大孔树脂对青鱼鱼糜漂洗水的吸附热力学研究

张欣，丁保淼，江洪波

（长江大学生命科学学院，湖北荆州434025）

鱼糜漂洗水含有丰富的营养尤其是蛋白质成分，直接排放不仅降低了蛋白质资源的利用率，而且增加了污水处理的负担，回收的蛋白质可以用作饲料，同时也可以用于生产鱼糜和其他食品[1-6]。有关鱼糜漂洗水的回收，目前有调节法和絮凝法，但是在实际生产过程中，没有一种最优方法能兼备多种优点[2]。大孔吸附树脂有广泛的应用前景，是20世纪60年代发展起来的新型有机高聚物吸附剂[7-11]。本试验研究大孔吸附树脂对青鱼鱼糜漂洗水中可溶性蛋白的吸附率，以鱼糜漂洗水的吸附热力学参数为依据，利用Freundlich吸附等温方程进行拟合，从物理学角度探讨了树脂的吸附机理，并确定大孔树脂对鱼糜漂洗水中蛋白质的吸附方式。旨在为鱼糜漂洗水中蛋白质的回收及再利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

青鱼：市售；浓盐酸、无水乙醇、磷酸、氢氧化钠、考马斯亮蓝、牛血清蛋白（以上均为分析纯）：武汉市天佑恒丰科技有限公司；大孔树脂（X-5、HP20、D3520、D101）：上海源叶生物科技有限公司。

1.1.2 设备与仪器

PL303电子分析天平：赛多利斯科学仪器有限公司；IKA T25高速均质机：德国IKA公司；X-30R贝克曼离心机：哈尔滨东联电子开发有限公司；恒温磁力搅拌水浴锅：上海乔跃电子有限公司；METTLER TELEDO PH计：梅特勒托利多仪器有限公司；S101-3电热鼓风干燥箱：美国Scientific Industries公司；UV-2450紫外可见分光光度计：日本岛津公司。

1.2 试验方法

1.2.1 蛋白质含量的测定

蛋白质含量的测定参照考马斯亮蓝染料比色法[12-13]。

1.2.2 鱼糜漂洗水的制备

在市场购买均重为1 kg的青鱼，取其白肉100 g放入1 000 mL的烧杯中，再加400 mL水，充分搅拌后用4层纱布过滤得到第1次鱼糜漂洗水，然后将纱布上的鱼糜全部取下重新放入烧杯，加入400 mL水，过滤后得到第2次鱼糜漂洗水，再次将鱼糜取下全部放回烧杯，加入400 mL水，过滤得到第3次鱼糜漂洗水，然后将第1次鱼糜漂洗水、第2次鱼糜漂洗水、第3次鱼糜漂洗水依次放入贝克曼离心机在4 000 r/min，25℃条件下离心20 min，取其上清液，得到最终的3次鱼糜漂洗水[14]。

1.2.3 大孔树脂的处理

取 X-5、D101、D3520、HP20 这 4 种树脂各 100 g于烧杯中，加入95%的乙醇浸泡24 h后，用蒸馏水在抽滤装置下抽滤洗净后，加入1 mmol/L的NaOH溶液将其浸没，5 h后再次用蒸馏水在抽滤装置下抽滤洗净，然后加入1 mmol/L的HCl溶液浸没，5 h后用蒸馏水在抽滤装置下抽滤洗净，并用pH计测量过滤后的滤液，保证滤液pH值为中性，最后放入真空干燥箱中干燥24 h，即可得到干燥的大孔树脂。每次试验取大孔树脂时，务必进行预处理，加入95%的乙醇浸泡12 h，然后用蒸馏水抽滤洗净后方可使用[15]。

1.2.4 计算公式

式中：C0为漂洗水中蛋白的初始浓度，g/L；Ct为t时刻漂洗水蛋白的浓度，g/L；Cd为解析后乙醇中蛋白的浓度，g/L；qt为平衡时的吸附量，mg/g；M 为大孔树脂的质量，g；V为漂洗水的体积，mL；稀释倍数为10 倍[8-9]。

2 结果与分析

2.1 最佳树脂确定

通过试验分别测量4种大孔树脂反应达到平衡时，乙醇解析前后的鱼糜漂洗水的吸光值，除了大孔树脂，其他试验条件、制作工艺及检测方法均相同，计算得出其吸附率和解析率[15]，结果如图1。

图1 大孔树脂种类对吸附青鱼鱼糜漂洗水的影响Fig.1 Effect of macroporous resin’s type on adsorping the rinse water of black carp surimi

由图 1可知，这 4种大孔树脂 X-5、D3520、D101、HP20对青鱼鱼糜漂洗水吸附率和解析率有显著差异，吸附率和解析率由高到低依次为HP20、D101、D3520、X-5；由此可看出，HP20解析率和吸附率最佳，故HP20为最佳大孔树脂。

2.2 最佳初始浓度确定

通过试验测量5组鱼糜漂洗水（见方法1.2.2）在反应达到平衡后相应的吸光值，除了初始浓度，其他试验条件、制作工艺及检测方法均相同，计算得出其吸附率[16]，结果如图 2。

图2 初始浓度对大孔树脂吸附青鱼鱼糜漂洗水的影响Fig.2 Effect of initial concentration on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由图2可知，随着初始浓度的增加，大孔树脂HP20变化总体趋势为先上升出现最大值然后又呈下降趋势；当初始浓度为L23时，即第2、3次鱼糜漂洗水浓度时，大孔树脂HP20吸附效果最好。

