玉米秸稈纖維素脫除魚露中鉛離子研究

翁穎穎，楊立業

（浙江海洋大學食品與醫藥學院，浙江舟山 316022）

魚露（Fish sauce）是一種以低值魚類為原料，經腌漬、發酵、精制后所得的一種味道鮮美、營養價值高的調味品[1]，含有大量人體必需的氨基酸及微量元素[2]，深受消費者喜愛。然而由于海洋污染等因素，生產魚露的原料魚中存在鉛離子超標的問題[3-5]。鉛離子是一種蓄積性較強的有害重金屬，嚴重危害人體健康[6-8]，因此建立一種安全、廉價的方法脫除魚露中殘留的鉛離子十分重要。脫除重金屬所用的傳統方法有電極法、酸法、吸附法等。例如張麗娜等[8]探討了微生物法脫除重金屬的優點，并總結了國內外利用微生物法處理重金屬的應用成果，對微生物法脫除重金屬的未來進行展望；任丹丹等[9]利用D401螯合樹脂對扇貝酶解液中重金屬的脫除，研究了樹脂對重金屬脫除的選擇性；歐陽小琨等[10]利用廢棄花生殼提取纖維素，研究了花生殼纖維素對海洋蛋白酶解液中鉛離子的吸附過程。綜上可知，吸附法作為一種簡單、可操作性強的方法[11-15]，可用于魚露中鉛離子的脫除。

常用的吸附劑有活性炭，硅膠，天然黏土等[16-19]。秸稈纖維素（Corn straw cellulose）作為一種天然的植物纖維素吸附劑[20-21]，不僅具有密集的細孔構造，而且來源廣泛[22-23]。本研究擬利用堿浸泡法提取玉米秸稈中纖維素，并將其用于魚露中鉛離子的吸附脫除，研究結果有著良好的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要試劑與原料

玉米秸稈（禾本科植物玉蜀黍Zea mays linn.sp.的干燥莖葉部分，產于浙江省），L-谷氨酸（分析純，上海晶純生化科技股份有限公司）；魚膠原蛋白肽（500～5 000 Da，江西可生生物有限公司）；其余試劑如氫氧化鈉、無水乙醇、氯化鈉、硝酸等皆為分析純，購于上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 實驗儀器與設備

AA-7 000型原子吸收光譜儀（日本島津公司），SK5200 HP型超聲清洗儀（上海科導超聲儀器有限公司），BT125D型電子天平（賽多利斯科學儀器公司），SHZ-88A型水浴恒溫振蕩器（蘇州培英實驗設備有限公司），pHS-25型酸度計（上海儀電科學儀器股份有限公司），DHG-9032A電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米秸稈的預處理

玉米秸稈經去離子水洗滌，去除泥土和雜草等雜質，于60℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎機粉碎，所得粉末過100目篩。稱取樣品適量，加去離子水在60℃下攪拌1 h，除去水溶性雜質，烘箱烘干至恒重，密封保存備用。

1.2.2 玉米秸稈纖維素的提取

取30 g預處理玉米秸稈粉末，加入500 mL質量分數為17.5%的NaOH溶液中，室溫下浸泡72 h，使木質素和半纖維素溶解于NaOH溶液后抽濾，用去離子水洗滌玉米秸稈粉末至中性，加入無水乙醇反復洗滌2～3次，得到玉米秸稈纖維素置于通風櫥內，待乙醇揮發后放入烘箱60℃烘干，并存放于干燥器內備用。

1.2.3 玉米秸稈纖維素的理化性質

玉米秸稈纖維素的理化性質見表1。

表1 玉米秸稈纖維素的理化性質Tab.1 The physical and chemical properties of corn straw cellulose

1.2.4 模擬魚露原液的配制

在魚露釀造過程中，重金屬的脫除往往選擇在魚露產品發酵后至復配調味前這一階段，此時原料既含有魚露所需的所有營養成分，又排除添加劑所造成的影響。因此本試驗所用溶液采取模擬魚露原液進行。根據資料查得魚露發酵原液中NaCl含量為90 mg/mL、多肽為4 mg/mL，谷氨酸為2 mg/mL。試驗所需鉛離子溶液由濃度為1 000 mg/L的硝酸鉛母液配制。

