大孔树脂对白鲢鱼糜漂洗水蛋白的吸附研究

段生洲，丁保淼

（长江大学生命科学学院，湖北荆州434025）

白鲢，四大家鱼之一，我国主要的淡水养殖鱼类之一，其肉质鲜嫩，营养丰富，是较宜养殖的优良鱼种。目前有大量的白鲢鱼被用来制作鱼片或鱼糜制品，在鱼糜生产中，为得到弹性好、白度高的优质鱼糜，鱼肉往往需要漂洗，因而产生大量的漂洗水，鱼糜漂洗水中的蛋白通常占总鱼肉中总蛋白的30%[1]。鱼糜漂洗水富含蛋白等营养成分，直接排放不仅降低了蛋白资源的利用率，而且增加了废水处理负荷，极易造成环境污染。目前对鱼糜漂洗水蛋白回收的研究主要使用等电点沉淀，加絮凝剂絮凝和两种方法复合使用。徐律等[2]以鱼糜漂洗液为原料，利用等电点沉淀法回收蛋白，回收率为83.33%。许永安等[3]采用壳聚糖作为絮凝剂进行鱼糜漂洗水中水溶性蛋白的回收，回收率为73.17%。王秀敏等[4]采用等电点沉淀—壳聚糖絮凝复合法对鳕鱼糜漂洗废水中的肌浆蛋白进行回收，两步总回收率为95.51%。此外还有学者报道了使用膜分离和电阻加热法回收漂洗水中的蛋白[5-6]。大孔吸附树脂被广泛用于对有机物的浓缩和分离，具有回收率高、选择性好、吸附条件温和、操作成本低和易再生等优点[7-8]。A.Leyton 等报道了使用大孔树脂从褐藻中纯化褐藻素的研究[9]。Mingzhu Zhuang 等报道了使用大孔树脂纯化酱油中的鲜味肽的研究[10]。但是未见利用大孔树脂吸附法回收漂洗水中的蛋白的报道。本研究以白鲢鱼糜漂洗水为原料，先用6 种大孔树脂进行吸附试验，筛选出适合于白鲢鱼糜漂洗水蛋白回收的树脂；然后进一步从热力学和动力学两个角度对所选树脂吸附漂洗水蛋白进行研究。为工业上利用大孔树脂回收鱼糜漂洗水蛋白提供一定的试验基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白鲢鱼：长江大学西校区农贸市场，质量2 kg 左右；大孔吸附树脂 HP-20、AB-8、D101、D3520、X-5 和XAD-16：上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠、浓盐酸、95%乙醇、85%正磷酸、考马斯亮蓝G-250：国药集团化学试剂有限公司；牛血清白蛋白：索莱宝生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

EYELAA-1000S 水循环真空泵：上海帝博思生物科技有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；2XZ-2 型旋片式真空泵：浙江台州求精真空泵有限公司；SY-2230 恒温水浴摇床：上海珂淮仪器有限公司；UV-2600 型紫外分光光度计：日本岛津仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 白鲢鱼糜漂洗水的制备

将新鲜的白鲢鱼去鳞、去头、去内脏，用清水冲洗干净后采肉并剁成肉泥状得鱼糜。用蒸馏水按料液比1 ∶4（g/mL）进行漂洗，用玻璃棒慢速搅拌 10 min 后，静置 5 min，再用 4 层纱布过滤[4，11]，得第一次漂洗水。重复上述操作再漂洗一次，得第二次漂洗水，将两次所得漂洗水混合，置于4 ℃冰箱中保存并在24 h 内使用。

1.3.2 大孔吸附树脂的预处理

为了去除大孔吸附树脂中的杂质，先用95%的乙醇浸泡大孔吸附树脂24 h，接着用蒸馏水冲洗除去乙醇。再用1 mol/L 的氢氧化钠浸泡5 h，用蒸馏水冲洗除去氢氧化钠。最后用1 mol/L 的盐酸浸泡5 h，再用蒸馏水充分冲洗至中性。将经过上述处理后的大孔吸附树脂置于真空干燥箱中60 ℃减压干燥，得预处理好的大孔吸附树脂[10]。使用前先用95%的乙醇浸泡过夜，然后用蒸馏水充分冲洗除去乙醇。

