西番莲果皮可溶性膳食纤维对金属离子的吸附

李晗,马歆芳,范方宇*,杨代勇,王振兴,刘云

1(西南林业大学 林学院,云南 昆明,650224) 2(西南林业大学 生命科学学院,云南 昆明,650224) 3(云南省昆明市生产力促进中心,云南 昆明,650224)

近年来,随着工业技术的不断发展,工业废水排放量增多,Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+等重金属离子向环境中的释放量不断增加[1]。这些有害金属离子易在生物体内富集、不易排出,能通过食物链进入人体,积累量达到一定程度时会对人体健康造成危害[1-2]。据报道,Cu2+过量会导致黄疸胰腺炎和贫血症等,还能引发皮炎和湿疹,严重者出现皮肤坏死等；Pb2+过量可导致儿童智力下降,肾病、麻风病和神经痛等；Cd2+过量主要损害肾脏、肝脏等人体代谢器官,导致骨骼变形和红血球病变等[3]。

膳食纤维(dietary fiber,DF)是从植物细胞壁中提取的一系列非消化营养物质,分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)2大类[4]。研究表明,DF的摄入可有效吸附部分金属离子。GUO等[4]对大蒜皮SDF体内结合Pb2+能力进行了研究,发现经喂食大蒜皮SDF的小鼠粪便和尿液中铅排泄量显著增加,表明大蒜皮SDF对Pb2+结合有积极作用。单平阳等[5]对不同方法提取的花生壳SDF重金属(Pb2+、As3+、Cu2+)吸附力进行了研究,结果表明花生壳SDF在肠环境吸附重金属离子效果更好,且经乳酸菌发酵和挤压膨化处理后的金属离子吸附力更高。YAN等[6]采用麦麸DF为食品添加剂制作饼干,并对其在小鼠体内结合Cd2+和Pb2+的能力进行了研究,发现与未添加DF的饼干相比,小鼠粪便中Cd2+和Pb2+排泄量分别增加了27.4%和25.2%,表明DF功能饼干在一定程度上能有效吸附金属离子。

很多果蔬食品加工过程中产生的副产品可用于提取生物活性物质或制备DF,以减少废弃物污染和资源浪费[7-8]。基于此,本研究以西番莲果皮为原料,制备西番莲果皮可溶性膳食纤维(passion fruit peel soluble dietary fiber,PSDF)。探讨了PSDF在体外模拟胃肠条件下,PSDF质量、吸附时间、金属离子初始浓度3个因素对Cu2+、Pb2+、Cd2+三种金属离子吸附性能的影响,并结合吸附动力学模型(准一级、准二级动力学模型)和等温吸附模型(Langmuir、Freundlich等温吸附模型)对吸附机理进行了研究。旨在模拟胃肠环境下为PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附性能提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西番莲,云南昆明农贸市场；柠檬酸(分析纯),天津市风船化学试剂科技有限公司；α-淀粉酶(10 000 U/g),邢台万达生物工程有限公司；木瓜蛋白酶(100 000 U/g),南宁庞博生物工程有限公司；体积分数95%乙醇,天津市致远化学试剂有限公司；胰蛋白酶(牛胰)、胃蛋白酶(猪胃粘膜),南京都莱生物技术有限公司；硫酸、硝酸,均为分析纯,云南杨林工业开发区汕滇药业有限公司；硝酸铜、硝酸铅、硝酸镉,均为分析纯,天津大茂化学试剂厂。

DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱,上海齐欣科学仪器有限公司；CRT-400高速多功能粉碎机,永康市超然电器有限公司；SB25-12DTDS超声波清洗器,宁波新艺超声设备有限公司；DZKW-4电热恒温水浴锅,北京中兴伟业仪器有限公司；IKA RV10立式旋转蒸发仪,南京荣华科学器材有限公司；5804R台式冷冻离心机,德国艾本德股份公司；AA100型火焰原子吸收分光光度计,美国PerkinElmer公司；SHZ-82恒温振荡器,常州智博瑞仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 膳食纤维的制备