1.2.5 吸附試驗

準確移取50 mL模擬魚露原液至100 mL錐形瓶中，用0.01～0.1 mol/L硝酸溶液和氫氧化鈉溶液調節模擬魚露原液的初始pH為2～6之間，加入一定量的玉米秸稈纖維素，在30℃，150 r/min下恒溫水浴震蕩吸附一定時間后，4 000 r/min離心10 min取出，留上清液原子吸收光譜法檢測。

吸附前后的濃度由原子吸收光譜法檢測得到，玉米秸稈纖維素在吸附平衡時的吸附量qe（mg/g）通過下面的公式（1）計算：

在研究吸附動力學時，玉米秸稈纖維素在某個時間點的吸附量qt（mg/g）通過公式（2）進行計算

鉛離子的脫除率R計算公式（3）

C0鉛離子初始濃度；Ct吸附某時間點時鉛離子濃度；V溶液體積；m吸附劑質量。

1.2.6 吸附-解吸實驗

準確移取50 mL，0.1 mol/L鹽酸加入到錐形瓶中，加入0.25 g已在上述溶液中完成吸附的吸附劑，在303.2 K，150 r/min下恒溫水浴震蕩4 h，4 000 r/min離心后取上清液測試其濃度。吸附劑用水洗滌烘干后，循環使用5次。解吸量及解析率可由公式（4）和公式（5）計算得出。

2 結果與討論

2.1 溶液pH值對鉛離子脫除率的影響

分別測定秸稈纖維素吸附劑在pH值為2、3、4、5、6時的zeta電位。取鉛離子濃度為10 mg/L的模擬魚露液50 mL，調節 pH 值為 2、3、4、5、6 五個水平，并分別加入玉米秸稈纖維素0.25 g混合均勻，置于30℃，150 r/min水浴振蕩器中吸附240 min，并以4 000 r/min離心10 min后取上清液，原子吸收分光光度計測定剩余鉛離子濃度，結果如圖1。

從圖1可以看出，隨著pH的增加，吸附劑對模擬魚露原液中鉛離子的脫除率從47.78%±1.56%增加到93.99%±2.05%，同時zeta電位值從2.34降到-35.9。Zeta電位值可用來表征纖維素吸附劑表面的電荷，可以看出纖維素吸附劑表面在酸性條件下均帶負電荷，并且電位值隨pH值增加而變負，對鉛離子的脫除率越高。由于鉛離子只能在酸溶液中存在，在中性及堿溶液中會生成沉淀，所以當模擬魚露原液pH值控制為6時吸附率最高。

圖1 pH對zeta電位及吸附鉛離子的影響Fig.1 Effect of pH on the Pb（II）adsorption and zeta potential

2.2 吸附時間對鉛離子脫除的影響

選取吸附時間分別為 10、20、30、40、50、60、90、120、240、480、720 min，并移取濃度為 10 mg/L 的模擬魚露原液50 mL于錐形瓶中，調至以上實驗得到的最佳pH值，各加入0.25 g吸附材料混合均勻，置于30℃，150 r/min的水浴振蕩器中進行吸附。吸附后以4 000 r/min離心10 min，取上清液測定溶液中剩余鉛離子濃度，結果如圖2。

從圖2可以看出，在吸附開始的10～120 min，纖維素吸附劑對鉛離子的吸附量隨時間的增加而迅速增加。因為在開始120 min時間之內，溶液中鉛離子向纖維素表面擴散的速度很快，隨著吸附時間的增加，吸附劑表面的吸附位點逐漸減少至飽和，吸附速度變慢。在最后120～720 min內，吸附趨于平衡，吸附量增加變化不大。因此，本實驗研究鉛離子的吸附動力學實驗的吸附時間為240 min。

2.3 吸附劑的用量對鉛離子脫除的影響

分別移取pH 6，濃度為10 mg/L的模擬魚露原液50 mL 于錐形瓶中，稱取吸附劑 0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 g分別加入錐形瓶中，于30℃，150 r/min條件下在水浴振蕩器中吸附240 min，吸附后以4 000 r/min離心10 min，取上清液用原子吸收分光光度計測定剩余鉛離子濃度，結果如圖3。

從圖3可以看出，隨著吸附劑用量的增加，吸附量減少，而溶液中鉛離子的脫除率增加，加入的吸附劑越多，吸附效率越高。

2.4 初始濃度對鉛離子脫除的影響

配制一系列鉛離子濃度為 1、2、4、6、8、10 mg/L 的模擬魚露原液，并調節pH值為6，分別移取不同濃度模擬液50 mL于100 mL錐形瓶中，加入0.25 g吸附劑，在30℃，150 r/min下震蕩吸附240 min后，以4 000 r/min離心10 min，取上清液用原子分光光度計測定剩余鉛離子濃度，結果如圖4。