1.3.3 大孔吸附树脂的初步筛选

在古静燕等[12]的试验方法上做了适当修改。分别称取6 种大孔吸附树脂3 g 放入150 mL 锥形瓶中，分别加入50 mL 漂洗水，再将锥形瓶置于恒温水浴摇床中20 ℃，170 r/min 下处理5 h，每个样品做3 个平行。用考马斯亮蓝法以牛血清白蛋白为基准物质做标准曲线（所得标准曲线y=149.83x-8.051 6，R2=0.999 3），分别测定吸附前后漂洗水中蛋白质的含量，计算吸附率：

式中：A 为吸附率；C0为初始蛋白浓度，mg/mL；Ce为平衡蛋白浓度，mg/mL。

1.3.4 选定大孔吸附树脂的吸附动力学

在Xiaomei Wang 等[13]试验方法的基础上做适当修改。准确称取9 g 选定的大孔吸附树脂放入250 mL锥形瓶中，加入150 mL 漂洗水，将锥形瓶置于恒温水浴摇床中20 ℃，170 r/min 下处理5 h，样品做3 个平行。分别在 0、10、20、30、40、60、80、100、120、150、180、210、240、270、300 min 时取样，测定各个时间点样品中蛋白质的含量，并分别用伪一级动力学模型和伪二级动力学模型对试验数据进行拟合，研究其吸附动力学机理：

吸附容量：

伪一级动力学模型：

伪二级动力学模型：

式中：qt为 t 时刻的吸附容量，mg/g；Ct为 t 时刻的蛋白浓度，mg/mL；Vi为初始样品体积，mL；W 为大孔吸附树脂的质量，g；qe为平衡吸附容量；k1为伪一级吸附速率常数；k2为伪二级吸附速率常数。

1.3.5 选定大孔树脂的吸附热力学

将白鲢鱼糜漂洗水分别按体积比 1 ∶0、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4 用蒸馏水进行稀释，得 5 个不同浓度的漂洗水。准确称取选定大孔吸附树脂3 g 放入150 mL 锥形瓶中，然后分别加入50 mL 不同浓度的漂洗水，再将锥形瓶置于恒温水浴摇床中分别在 15、20、25 ℃（288、293、298 K），170 r/min 下处理 5 h，每个样品做 3 个平行。分别测定吸附前后漂洗水中蛋白质的含量，用Langmuir 方程和Freundlich 方程对热力学数据进行拟合，并计算吸附过程的吉布斯自由能变化，研究其吸附热力学机理：

Langmuir 方程及其变式：

Freundlich 方程及其变式：

吉布斯自由能变化计算式：

式中：qm为饱和吸附容量，mg/g；KL为 Langmuir 常数；KF为 Freundlich 常数；1/n 为一个与吸附驱动力的大小有关的经验常数；ΔGo为吉布斯自由能变化量，kJ/mol；R 为理想气体常数，8.314 J/（mol·K）；T 为温度，K；Kc为平衡分配系数（吸附在固体上的量与溶液中平衡浓度的比值）。

2 结果与分析

2.1 树脂筛选试验

表1 展示了本试验所用的6 种大孔树脂的物理参数和对漂洗水中蛋白的吸附率。

试验结果显示，不同树脂对漂洗水中蛋白的吸附率差别很大，所选的6 种树脂对漂洗水中蛋白的吸附率 HP-20＞XAD-16＞D101＞X-5＞AB-8＞D3520，其中HP-20 树脂的吸附率最高达94.79%，D3520 树脂的吸附率最低为68.50%。这是因为HP-20 有更大的比表面积和孔径，更利于漂洗水中蛋白分子的进入，有研究表明比表面积和孔径是反映吸附能力的决定性因素[14]。综上，选用HP-20 树脂做进行进一步的吸附机理研究。

表1 大孔树脂的物理参数与对白鲢鱼糜漂洗水中蛋白的吸附率Table 1 Physical parameters of macroporous resin and adsorption ratio of protein in washing water of silver carp

2.2 HP-20树脂的吸附动力学

图1 为HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附动力学曲线。

图1 HP-20 树脂对白鲢鱼糜漂洗水的吸附动力学曲线Fig.1 Adsorption kinetics curve of HP-20 resin on washing water of silver carp

