，有害重金属超标的海产品作为食品、药品或保健品等进入人体，从而对人体健康构成巨大的威胁。人体内的毒理性重金属累积至一定浓度，会导致人体代谢的紊乱，进而引发各种疾病。如：当人体内Pb含量超标，会导致神经、造血系统以及肾脏等紊乱，进而引发贫血、脑缺氧等疾病；20世纪日本出现的“痛痛病”就是体内Cd含量超标引起的，患者表现出骨质疏松、骨骼萎缩、关节疼痛等症状；Hg是毒理性重金属，在人体内累积浓度过高，会对神经系统、口、黏膜和牙齿等造成不良影响。20世纪出现的“水俣病”，即由于工业废水中排放高含量Hg，导致其在生物体内累积形成MeHg，被人们食用后，转移至人体，MeHg对脑部神经造成不可逆的伤害。尽管海产品具有极高的经济效益，然而重金属易对人体造成一系列致命的危害，因此，脱除已污染的海产品中的重金属迫在眉睫。

2 海产品重金属脱除方法

近年来海产品重金属的脱除方法层出不穷，科学工作者一直致力于解决此问题。传统上通过加强对工业三废的处理，加强海产品重金属污染的监测等方法，从源头上遏制重金属的排放。随着对重金属污染途径的深入研究，海产品中重金属的脱除方法也在推陈出新，大致可以分为活体重金属净化法和蛋白酶解液重金属脱除法。

2.1 活体重金属净化法

活体重金属净化法包括净水暂养法、养殖水体净化法、加入饵料法、加入微生物制剂法等，主要原理是将污染的海产品放置净水区域中进行培养，或在净水区域中加入某些物质，通过生物体代谢将重金属排出体外。

2.1.1 净水暂养法

该法将污染的海产品转移至洁净的海区进行暂养，通过暂养可使生物体内的病原微生物、重金属、石油烃等有毒化合物含量大大降低，直至达到可以食用的卫生标准。海产品暂养技术在美国、澳大利亚、加拿大等国家已广泛进行。Chan等[13]利用暂养净化的方法处理牡蛎，结果表明：牡蛎软组织中Cr、Cd和Pd含量相比未经过暂养的牡蛎有所减少。王凡等[14]通过将栉孔扇贝放置于0.5 mg/L Cd暴露液中，使Cd在体内富集，15 d达到富集平衡，结果表明：Cd在栉孔扇贝内脏中的富集量最高，达到612.3 mg/kg。但在净水中暂养，体内Cd释放阶段，栉孔扇贝Cd含量仅降低9%～14%，Cd含量基本维持在299～331 mg/kg，说明通过净水暂养法很难将Cd有效地排出体外。陈海刚[15]、姜会超[16]等报道重金属在生物体内的排出主要通过金属硫蛋白解毒机制实现，并且这种机制很难将摄入的重金属排出体外。通过净水暂养法脱除海产品重金属，具有耗时较长、暂养损耗大、劳动强度大且会造成水质污染等问题，这一系列问题使该法难以大规模推广应用。海产品体内的活性物质如蛋白质、多糖等与脂溶性的重金属具有很强的亲和力，通过在净水区域依靠生物自身的代谢脱除重金属存在一定限度[17]。因此，为了提高生物代谢的效率，减少营养成分的降低，近年来相继出现了在净水区域中加入钛纳米管、饵料或微生物制剂等新兴方法。

2.1.2 养殖水体净化法

目前，关于养殖海产品水体中重金属的净化报道较多。王剑萍等[18]研究无公害养殖水体中Cu、Pb、Cd在泥蚶体内的富集与脱除规律，发现泥蚶对Cu、Pb、Cd的富集和排出都很缓慢，这说明保持养殖海水的洁净在一定程度上可以使贝类免受重金属污染。为了提高海产品体内重金属的脱除率，有学者试图在养殖水中加入钛碳纳米管，通过净化水体中重金属而达到抑制海产品体内重金属富集。由于钛纳米管具有较强的离子交换能力，且随着国内外学者对钛纳米管独特性能的深入研究，使其在环保领域获得广泛应用[19]。钛纳米材料具有大的比表面积及较高化学、热稳定性等优良性能，对重金属、油污等具有较强的吸附作用，且该材料可以吸附-脱附而易循坏利用。杨巧玲[20]采用加入钛纳米管脱除渔业养殖水中的重金属和生物自身代谢排出的重金属，从而使海产品中重金属Cu、Pb、Cd达到良好的脱除效果，在投料量为5 g/L时，反应2 h后即可完全去除，并且测试的大部分重金属脱除率随着反应时间延长和投料量的增加而升高。