從圖4可以看出，鉛離子的脫除率隨著初始濃度上升而增高，當鉛離子濃度達到6 mg/L時，吸附率達到最大，而吸附量則與濃度呈正比關系，當濃度上升時，吸附量也隨之增加。

2.5 魚露中各呈味物質對鉛離子吸附的影響

2.5.1 NaCl對吸附容量影響

配制pH 6，鉛離子濃度為10 mg/L，多肽濃度為4 mg/mL，谷氨酸濃度為2 mg/mL的一系列含NaCl模擬魚露原液，將 NaCl濃度分別調為 0、10、30、60、90、120 mg/mL，各移取50 mL溶液加入0.25 g吸附劑，混合均勻后置于30℃，150 r/min水浴振蕩器中吸附240 min，以4 000 r/min離心10 min后取上清液用原子分光光度計測量剩余鉛離子濃度，結果如圖5。

從圖5可以看出，NaCl對鉛離子脫除率的影響較大，NaCl濃度越高，溶液中鉛離子的脫除率越低。在溶液中僅有氨基酸和多肽，沒有氯化鈉存在時，鉛離子的脫除率可達98.24%±1.39%。這可能是因為同為金屬陽離子，鈉離子會與鉛離子競爭有效的吸附位點。由此可得高鹽度的模擬魚露原液中的鈉離子對鉛離子的脫除有較大的影響作用，低鹽度更利于重金屬的脫除。

圖2 吸附時間對玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的影響Fig.2 Effect of contact time on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

圖3 吸附劑用量對玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的影響Fig.3 Effect of adsorbent dosage on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

圖4 鉛離子初始濃度對玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的影響Fig.4 Effect of initial concentration on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

圖5 氯化鈉對玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的影響Fig.5 Effect of sodium chloride on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.5.2 氨基酸對吸附容量的影響

配制pH 6，鉛離子濃度為10 mg/mL，NaCl濃度為90 mg/mL，多肽含量為4 mg/mL的一系列含谷氨酸的模擬魚露原液，調節谷氨酸濃度為 0、0.5、1、1.5、2、2.5 mg/mL。分別移取50 mL上述酶解液于100 mL錐形瓶中，加入0.25 g吸附劑混勻，置于30℃，150 r/min水浴振蕩器中吸附240 min后，以4 000 r/min離心10 min取上清液，用原子吸收分光光度計檢測剩余鉛離子濃度，結果如圖6。

由于谷氨酸為魚露中重要呈鮮味氨基酸，所以在魚露中谷氨酸含量較高。由圖可以看出，在谷氨酸濃度由0 mg/mL增加至1 mg/mL時，脫除率呈增大趨勢，隨后隨著谷氨酸濃度增加，溶液中鉛離子的脫除率有所下降，在谷氨酸為1.5 mg/mL時，脫除率最小。所以，谷氨酸含量較低時可能比較有利于吸附。

圖6 谷氨酸對玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的影響Fig.6 Effect of L-glutamic acid on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.5.3 多肽對吸附容量的影響

配制pH 6，鉛離子濃度為10 mg/mL，NaCl濃度為90 mg/mL，谷氨酸濃度為2 mg/mL的一系列模擬魚露原液，調節多肽濃度為 0、2、3、4、5、6 mg/mL。分別吸取上述溶液 50 mL于100 mL容量瓶中，加入0.25 g吸附劑搖勻，置于30℃、150 r/min水浴振蕩器中吸附240 min后，以4 000 r/min離心10 min，取上清液用原子吸收分光光度計測量剩余鉛離子濃度，結果如圖7。

從圖7可以看出，多肽對鉛離子脫除也有較大的影響，在0～4 mg/mL時，隨著多肽濃度增加，溶液中鉛離子的脫除率有所提高，但大于4 mg/mL時，隨著多肽濃度增加，鉛離子的脫除率開始下降。因此，多肽在較低和較高濃度時對鉛離子的脫除有較大抑制作用。

圖7 多肽對鉛離子脫除的影響Fig.7 Effect of peptide on the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