试验结果显示，在刚开始的0～100 min HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附容量快速上升，接着在100 min～240 min HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附容量上升有所减慢，在240 min 后HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附达到平衡，Rui Yang 等[15]在使用大孔树脂对南瓜多糖进行脱蛋白脱色研究时也有类似的现象，平衡时吸附容量为94.845 mg/g。

为了进一步研究HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附机理，用伪一级动力学模型和伪二级动力学模型对吸附动力学的数据进行拟合，所得结果如表2 所示。

表2 HP-20 树脂对漂洗水蛋白的吸附动力学Table 2 Adsorption kinetics of HP-20 resin on protein in washing water

伪一级动力学模型拟合的R2=0.987 7 大于伪二级动力学模型的R2=0.978 5。此外通过伪一阶动力学模型计算出的qe=91.013 mg/g 比伪二阶动力学模型计算出的qe=109.890 mg/g 更加接近于试验所测得的qe=94.845 mg/g。因此伪一阶动力学模型能更好的描述HP-20 树脂对漂洗水的吸附过程。这与Qingru Liu 等[16]对使用大孔树脂研究柑橘脱苦时发现LX920 树脂对黄酮类化合物的吸附符合伪一阶动力学模型的结果相似。

2.3 HP-20树脂的吸附热力学

吸附等温线描述了等温吸附平衡吸附量与吸附液平衡浓度的关系。为了建立最优模型，分别用Langmuir 方程和Freundlich 方程对热力学试验所得数据进行拟合，拟合结果如表3 所示。

表3 不同温度下HP-20 树脂对漂洗水的吸附热力学Table 3 Thermodynamics of adsorption of washing water by HP-20 resin at different temperatures

Langmuir 等温模型描述了分子在均匀表面上的单层吸附过程，相邻吸附分子之间没有相互作用。KL是Langmuir 常数，当 0＜KL＜1 时 Langmuir 方程适合于描述该吸附过程，当KL=1 呈线性关系，当KL＞1 时Langmuir 方程不适用[14]。表 3 数据显示，使用 Langmuir 方程进行拟合所得的KL值均大于1。因此Langmuir 方程不适合描述HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附。Freundlich 等温模型反映了分子在非均匀表面上的多层吸附过程，相邻吸附分子之间有相互作用。1/n 为与吸附驱动力大小相关的经验常数，通常当1/n＜1 时，吸附比较容易发生，当1/n＞1 时吸附比较难发生[17]。表3数据显示，使用Freundlich 方程进行拟合时计算出的1/n 均小于1，这说明HP-20 树脂很容易吸附漂洗水中的蛋白，适合于吸附漂洗水中蛋白的吸附。比较2个等温模型，在本试验所选的3 个温度下Freundlich方程拟合的相关系数均高于Langmuir 方程，这也说明Freundlich 方程更适合描述HP-20 树脂对漂洗水中蛋白的吸附。这与Yani Bao 等[18]使用大孔树脂对柑橘汁脱苦进行热力学研究的结果相似。

为了从能量变化的角度了解吸附过程，计算了HP-20 树脂在不同温度下吸附漂洗水中蛋白的吉布斯自由能变，结果如表4。

表4 HP-20 树脂吸附过程中的吉布斯自由能变Table 4 Gibbs free change in the adsorption process of HP-20 resin

如表4 所示在本试验所选的3 个温度下△Go值均为负数，这说明HP-20 树脂对漂水蛋白的吸附为自发过程。随温度的上升，△Go绝对值增大，这说明在本试验所选温度范围内，当温度升高时HP-20 树脂吸附漂洗水蛋白越容易发生。

3 结论

大孔树脂筛选结果显示，所选6 种树脂对漂洗水蛋白的吸附率 HP-20＞XAD-16＞D101＞X-5＞AB-8＞D3520，HP-20 树脂对漂洗水蛋白的吸附率最高可达94.79%。对HP-20 树脂的进一步研究显示，HP-20 树脂对漂洗水蛋白的吸附在动力学上符合伪一级动力学模型，而在热力学上Freundlich 模型能更好的描述此吸附过程。分析吸附过程中吉布斯自由能的变化证实该吸附过程在试验所选的温度下均为自发过程。