参照文献[9]的方法制备PSDF。西番莲果皮经洗净、干燥、粉碎并过60目筛备用。取一定量果皮粉于烧杯中,按料液比1∶26(g∶mL)加入质量分数0.2%柠檬酸溶液,40 ℃、250 W超声波提取30 min后,加入质量分数0.6%混合酶(α-淀粉酶∶木瓜蛋白酶质量比为1∶1),70 ℃水浴酶解1 h,沸水浴灭酶10 min,5 500 r/min离心10 min。收集上清液,于50 ℃旋转蒸发仪中浓缩至原体积的1/3,加入浓缩液4倍体积且预热至60 ℃的95%乙醇醇沉30 min,5 500 r/min离心20 min,沉淀于50 ℃烘干、粉碎过60目筛,得PSDF。

1.2.2 试剂配制

(1)模拟胃液的配制[10]：取1 mol/L HCl溶液16.4 mL,加入10 g胃蛋白酶和800 mL蒸馏水,摇匀,加水定容至1 L。

(2)模拟肠液的配制[10]：取KH2PO46.8 g,加500 mL水溶解,用0.1 mol/L NaOH溶液调pH值至6.8,取胰蛋白酶10 g,加少量水溶解,将上述溶液混合,加水定容至1 L。

(3)金属离子溶液的配制：分别以Cu(NO3)2、Pb(NO3)2、Cd(NO3)2为溶质,模拟胃液、模拟肠液为溶剂,配制成质量浓度为1 000 mg/L的Cu2+、Pb2+、Cd2+溶液,用于后续实验。

1.2.3 吸附实验

吸附实验分别在模拟胃液和模拟肠液2种体系下进行。

(1)PSDF质量：将一定质量的PSDF放入150 mL锥形瓶中,分别加入20 mL 100 mg/L的Cu2+、Pb2+、Cd2+溶液,37 ℃下120 r/min振荡吸附120 min。设置PSDF质量为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 g。

(2)吸附时间：将0.1 g PSDF放入150 mL锥形瓶中,分别加入20 mL 100 mg/L的Cu2+、Pb2+、Cd2+溶液,37 ℃下120 r/min振荡吸附。设置吸附时间为5、10、20、30、60、90、120 min。

(3)金属离子初始浓度：将0.1 g PSDF放入150 mL锥形瓶中,分别加入20 mL不同质量浓度的Cu2+、Pb2+、Cd2+溶液,37 ℃下120 r/min振荡吸附120 min。设置Cu2+、Pb2+、Cd2+溶液初始质量浓度为25、50、75、100、125、150 mg/L。

1.2.4 金属离子浓度测定

吸附后的溶液用0.45 μm微孔滤膜过滤,采用火焰原子吸收仪测定滤液中Cu2+、Pb2+、Cd2+的浓度。吸附量和吸附率分别按公式(1)、(2)计算。

(1)

(2)

式中：q,吸附量,mg/g；Q,吸附率,%；co、c分别为吸附前后溶液中金属离子的质量浓度,mg/L；v,金属离子溶液体积,L；m,PSDF质量,g。

1.3 吸附模型

1.3.1 吸附动力学模型研究

准一级和准二级动力学方程假定t时刻PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量qt与吸附达到平衡状态时的吸附量qe之间的差值是吸附原发力[11]。研究采用准一级和准二级动力学模型描述PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的动力学过程。准一级、准二级动力学模型的线性形式分别用公式(3)、(4)表示[12]。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(3)

(4)

式中：qe,平衡吸附量,mg/g；qt,t时刻的吸附量,mg/g；t,吸附时间,min；k1,准一级吸附速率常数,min-1；k2,准二级吸附速率常数,g/(mg·min)。

1.3.2 等温吸附模型研究

等温吸附模型可用于描述恒定温度下PSDF吸附量与不同金属离子浓度吸附量之间的关系[11]。因此,研究采用Langmuir方程和Freundlich方程来描述PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附等温线。Langmuir方程和Freundlich方程的线性形式如公式(5)、(6)[13-14]所示。