2.6 吸附動力學實驗

通過準一級動力學模型（圖8），準二級動力學模型（圖9）對纖維素吸附劑吸附鉛離子的動力學曲線數據進行擬合，擬合方程見（6）和（7），擬合所得參數見表2。

圖8 纖維素吸附劑吸附鉛離子的準一級動力學線性擬合Fig.8 Pseudo-first order model for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

圖9 纖維素吸附劑吸附鉛離子的準二級動力學線性擬合Fig.9 Pseudo-second order model for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表2 纖維素吸附劑吸附Pb2+動力學模型參數Tab.2 Parameters of pseudo-first-and pseudo-second-order kinetics models for the adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

由擬合參數可以看出，纖維素吸附劑吸附模擬魚露原液中鉛離子用準二級動力學模型擬合所得的相關系數高于用準一級動力學模型擬合得到的相關系數，實驗得到的平衡吸附量也與準二級動力學模型計算的平衡吸附量較接近，因此纖維素吸附劑對鉛離子的吸附數據用準二級動力學模型擬合更為適宜。

2.7 吸附等溫線實驗

利用常用的Langmuir（圖10）和Freundlich（圖11）吸附等溫線方程對纖維素吸附模擬魚露原液中Pb2+進行擬合，擬合結果通過公式（8）和（9）計算得到，結果見表3、表4。

圖10 Langmuir等溫吸附Fig.10 Langmuir isotherm models for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

圖11 Freundlich等溫吸附Fig.11 Freundlich isotherm models for adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表3 纖維素吸附劑吸附鉛離子的等溫線模型參數Tab.3 Parameters of the Langmuir and Freundlich models for the adsorption of Pb（II）on corn straw cellulose

表4 基于Langmuir等溫吸附的RL值Tab.4 RLvalues of Pb（II）adsorption onto corn straw cellulose based on the Langmuir model

由表3中的相關系數，可得出纖維素吸附劑的兩種等溫線方程擬合效果相比之下，Langmuir等溫線方程的相關系數較高，擬合效果較好，說明纖維素吸附材料對模擬魚露原液中鉛離子的吸附過程較好符合Langmuir等溫線方程所描述的規律，證實了秸稈纖維素吸附劑反應主要以單分子層吸附為主，吸附過程是均勻的表面吸附，即一個吸附活性位點僅與一個重金屬離子結合，被吸附的重金屬離子之間不存在相互影響。方程擬合得到的b均為正值，說明纖維素吸附劑對溶液中鉛離子的理論飽和吸附量大于實際中所測得吸附量。303.2 K下得到的RL值在0～1之間（表4），說明此吸附過程為有利吸附，RL的值隨初始濃度的增加而減小，說明吸附反應在高濃度下更有利。由Freundlich方程擬合得到的n值在1～10之間，可以考慮此纖維素作為良好的吸附劑。

2.8 熱力學研究

研究Pb2+的初始濃度在5～50 mg/L條件下，在293.2、298.2、303.2、313.2 K 4個不同溫度條件下溫度的對實驗的影響，結果見表5。熱力學參數可用公式（10）計算：

表5 玉米秸稈纖維素吸附鉛離子的熱力學參數Tab.5 Theromodynamic paramenters for the adsorption of Pb（II）onto corn straw cellulose

ΔG為負值表明吸附劑對鉛離子的吸附是自發進行的。由表5可知ΔG的大小隨著溫度的增加而變小，說明溫度升高更利于吸附實驗自發的進行。ΔH均為正數，證明此實驗是一個吸熱反應。ΔS為正值，表明纖維素對于模擬模擬魚露原液中鉛離子的吸附具有隨意性。

2.9 吸附-解吸實驗

從圖12可以看出，解吸過程并不能把吸附劑表面的鉛離子完全解吸，所以纖維素吸附劑在循環使用過程中與重金屬離子結合的有效位點會逐次減少，因而隨著循環次數增加，吸附容量與解吸容量均呈下降趨勢。但是在循環利用5次以后解吸率仍能達到90.98%。說明此吸附劑具有較好的循環使用能力。

2.10 吸附劑吸附前與吸附后的傅立葉紅外分析

通過FI-IR可得（圖13），對比吸附劑在吸附前與吸附后在3 330 cm-1處的峰，可以看出吸附劑在吸附重金屬后在3 300 cm-1處峰的強度有著明顯的減弱，表明在吸附過程中，羥基應該是一個對Pb2+的吸附起重要作用的官能團。