2.1.3 加入饵料法

在净水暂养中加多糖配合物饵料，可以加速海洋生物的代谢，从而使重金属脱除效率提高，缩短海洋生物在净水中的暂养时间。赵元凤等[21]研究重金属Pb在刺参组织中的排放规律，实验设置添加海藻多糖和添加普通饵料两组，研究结果表明：添加海藻多糖或普通饵料都能使各组织器官中的Pb含量降低，且添加多糖组的Pb降低量要高于普通饲料组，其中可食用的刺参体壁Pb脱除率为50%。由此可知，添加海藻多糖可以明显提高重金属脱除效率。此外，有学者在海产品养殖饲料中加入其他的配合物来降低海产品体内重金属的含量。Zhang Bin等[22]将带鱼蛋白水解肽（PH）与金属元素（Fe2+、Zn2+、Ca2+、Mg2+）制成配合物（PH-Fe2+、PH-Zn2+、PH-Ca2+、PH-Mg2+），研究该配合物对紫贻贝组织中Cd的净化作用。紫贻贝组织经8 d的净化处理，然后将其暴露于20 mg/L PH-Fe2+、PH-Zn2+和PH-Ca2+，可观察到紫贻贝体内的Cd含量显著降低。在此基础上，张宾等[23]在海水中添加PH-Fe2+配合物进行紫贻贝暂养，检测紫贻贝不同组织器官中Cd含量变化情况。结果表明：PH-Fe2+最佳质量浓度为20 mg/L，净化时间10 d，且不同器官中Cd的脱除率不同，鳃（41.00%）＞内脏团（37.43%）＞外套膜（29.81%）＞前后闭壳肌（29.01%）。因此，PH-Fe2+配合物可以作为饵料加入暂养净水中，有效地实现海产品体内重金属的脱除。

2.1.4 加入微生物制剂法

微生物制剂是将有益微生物菌群合理搭配在一起，然后添加在某一物质中，以达到平衡菌群、抑制有害菌繁殖的作用。正确使用微生物制剂可以节省大量的人力、物力、财力，而且能减少海产品体内的有害物质。近年来，海水富营养化程度的不断加剧和赤潮现象的频繁发生，导致海产品受到生物性毒素和重金属的污染，从而威胁到海产品的食用安全。姚茹等[24]通过筛选、扩大培养微藻和益生菌并将其投入到近江牡蛎养殖水体中。结果表明：此生态净化技术不但能有效地降低牡蛎体内重金属含量，而且能降低水中氨态氮、亚硝酸盐、化学需氧量的含量，同时提高牡蛎的增肥率，提升了牡蛎品质。

2.2 蛋白酶解液有害重金属脱除法

海产品中重金属大多以结合态存在，使用常规方法如化学沉淀法、离子交换法等难以脱除。目前一般通过酶解法、榨汁法和蒸煮法从海产品中提取生物活性物质，在提取生物活性物质的同时，重金属与其结合能力降低，使其呈现游离状态，可以从液态的酶解液中脱除重金属[25]。同时该法还可以将蛋白质酶解成多肽、氨基酸等，使海洋生物制品得到充分的利用，并且大大提高了海洋生物制品的附加价值；因此，蛋白酶解液重金属脱除法是海洋生物制品的优选方法，目前该法已出现在许多报道之中。此外，还可以借鉴在中药、饮料等领域重金属脱除方法的研究。综合各个领域，可被用于酶解液中重金属的脱除方法如下：壳聚糖吸附法、络合法、螯合树脂法、膜分离法等。