(5)

(6)

式中：qe,平衡吸附量,mg/g；qm,PSDF最大吸附量,mg/g；ce,吸附平衡时溶液中金属离子质量浓度,mg/L；kL,吸附速率常数,L/mg；kf,PSDF吸附能力的量度；n,吸附强度的量度。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据分析和表格绘制，Origin 2017软件进行模型拟合和图形绘制。

2 结果与分析

2.1 PSDF质量对吸附量的影响

由图1可见,模拟胃肠环境中,随PSDF质量的增加,其对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量逐渐减小,但吸附率均呈逐渐增大后趋于平衡趋势。与PSDF质量为0.10 g相比,PSDF质量为0.30 g时对3种金属离子的吸附量在模拟胃环境中分别降低了46.47%、41.38%、53.56%,模拟肠环境中分别降低了50.54%、56.67%、62.58%。这是因为金属离子浓度与PSDF质量之间的比值对其吸附过程产生一定影响[10]。

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图1 PSDF质量对吸附量和吸附率的影响Fig.1 Effect of PSDF dosage on adsorptive capacities and adsorption rate

PSDF质量较少时,比值较大,PSDF的表面吸附位点有限,更易被金属离子充分占满,单位质量的PSDF吸附量增加,但吸附率相对较低。PSDF质量为0.30 g时,在胃肠环境中对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附率均较高,在模拟胃环境中分别为52.32%、74.73%、17.10%,模拟肠环境中分别为94.38%、85.51%、94.16%。这是因PSDF质量增加时,有更多的吸附位点结合金属离子[12],从而提高了PSDF对金属离子的吸附率；同时吸附位置出现空余,导致单位质量的PSDF吸附量出现下降趋势,造成了PSDF的浪费。

2.2 吸附时间对吸附量的影响

由图2可见,模拟胃肠环境中,PSDF与Cu2+、Pb2+、Cd2+开始接触的前5 min吸附速率较快,其吸附量和吸附率随吸附时间增加均呈现先增大后平缓的趋势,对金属离子的吸附均在30 min左右达到平衡状态。30 min时,PSDF在胃环境中对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附率分别为32.10%、42.82%、13.30%,平衡吸附量分别为6.206、8.930、2.781 mg/g；肠环境中吸附率分别为62.87%、66.71%、83.50%,平衡吸附量分别为12.554、13.292、16.352 mg/g。30 min后PSDF表面吸附位点均已被金属离子占据,吸附过程基本达到平衡状态,此时PSDF可发挥最大限度的吸附效果。

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图2 吸附时间对吸附量和吸附率的影响Fig.2 Effect of adsorption time on adsorptive capacities and adsorption rate

吸附是一个缓慢进行的过程。吸附初期,金属离子在PSDF上的吸附主要发生在纤维表面,随时间延长,金属离子吸附逐渐由溶液扩散控制转为内部扩散控制,即金属离子通过PSDF表面大孔逐渐扩散至其微孔内部[10],且吸附阻力随PSDF表面吸附金属离子的增多而增大,致使吸附速率逐级减小[15],吸附量和吸附率缓慢增加直至吸附平衡。

2.3 金属离子初始浓度对吸附量的影响

由图3可见,随着金属离子初始浓度的增大,PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量呈逐渐增加的趋势,而吸附率则逐渐下降。初始质量浓度为25 mg/L时,PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量均较小,模拟胃环境中分别为2.355、2.394、0.782 mg/g,模拟肠环境中分别为4.292、2.869、3.695 mg/g,但吸附率均较高。这是因为初始浓度较低时,金属离子总量较少,能较快与PSDF表面丰富的吸附位点结合[16],提高了利用率,但吸附量相对较低。金属离子初始质量浓度增至150 mg/L时,吸附量增加,但相较于25 mg/L时,胃环境中吸附率分别降低了22.97%、29.06%、14.84%,肠环境中分别降低了9.56%、10.30%、6.26%。这是因为浓度增加后,PSDF表面吸附位点被占据,吸附能力趋于饱和,吸附过程受到阻碍[16],因此吸附率呈逐渐下降的趋势。

