殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的去除及其機理研究

劉伏佳,譚禮浩,伍家豪,曹　庸,賀麗蘋

(1.華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642;2.華南農業大學測試中心,廣東廣州 510642;3.廣東省天然活性物工程技術研究中心,廣東廣州 510642)

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殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的去除及其機理研究

劉伏佳1,3,譚禮浩1,3,伍家豪1,曹庸1,3,賀麗蘋2,3,*

(1.華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642;2.華南農業大學測試中心,廣東廣州 510642;3.廣東省天然活性物工程技術研究中心,廣東廣州 510642)

為探討殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的去除及其去除機理。以竹蓀水提液為研究對象,利用殼聚糖吸附其中的鎘,以鎘吸附率和粗多糖保留率作為指標,在單因素的基礎上,進行pH、殼聚糖添加量、吸附溫度和吸附時間的四因素三水平正交實驗,并探究了殼聚糖吸附前后的竹蓀水提液中鎘形態的變化。結果表明:最佳吸附條件為:pH7.0、殼聚糖添加量0.35 g/100 mL、吸附溫度70 ℃、吸附時間2.5 h,在此條件下,鎘吸附率為63.8%,粗多糖保留率為85.6%,鎘含量達到食品安全標準限量的要求;形態分析結果顯示殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態、無機態和穩定態的鎘。表明殼聚糖對竹蓀水提液中鎘具有較好的吸附效果,且對功效成分粗多糖的影響較小。

竹蓀水提液,鎘,粗多糖,殼聚糖,形態分析

竹蓀(DictyophoraIndusiata)是一種名貴的大型食用菌,自古就被列為草八珍之一,有“現代保健食品”、“人類植物性食品的頂峰”等美譽[1]。竹蓀主要有效成分為粗多糖,還包含氨基酸、脂肪、揮發油等有效物質[2],具有抗衰老、增強免疫、抗腫瘤、降血壓、抑菌等功效[3]。除了日常食用,竹蓀還被開發為竹蓀酒、罐頭、飲料、面條等功能食品,同時在保健品和化妝品領域也獲得了深度開發[4]。由于竹蓀富集重金屬的能力強,再加上產地環境的惡化和化肥等基質材料的濫用,導致竹蓀及其水提液中重金屬污染問題越來越突出[5],尤其鎘元素嚴重超標。不僅影響了其食用安全,而且限制了竹蓀新產品的研發。因此,采用合適的方法去除竹蓀水提液中超標的鎘,使其達到或低于限量標準的要求,保證其食用安全,對竹蓀產品的深度開發具有十分重要的意義。

目前食材中重金屬去除方法主要有高速離心法、吸附澄清法、吸附色譜法和超臨界流體萃取法等[6]。高速離心法不能去除離子狀態的重金屬;吸附色譜分離法和超臨界流體萃取法操作復雜、成本高,且后者不適合液體樣品的處理;吸附澄清法所用吸附劑主要有殼聚糖、纖維素、麥飯石等,其中殼聚糖具有來源廣、安全、成本低、操作簡單、吸附效果好等優點[7]。因此本實驗選用殼聚糖對竹蓀水提液中的鎘進行吸附。

本研究在保證竹蓀功效成分有效保留的前提下,探究了殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的最佳吸附條件,并分析吸附前后竹蓀水提液中鎘的形態變化,探索了竹蓀水提液中鎘的存在形態和殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的機理。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

竹蓀水提液由無限極(中國)有限公司提供;硫酸、無水乙醇廣州化學試劑廠,分析純;硝酸、過氧化氫廣州化學試劑廠,優級純;殼聚糖(脫乙酰度≥90%)廣州市齊云生物技術有限公司;強酸型陽離子樹脂、Amberlite XAD-2大孔樹脂廣州市齊云生物技術有限公司;Chelex-100螯合樹脂Sigma公司。

原子吸收光譜儀美國PerkinElmer公司;Ethos D微波消解儀意大利Milestone公司;EG-20B電熱板北京萊伯泰科科技有限公司;紫外可見分光光度計上海精密科學儀器有限公司;SZCL-30磁力攪拌水浴鍋河南予華儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的技術流程竹蓀水提液→加入殼聚糖→調節pH→設置吸附溫度與吸附時間→磁力攪拌→離心→取上清液→定容→測定鎘和粗多糖含量

1.2.2鎘、粗多糖含量的檢測鎘含量參照國家標準GB/T5009.15-2003的方法將樣品消化后,以磷酸二氫胺(120 g/L)作為基體改進劑,石墨爐原子吸收光譜法測定;粗多糖含量參照國家標準NYT 1676-2008測定。

1.2.3水提液pH的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,分別調節水提液的pH為3.0、5.0、7.0、8.0、9.0,在60 ℃下磁力攪拌3 h,4000 r/min轉速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.4殼聚糖添加量的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,分別加入0.07、0.15、0.30、0.45、0.60 g殼聚糖,調節pH為7.0,在60 ℃下磁力攪拌3 h,4000 r/min轉速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.5吸附溫度的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,調節pH為7.0,分別設置吸附溫度為30、45、60、75、90 ℃,磁力攪拌3 h,4000 r/min轉速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.6吸附時間的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,調節pH為7.0,在60 ℃下,磁力攪拌1、2、3、4、5 h,4000 r/min轉速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.7吸附最佳參數的確定對pH、吸附溫度、殼聚糖添加量、吸附時間這四個因素及其對應的三個較優水平進行正交實驗,采用L9(34)正交實驗對殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的工藝條件作進一步優化。實驗設計中的因素及水平見表1。