2.2.1 壳聚糖吸附法

吸附法的原理是采用吸附剂将重金属吸附在表面，通过脱附所吸收的重金属，达到生物活性分子与重金属相分离的目的，常用的吸附剂有活性炭、黏土、海藻、壳聚糖等[26]。壳聚糖是唯一的碱性天然生物高分子聚合物，相比其他吸附剂具有来源广、成本低廉、无二次污染、重金属吸附能力强[27]、澄清效果好等优点[28]。除此之外，还可以通过物理、化学等方法对壳聚糖进行改性，制备不同吸附能力的壳聚糖衍生物。因此，壳聚糖及其衍生物可以作为海产品提取液或酶解液中重金属脱除的理想吸附材料。

如今已报道了许多利用壳聚糖脱除蛋白酶解液中重金属的方法，梁鹏等[29]采用壳聚糖脱除牡蛎肉匀浆液中Cd离子，通过优化吸附条件，最终结果表明：壳聚糖对牡蛎肉匀浆液中的Cd离子表现出极强的吸附性能，脱除率超过98%。刘炳杰等[30]采用壳聚糖对扇贝裙边酶解液进行Cd脱除研究，并讨论了重金属脱除对酶解液中蛋白质、氨基酸、Fe、Ca、Zn、Mg等营养成分的影响。结果表明：壳聚糖可使扇贝裙边酶解液Cd含量可以降低70%，而蛋白质、氨基酸的损失率均小于10%，Ca、Mg含量几乎不变，Fe损失率为50%，Zn损失率为90%。可以看出壳聚糖不仅对重金属有较好的脱除效果，而且对大多数营养成分的影响较小。

天然的壳聚糖虽然具有较好的吸附性能，由于其存在吸附选择性差、pH值适用范围窄、达到吸附平衡时间较长等缺点，这些在一定程度上限制了其应用。因此，需要对壳聚糖进行改性，制备具有优异性能的吸附剂。由于壳聚糖主链上含有大量的氨基和羟基，可以通过化学、物理等方法进行改性，进而提高其吸附性能，如：吸附容量、吸附选择性、pH值适用范围、脱附-吸附性能、循环利用次数等。郭妍妍等[31]采用凹土对壳聚糖进行改性，制备出凹土-壳聚糖复合物，采用该复合物对近江牡蛎进行糖胺聚糖中的Cd进行脱除，并且采用响应面法对其工艺进行优化，确定Cd脱除的最佳工艺：凹土-壳聚糖质量浓度6.4 mg/mL、pH 7.2、振荡速率170 r/min、振荡时间30 min。在此条件下，Cd的脱除率为73.7%，糖胺聚糖回收率为44.1%。衣美艳等[32-33]采用凹土-壳聚糖复合物和L-半胱氨酸改性壳聚糖对马氏珠母贝糖胺聚糖中的Cd进行脱除。结果表明：凹土-壳聚糖复合物对Cd脱除率为75.4%，L-半胱氨酸改性壳聚糖对Cd的脱除率为56.7%，糖胺聚糖保存率分别为43.0%和42.8%。由于凹土-壳聚糖复合物比表面积大，吸附能力强。因此，凹土-壳聚糖脱除Cd的效果优于L-半胱氨酸改性壳聚糖。但是，两种材料在糖胺聚糖回收率方面都有待提高。

2.2.2 络合法

络合法的主要原理是将重金属与络合试剂进行接触，形成重金属络合物，从而达到重金属从酶解液中脱除的目的。常用的络合试剂主要有植酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸等。其中植酸中含有大量的羧基、磷酸基等强极性基团，与重金属有很强的亲和力，从而能与其形成稳定的重金属螯合物[34]。植酸作为螯合试剂不仅具有较宽的pH值适用范围、螯合能力强等优点[35]，更重要的，其是一种无毒且对人体有益的添加剂[36]。戴志远等[37]利用植酸脱除贻贝蒸煮液中的Cr和Cd，通过在蒸煮液中加入体积分数0.7%～1.0%植酸，在反应体系pH 8～10、反应温度为70～90 ℃的条件下，反应10～20 h，然后将反应液进行10～60 min（2 000～10 000 r/min）离心，去除沉淀。结果表明：蒸煮液中Cd的脱除率达95%，并且最大程度地保持了蛋白质、总糖等营养成分的含量。