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图3 金属离子初始浓度对吸附量和吸附率的影响Fig.3 Effect of initial concentration on adsorptive capacities and adsorption rate

由上述结果可见,PSDF在模拟肠环境中对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量均高于胃环境,这与李杨等[17]、单平阳等[5]的研究结果相似,说明肠环境更适合PSDF对金属离子的吸附。这是因为大部分PSDF在pH 6.8时对金属离子的吸附能力较强,且金属离子在肠环境体系下与OH-形成了不溶性沉淀[1]。此外,PSDF对金属离子的吸附主要依靠化学吸附,也存在物理吸附,而化学吸附主要依靠PSDF中的羧基、糖醛酸的羟基、结合于PSDF上的酚酸和氨基酸等亲水基团[17],这些羧基的解离程度与PSDF对金属离子的束缚有很大的关系[18]。模拟肠环境中,羧基上质子解离增多并带负电,增大了金属离子束缚量[19]；而模拟胃环境中,羧基质子解离减少,金属离子束缚量下降。PSDF在胃环境中对金属离子的吸附可能是金属离子与溶液中质子共同争夺羧基、羟基等活性基团[19],两者占有羧基的量与它们的解离常数和相对浓度有关。

2.4 吸附动力学模型拟合

吸附动力学模型可用于吸附过程中速率变化的研究,并确定吸附的速率控制步骤[20]。为进一步了解PSDF吸附机制,研究对PSDF的吸附效率进行了评价,将模拟胃肠环境下PSDF于不同吸附时间对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量分别采用准一级动力学方程和准二级动力学方程进行了拟合。这些模型可通过所作直线的线性验证拟合效果[21]。

以ln(qe-qt)对t作线性拟合得到准一级动力学线性图(图4),以t/qt对t作线性拟合得到准二级动力学线性图(图5),并通过相关系数R2判断PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附是否符合动力学模型。

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图4 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的准一级动力学模型拟合线性图Fig.4 Plot of pseudo first-order adsorption kinetics model of Cu2+,Pb2+,and Cd2+ adsorption on PSDF

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图5 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的准二级动力学模型拟合线性图Fig.5 Plot of pseudo second-order adsorption kinetics model of Cu2+,Pb2+,and Cd2+ adsorption on PSDF

根据斜率和截距可得到准一级和准二级动力学模型中的未知参数[22],拟合后得到的动力学相关参数见表1。

表1 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的动力学模型相关参数Table 1 Parameters of kinetics models for Cu2+,Pb2+,and Cd2+ adsorption on PSDF

由图4、图5和表1可知，模拟胃肠环境中，PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附的准一级动力学模型R2范围为0.938 5～0.980 4，准二级动力学模型R2范围为0.983 4～0.998 4，这表明准二级动力学模型对吸附实验数据拟合效果较好。且由该模型计算出吸附平衡时PSDF在胃中对Cu2+、Pb2+、Cd2+的理论吸附量(qe)分别为6.472 5、9.107 5、2.914 6 mg/g，肠中分别为12.674 3、13.550 1、17.152 7 mg/g，与图2吸附时间对吸附量影响的实验值更接近，进一步表明其吸附机理符合准二级动力学模型。准一级动力学模型中的吸附为非化学吸附的不稳定吸附；准二级动力学模型则是基于假定吸附速率是受化学吸附机理的控制，吸附剂和吸附质间通过电子共享或交换的化学吸附[12,23]。因此，可以推测Cu2+、Pb2+、Cd2+在PSDF表面活性位点的速率控制步骤主要为化学吸附。综上可知，PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附过程符合准二级动力学模型，且吸附速率控制步骤主要为化学吸附。