表1　L9(34)正交實驗因素水平表Table 1　L9(34)Factors and levels of orthogonal test

1.2.8鎘吸附率和粗多糖保留率的計算

式中:C1為殼聚糖吸附前竹蓀水提液中鎘的含量,單位為μg/kg;C2為殼聚糖吸附后竹蓀水提液中鎘的含量,單位為μg/kg。

P為殼聚糖吸附后竹蓀水提液中粗多糖的含量,單位為g/100 g;P1為殼聚糖吸附前竹蓀水提液中粗多糖的含量,單位為g/100 g。

1.2.9形態分析方法參考文獻[8-9],取一定量殼聚糖吸附前后的竹蓀水提液,分別過Amberlite XAD-2大孔樹脂、Chelex-100螯合樹脂、強酸型陽離子交換樹脂,即得到有機態和無機態、穩定態和不穩定態、游離態和非游離態的鎘。

1.3數據統計分析

所有數據采用Excel軟件進行統計處理,使用OriginPro 7.5作圖。

2　結果與分析

2.1竹蓀水提液中鎘和粗多糖的含量

經檢測竹蓀水提液中鎘的含量為779.7 μg/kg,粗多糖含量為4.75%(折算為25%的固形物含量)。參考《食品安全國家標準 食品中污染物限量》以及《藥用植物及制劑進口綠色行業標準》可知鎘的限量為300 μg/kg,竹蓀水提液中鎘的含量遠高于其限量標準。

2.2單因素實驗結果與分析

2.2.1水提液pH對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖1可以看出,隨著水提液pH的升高,鎘吸附率逐漸升高,當pH達到7.0后鎘吸附率后稍有下降。這是因為在低pH條件下,H+和鎘與殼聚糖上的結合位點發生競爭性的結合,殼聚糖上的-NH2形成-NH3+,對鎘的吸附能力減小;隨著pH的增大,殼聚糖中的-NH2游離出來,對鎘的吸附能力隨之增強[10-11];當pH大于7.0以后,殼聚糖對水提液中存在的其他金屬離子的選擇性吸附強于鎘離子,導致吸附率略有下降[12]。與此同時,粗多糖保留率隨pH的增加逐漸下降。

綜合考慮,選取pH6.5、7.0、7.5繼續對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定水提液的最佳pH。

圖1　pH對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響Fig.1　Effect of pH on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.2殼聚糖添加量對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖2可以看出,隨著殼聚糖添加量的增加,水提液中鎘吸附率逐漸升高,當殼聚糖添加量達到0.30 g/100 mL時吸附接近飽和,再增加殼聚糖添加量時,鎘吸附率趨于穩定。這是因為殼聚糖添加量的增加導致了與鎘作用的基團數量增多,但當殼聚糖添加量超過0.30 g/100 mL以后鎘吸附率趨于穩定,說明吸附已經達到飽和狀態。與此同時,殼聚糖添加量的變化對粗多糖保留率的影響較小。

綜合考慮,選取0.25、0.30、0.35 g/100 mL繼續對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的殼聚糖添加量。

圖2　殼聚糖添加量對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響Fig.2　Effect of chitosan content on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.3吸附溫度對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響從圖3可以看出,在30～75 ℃的溫度范圍內,隨著吸附溫度的升高,鎘吸附率迅速上升,吸附溫度達到75 ℃時,吸附效果最好,之后略有下降。由于隨著溫度的升高,加速了殼聚糖與鎘結合的反應速度和反應程度;當溫度高于75 ℃時,殼聚糖與鎘的結合遭到破壞,導致鎘吸附率下降。與此同時,在20～60 ℃的溫度范圍內,隨著溫度的升高,體系的熱運動加劇,殼聚糖分子與粗多糖之間的碰撞幾率增加,粗多糖保留率迅速下降;隨著溫度進一步升高,殼聚糖分子鏈有收縮的趨勢,縮短了架橋長度,對粗多糖的絮凝能力減弱,粗多糖保留率下降趨勢變緩[12]。

綜合考慮,選取70、75、80 ℃繼續對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的吸附溫度。

圖3　吸附溫度對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響Fig.3　Effect of temperature on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.4吸附時間對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖4可以看出,在1～3 h的時間范圍內,隨著吸附時間增加,鎘吸附率迅速提高,當吸附時間為3 h時,吸附效果最好,之后稍有下降。這是因為在1～3 h時間范圍內,隨著反應的進行,殼聚糖不斷地與鎘結合,吸附率逐漸上升;3 h以后,隨著時間的繼續延長,部分已結合的絡合物趨向于分解,導致吸附率下降[14]。與此同時,粗多糖保留率隨著反應時間延長緩慢上升。