2.3 最佳离子强度确定

通过试验分别测量6种离子强度梯度的鱼糜漂洗水在反应达到平衡后相应的吸光值，除了离子强度，其他试验条件、制作工艺及检测方法均相同，计算得出其吸附率[17]，结果如图3。

图3 离子强度对大孔树脂吸附青鱼鱼糜漂洗水的影响Fig.3 Effect of ionic strength on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由图3可知，经HP20大孔树脂吸附6种不同离子强度青鱼鱼糜漂洗水变化趋势为先增加后减少，随着摇床中反应时间的增加，吸附容量变化大致为先上升出现最大值然后呈下降趋势；青鱼鱼糜漂洗水经不同离子强度处理后，吸附容量和吸附率有显著差异，当离子强度为150 mmol/L吸附效果最佳。

2.4 最佳pH值确定

通过试验分别测量6种不同pH值梯度的鱼糜漂洗水在反应达到平衡后相应的吸光值，除了pH值，其他试验条件、制作工艺及检测方法均相同，计算得出其吸附率，结果如图4。

图4 pH值对大孔树脂吸附青鱼鱼糜漂洗水的影响Fig.4 Effect of pH value on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由图4可知，随着pH值增加，大孔树脂吸附容量变化总体有较大幅度的上升趋势，大致趋势为先上升出现最大值然后下降；青鱼鱼糜漂洗水经不同pH值处理后，吸附容量和吸附率有显著差异，当pH值为5时HP20大孔树脂吸附效果最好。

2.5 最佳温度确定

通过试验分别测量3种不同温度梯度的鱼糜漂洗水在反应达到平衡后相应的吸光值，除了温度，其他试验条件、制作工艺及检测方法均相同，计算得出其吸附率，结果如图5。

图5 温度对大孔树脂吸附青鱼鱼糜漂洗水的影响Fig.5 Effect of temperature on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由图5可知，随着环境温度的增加，大孔树脂吸附容量变化总体有较大幅度的上升趋势化，青鱼鱼糜漂洗水经不同环境温度处理后，吸附容量和吸附率有显著差异，当温度为35℃时HP20大孔树脂吸附效果最好。

2.6 吸附等温方程拟合

式中：Qe为平衡吸附量，mg/g；Ce为平衡时的质量浓度，g/L；Kf为平衡吸附系数；n为特征常数[9]。通过试验数据和公式（2）计算得出试验结果如表1所示，利用Freundlich方程对试验数据进行拟合，拟合结果见表2。

表1 HP20型大孔树脂对鱼糜漂洗水的平衡吸附量及浓度Table 1 Equilibrium adsorption and equilibrium concentration of HP20 macroporous resin to rinse water of carp surimi

表2 拟合的Freundlich方程及特征参数Table 2 Fitting Freundlich equations and parameters

由表2可知，平衡吸附系数表示吸附量的相对大小，平衡吸附系数随着温度升高而增大，表明此吸附过程为吸热过程。特征常数总大于1，表明所研究的范围内均为优惠吸附过程，即吸附容易进行。

式中：Ce是在热力学温度T时特定吸附量下溶质的平衡浓度，g/L；K0为常数；R为理想气体常数。吸附焓变（ΔH）是通过 ln（Ce）对 T-1作图的斜率计算得出ΔH的大小能够直接反映出吸附剂与吸附质分子之间以及吸附质与溶剂之间的作用力[9]。

将Freundlich方程代入Gibbs方程，得出公式ΔG=-nRT（6），式中，n为 Freundlich方程中的参数。吸附熵变ΔS可根据Gibbs-Helmholtz方程计算：ΔS=（ΔH-ΔG）/T（7），结果如表 3。

表3 HP20大孔树脂对鱼糜漂洗水的吸附热力学参数Table 3 Thermodynamics parameters of HP20 macroporous resin to the rinse water of surimi

由表3可知，吸附焓（ΔH）大于零，表明此吸附过程为吸热过程，与平衡吸附系数随温度的变化趋势一致，可以证明高温有利于吸附的进行。吸附焓（ΔH）小于40，可以看出其处于物理吸附（物理吸附焓变范围＜40 kJ/mol）的范围之内[9]。在 25、30、35 ℃下，吸附自由能（ΔG）分别为-14.238、-16.254、-17.421 kJ/mol，负的自由能体现了吸附质倾向于从溶液吸附到树脂的表面，表明吸附的自发性。

3 小结

HP20型大孔树脂对青鱼鱼糜漂洗水中水溶性蛋白的吸附属于吸热过程，即温度升高有利于反应正向进行，可将鱼糜漂洗水的提取液趁热进行大孔树脂吸附，这样不仅减少了冷却步骤，也增大了吸附量。高温有利于吸附过程的进行，为了继续增大吸附量，可以通过升高温度来使树脂吸附更多的蛋白质分子，这也会使体系内能变化增大，导致吸附焓升高。

由于我国用大孔树脂对鱼糜漂洗水中蛋白质的吸附的研究还处于起步阶段，无论是理论方面还是技术方面都还有很多问题亟需解决[18-20]，但是随着科研水平的提高和学者深入的研究，大孔树脂对鱼糜漂洗水中蛋白质的吸附和回收利用定将趋于成熟。