柠檬酸含有大量的羟基和羧基等强极性基团，与重金属也有较强的结合能力，从而可形成稳定螯合物。吴晓萍等[38]采用柠檬酸提取贝肉匀浆液中Cd，在柠檬酸浓度0.08 mol/L、反应时间4.0 h、pH 3.0条件下，Cd脱除率可以达到89.31%。单恩莉等[39]将酶法与柠檬酸法结合，重金属脱除效果较好，仅采用质量分数1%的柠檬酸，东海乌参体壁中的Pb、Cr、As和Cd脱除率均达到90%以上，且生产条件易于控制，成本低，但处理时间需48 h以上，处理周期过长。陈博等[40]将海地瓜采用柠檬酸浸泡，然后将其进行穿刺、真空分段浸泡处理，结果表明：该法缩短了柠檬酸法脱除有害重金属的时间，从而提高脱除效率。当浸泡时间到达12 h时，Pb的脱除率分别为88.71%和86.93%，As的脱除率达90.69%和86.13%，重金属Pb、Cd、As、Cr的含量均达GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中对食品污染物的限量要求，穿刺、真空结合分段浸泡处理法有效降低海地瓜体壁的有害重金属含量。

2.2.3 膜分离法

膜分离根据分离的原理不同可以分为：微滤（microfiltration，MF）、超滤（ultrafiltration，UF）、纳滤（nanofiltration，NF）、反渗透（reverse osmosis，RO）、透析（dialysis，DS）和电渗析（electrodialysis，ED）、渗透气化（pervaporation，PV）等技术。目前采用的膜分离技术主要有ED和UF，ED的主要原理是以电位差为推动力，根据离子交换膜的选择透过性，将带电重金属盐与非带电生物体进行分离，ED可以将Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cd2+等金属离子进行分离，是一种较为成熟的技术。UF以膜的筛分性质，压差为推动力，可以对重金属氢氧化物或者络合物等进行截留。事实上，单纯采用一种膜分离很难将重金属有效地脱除，往往需采用多种方法进行复合。因此，银玉容等[41]采用UF和NF两种膜分离相结合的方法，对含有Cd6+、Ni2+、Cu2+等的工业废水进行处理，结果表明Cd2+脱除率可达93.8%，且处理水可以达到电镀清洗水的标准。

膜分离技术在脱除废水中重金属方面的应用已相对成熟，但在脱除海产品中重金属方面的报道甚少，将海产品制成提取液或在蛋白酶的作用下制成蛋白酶解液，通过类似脱除废水中重金属的方法脱除海产品中的重金属。任丹丹等[42]研究利用UF、ED复合技术脱除贝类提取液中的重金属，再结合pH值调节手段，使得牡蛎水解液中Pb脱除率为98.7%，对Cd脱除率为56.4%，对Cr脱除率为68.5%，氨基酸态氮保存率为89.6%。此法在脱除重金属的同时几乎不影响氨基酸态氮的含量。另外，杨川等[43]研究用两种技术相结合去除鲍鱼性腺多糖中的重金属，结果表明：用阳离子交换树脂法对Cd、Hg、Cd 3 种重金属有明显的脱除效果，ED技术对Pb的脱除效果明显。