綜合考慮,選取2.5、3.0、3.5 h繼續對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的吸附時間。

圖4　吸附時間對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響Fig.4　Effect of time on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.3正交實驗優化吸附條件

根據表2可以得出,pH、吸附溫度、殼聚糖添加量、吸附時間這四個因素對殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的影響強度主次順序為A>C>D>B。最優正交實驗組合實驗5的鎘吸附率達62.7%。根據表3方差分析可以看出,pH單因素的F比值大于F0.05的臨界值,因此,pH對竹蓀水提液中鎘的吸附有顯著性影響(p<0.05),其他因素的影響不顯著。從節約能源的角度結合極差分析結果,最終確定最優工藝組合為A2B1C3D1,然而此工藝組合未出現在正交實驗組合中,驗證實驗結果顯示,本工藝鎘的吸附率為63.8%,優于最優正交實驗組合實驗5。經最優工藝處理后竹蓀水提液中鎘含量為282.3 μg/kg,低于限量標準,同時粗多糖保留率為85.6%。

表3　殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的正交實驗結果的方差分析Table 3　Variance analysis results of orthogonal experiment of absorbing cadmium in water extraction liquid of Dictyophora Indusiata by chitosan

注：*代表具有顯著性差異,p<0.05。

表2　殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的 正交實驗結果與極差分析Table 2　Orthogonal optimization results and range analysis of absorbing cadmium in water extraction ofDictyophora Indusiata by chitosan

2.4殼聚糖吸附鎘的機理分析

從圖5可知,竹蓀水提液中鎘主要以游離態、無機態和不穩定態三種形態存在,說明竹蓀水提液中只有少量的鎘以與有機成分絡合的形式存在。殼聚糖吸附后的竹蓀水提液中游離態、無機態和穩定態鎘的含量相比于吸附前均有所降低，其中游離態和無機態降低較明顯，分別降低了72.9%、65.7%,其他形態鎘的變化趨勢不明顯。可見,殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態、無機態和穩定態的鎘,這是由于殼聚糖分子中含有大量的帶孤對電子的活性基團(如-OH、-NH2等),這些活性基團對水提液中的鎘離子具有很好的吸附能力,但對和有機物絡合的鎘則無法或難以發生吸附反應[15-16]。

圖5　殼聚糖吸附前后鎘的形態分布Fig.5　Speciation of cadmium before and after chitosan adsorption

3　結論

本文研究了殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的吸附作用,正交實驗確定了其最優吸附條件,研究表明:pH對竹蓀水提液中鎘的吸附有顯著性影響,最佳吸附條件為:pH7.0、溫度70 ℃、殼聚糖添加量0.35 g/100 mL、反應時間2.5 h,在此工藝條件下竹蓀水提液中鎘吸附率達63.8%,同時功效成分粗多糖保留良好,吸附后的竹蓀水提液中鎘含量達到了食品安全標準限量的要求;進一步的形態分析結果表明,殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態、無機態和穩定態這三種形態的鎘。

本研究提供了一種去除竹蓀水提液中鎘的方法,殼聚糖是天然生物高分子聚合物,來源廣且不會對環境造成二次污染。該方法操作簡單、成本低、對竹蓀水提液中的鎘有良好的吸附效果;同時,有效成分保留率理想,具有很好的實際應用價值。

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Study on removal of cadmium and its mechanism in water extract ofDictyophoraIndusiataby chitosan

LIU Fu-jia1,3,TAN Li-hao1,3,WU Jia-hao1,CAO Yong1,3,HE Li-ping2,3,*

(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Instrumental Analysis & Research Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;3. Guangdong Engineering Research Center of Natural Active Substance,Guangzhou 510642,China)

To investigate the effects on removal of cadmium and its mechanism in water extract ofDictyophoraIndusiataby chitosan,the orthogonal test design was conducted and the adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide was the measure indicator. Four adsorption parameters including pH,chitosan content,adsorption temperature and adsorption time were optimized using orthogonal test design based on the single factor experiments. Furthermore,the speciation of cadmium had been investigated before and after adsorption by chitosan. The optimization condition was as follows:the conditions of pH7.0,0.35 g/100 mL of chitosan content,70 ℃ of adsorption temperature and 2.5 h of adsorption time. The adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide were 63.8% and 85.6%,respectively. After cadmium removal,the contents of cadmium in water extract ofDictyophoraIndusiatawere decreased under the limit amount requirement of food safety standards. The results of speciation analysis showed that mainly free-state,inorganic-state and steady-state of cadmium were absorbed by chitosan. Chitosan had a good adsorption effect to cadmium and less impact on polysaccharide in water extract ofDictyophoraIndusiata.

Water extracts ofDictyophoraIndusiata;cadmium;polysaccharide;chitosan;speciation analysis

2016-12-27

劉伏佳(1991-),男,在讀碩士研究生,研究方向:食品科學與工程,E-mail:liufujia2011@126.com。

賀麗蘋(1965-),女,博士,副教授,研究方向:食品質量與安全,E-mail:heliping@scau.edu.cn。

TS218

A

1002-0306(2016)15-0112-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.013