2.5 等温吸附模型

为探究PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的机理,研究将模拟胃肠环境下PSDF对不同金属离子初始浓度的吸附量进行了Langmuir和Freundlich等温线模型拟合。Langmuir方程中以ce/qe对ce作线性拟合得到直线(图6),1/qm和1/kLqm分别为直线的斜率和截距。Freundlich方程中以lnqe对lnce作线性拟合得到直线(图7),1/n和lnkf分别为直线的斜率和截距,由此可得到Freundlich方程中的其他参数。Langmuir和Freundlich方程的相关参数见表2。

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图6 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的Langmuir等温式线性图Fig.6 Plot of Langmuir isothermal equation of Cu2+,Pb2+ and Cd2+ adsorption on PSDF

a-模拟胃环境;b-模拟肠环境图7 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的Freundlich等温式线性图Fig.7 Plot of Freundlich isothermal equation of Cu2+,Pb2+ and Cd2+ adsorption on PSDF

表2 PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+的等温吸附模型相关参数Table 2 Parameters of isothermal adsorption models for Cu2+, Pb2+, and Cd2+ adsorption on PSDF

由图6、图7和表2可知,Langmuir等温模型的拟合相关系数R2为0.530 8～0.793 1,Freundlich等温模型的拟合相关系数R2为0.981 6～0.999 6。因此,PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+三种金属离子的吸附行为更符合Freundlich等温吸附模型。Freundlich模型中,一般认为1/n是一个浓度指数,表示线性程度及吸附机理的差异。n值常用于吸附过程优惠性判断[21-23]：n>1为优惠吸附；n=1为线性吸附；n<1为非优惠吸附。因此,胃肠环境中PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附均为优惠吸附,而肠中的吸附较胃中更接近线性吸附。此外,Freundlich等温线中的kf值可表示吸附能力强弱。PSDF在胃中对Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附的kf值分别为0.230 5、0.510 5、0.048 7,其kf值与图3胃中PSDF对不同初始浓度金属离子的吸附量大小顺序相同,均为Pb2+>Cu2+>Cd2+。表明PSDF在胃中对Pb2+的吸附能力强于Cu2+和Cd2+。而肠中Cu2+、Pb2+、Cd2+吸附的kf值分别为0.720 8、0.731 3、2.107 3,图3肠中吸附量大小顺序为Cd2+>Pb2+>Cu2+,表明PSDF在肠中对Cd2+的吸附能力更强,对Pb2+和Cd2+的吸附能力则相差不大。且PSDF在肠中吸附Cu2+和Cd2+的kf值均高于胃中,表明PSDF在肠中的吸附能力更好。综上可知,Freundlich等温吸附模型对PSDF吸附金属离子的拟合效果更好,表明PSDF的吸附行为不是简单的单分子层吸附,其吸附机制既有物理吸附、静电相互作用,又有金属离子与PSDF中羧基等活性基团的螯合作用[23-24]。

3 结论

研究对PSDF吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+三种金属离子的机理进行了探索,探讨了PSDF质量、吸附时间、金属离子初始浓度3个因素对吸附过程的影响。结果表明,PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附量随PSDF质量增加而减少,吸附率则先增大后趋于平衡,适当的PSDF质量既可提高PSDF利用率,又可避免PSDF的浪费。PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附均在30 min左右达到饱和状态,在胃环境中的吸附率分别为32.10%、42.82%、13.30%,平衡吸附量分别为6.206、8.930、2.781 mg/g；肠环境中吸附率分别为62.87%、66.71%、83.50%,平衡吸附量分别为12.554、13.292、16.352 mg/g。PSDF吸附量分别随Cu2+、Pb2+、Cd2+初始浓度增加而增大,吸附率则随初始浓度增加逐渐下降。PSDF在模拟肠环境中对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附优于胃环境,吸附量和吸附率更高。吸附动力学和等温吸附模型拟合结果表明,PSDF对Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附过程符合准二级动力学模型,表明其吸附的速率控制步骤主要为化学吸附；PSDF吸附平衡符合Freundlich等温模型,相关性良好。