2.2.4 螯合树脂法

螯合树脂法主要原理是重金属离子与具有活性功能原子的树脂发生配位反应，形成稳定的螯合物，其与金属离子的结合能力比靠静电作用吸附的离子交换树脂吸附效果更强、选择性更高、稳定性更好、分离方便且可循环使用，其使生产成本降低，对环境友好[44]。陈一铭等[45]研究了大孔酸性阳离子交换树脂脱除鱿鱼肝脏匀浆液中的Cd离子，研究结果表明：Cd离子吸附率随吸附交换时间的延长而升高，且吸附达平衡状态时，Cd离子吸附率可达94.34%。离子交换树脂法虽有很高的脱除率，且易分离、营养物质损失小，但是其再生过程复杂。近年来，由于螯合树脂在处理重金属方面独特的优势而被用来去除海产品中的重金属。任丹丹等[46]研究D401螯合树脂对扇贝酶解液中重金属的静态吸附作用和动态脱除作用，发现D401树脂对脱除扇贝酶解液中重金属具有选择性，它能有效降低Cd的含量；在pH 6、螯合树脂的投加量为40 g/L、吸附时间为300 min的条件下，D401树脂对扇贝酶解液中Cd的动态脱除率可达76.08%，并且酶解液中的蛋白质、氨基酸态氮保存率均在90%以上。此外，螯合树脂与其他材料相结合用于脱除重金属也达到了很好的效果。黄素雅等[47]利用离子交换法，以离子交换树脂——亚胺基二乙酸型螯合树脂D-402作为主体，脱除牡蛎中重金属离子，结果表明：经处理后的干制牡蛎提取液中Hg、Pb含量几乎为0，Cd脱除率最高可达86.49%，As的脱除率为1.18%。与其他几种重金属相比，As脱除率相对较低。Sasaki等[48]研究一种使用螯合树脂和单宁处理鱼酱，从中除去重金属Cd的方法，使用螯合树脂去除酶解液中Cd后，再用单宁去除与蛋白结合的Cd，结果观察到Cd的浓度降低16 倍，并且该法可以保持鱼酱的主要营养成分。

2.2.5 生物吸附法

生物吸附法在环境和常规生物处理过程中非常重要，它是基于各种物理化学机制的代谢独立过程。其为生物技术的一个分支，主要包括吸收、吸附、离子交换、表面复合和沉淀过程。生物吸附的主要目的在于通过生物材料从溶液中除去或回收有机和无机物质，所述生物材料主要包括：有生命的或无生命的微生物及其组分、海藻、植物材料、工农业废物和天然残余物等[49]。由于生物材料广泛存在于自然界，价格低廉，并且可以二次利用，所以，利用生物吸附去除水溶液中重金属的方法越来越受到人们的关注。但是，由于生物吸附材料存在重金属去除能力差和缓慢的过程动力学等缺陷。所以，开发对有害重金属离子具有强亲和力的廉价吸附剂就特别重要。Wang Sha等[50]通过硫醇官能化合成的蛋壳膜生物吸附材料，研究其作为吸附剂从水中生物到食品残渣中除去重金属离子的方法，实验结果表明，硫醇官能化蛋壳膜对Cd、Hg、Cu、Pb、Cd和Ag的吸附能力与蛋壳膜对照相比分别提高了1.6、5.5、7.7、12.4、12.7 倍和21.1 倍。此研究证明官能团不仅可以提供从水溶液中除去金属离子的结合位点，而且可以改善吸附性能，因此表面官能化是获得去除重金属吸附剂的最有效的方法。

3 结 语

海产品资源十分丰富，贝类、鱼、虾、蟹、棘皮类等都具有很高的营养价值，但易富集重金属的特性使得海产品资源不能得到充分利用。因此，海产品无论是作为食品、药品或者保健品等，都有必要降低其重金属含量。综上可知，壳聚糖以及其衍生物可以作为理想的吸附剂应用于海产品重金属的脱除，具有无污染、重金属脱除率高、营养物质基本不损失等优点。因此，其可以作为将来研发的重点。螯合树脂法因其吸附能力强，对营养物质几乎无损失，该法具有产业化的应用前景，应成为未来研究的重点。同时，其他廉价高效的官能化吸附材料也将会受到人们更多的关注。

目前现有的脱除方法也存在很多局限：1）海产品中不止存在一种重金属，但目前的方法大多只针对一种重金属的脱除，有必要将其他几种方法组合在一起达到重金属脱除的目的。2）脱除海产品中重金属的方法比较少，将中药、废水中重金属的脱除技术应用于脱除海产品酶解液中的重金属，以此寻求更佳的重金属脱除方法。3）海产品中酶解液成分复杂，在重金属脱除的同时也要注意营养物质的损失。因此，除了从源头上遏制重金属的使用和排放外，研究新技术降低生物体重金属含量也是一种有效、可靠的遏制手段。