圖12 玉米秸稈纖維素對Pb2+的吸附-解吸再生實驗Fig.12 Repeated adsorption studies of corn straw cellulose for Pb2+

圖13 玉米秸稈纖維素（A）和吸附鉛離子后（B）的傅立葉變換紅外光譜圖Fig.13 FI-IR spectra of corn straw cellulose （A）and Pb（II）loaded corn straw cellulose （B）

3 結論

玉米秸稈纖維素對模擬魚露原液中鉛離子有著較好的脫除作用。在30℃，pH值為6，初始濃度為6 mg/mL時，用0.25 g玉米秸稈纖維素處理Pb2+為6 mg/L的模擬魚露原液（NaCl 90 mg/mL、多肽4 mg/mL，谷氨酸2 mg/mL）50 mL，吸附240 min基本達到吸附平衡，秸稈纖維素的最大吸附量達到92.85 mg/g。結果表明模擬魚露原液中呈味劑與鉛離子之間存在吸附競爭，呈味劑濃度越高，鉛離子的吸附效果越差。研究結果可為魚露中殘留鉛離子的脫除提供經濟便利的工藝。

[1]陳瑜珠,陶紅麗,曾慶孝,等.利用羅非魚加工下腳料發酵魚露的研究[J].現代食品科技,2008,24（5）:441-443.

[2]ZENG Xiangcheng,LI Jian,ZHENG Huibin,et al.Determination of Trace Lead in Fish Sauces by ID-ICP-MS After Mg（OH）2Coprecipitation[J].Journal of Aquatic Food Product Technology,2013,22（6）:584-594.

[3]SEN I,SHANDIL A,SHRIVASTAVA V S.Study for Determination of Heavy Metals in Fish Species of the River Yamuna（Delhi）by Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy（ICP-OES）[J].Advances in Applied Science Research,2011,2（2）:161-166.

[4]SQUADRONE S,PREARO M,GAVONELLI S,et al.Heavy metals in Mugil cephalus（Mugilidae）from the Ligurian Sea （North-West Mediterranean,Italy）[J].Food Additives&Contaminants:Part B,2013,6（2）:134-138.

[5]傅亞平,吳衛國.食品中重金屬檢測與脫除技術研究進展[J].食品與機械,2015,31（2）:252-256.

[6]LI Xiaoming,ZHENG Wei,WANG Dongbo,et al.Removal of Pb （II）from aqueous solutions by adsorption onto modified areca waste:Kinetic and thermodynamic studies[J].Desalination,2010,258（1/3）:148-153.

[7]BOPARAI HARDILJEET K,JOSEPH MEERA,O’CARROLL DENIS M.Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles[J].Journal of hazardous materials,2011,186（1）:458-465.

[8]張麗娜,解萬翠,楊錫洪,等.微生物法脫除重金屬技術的研究進展[J].食品工業科技,2015,36（24）:356-359.

[9]任丹丹,李佰磊,王添嬌,等.D401樹脂脫除扇貝廢棄物酶解液重金屬的研究[J].食品工業科技,2013,34（17）:139-141.

[10]OUYANG Xiaokun,YANG Leping,WEN Zhengshun.Adsorption of Pb（Ⅱ）from marine protein hydrolysate stimulant onto peanut shell[J].Bioresources,2014,9（2）:2 446-2 458.

[11]FU Dan,ZHANG Yihe,LYU Fengzhu,et al.Removal of organic materials from TNT red water by Bamboo Charcoal adsorption[J].Chemical Engineering Journal,2012,193（194）:39-49.

[12]KILI? MURAT,KIRBIYIL CISEM,?EPELIOGˇULLAR OZGE,et al.Adsorption of heavy metal ions from aqueous solutions by bio-char,a by-product of pyrolysis[J].Applied Surface Science,2013,283:856-862.

[13]LO Shengfong,WANG Songyung,TSAI Mingjer,et al.Adsorption capacity and removal efficiency of heavy metal ions by Moso and Ma bamboo activated carbons[J].Chemical Engineering Research and Design,2012,90（9）:1 397-1 406.

[14]楊樂萍,歐陽小琨,楊立業,等.竹木質纖維素吸附水溶液中鉛離子的研究[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,2014,33（1）:97-100.

[15]鄭羽麗,吳 強,陳小娥,等.凹凸棒土負載殼聚糖吸附劑對魚油中重金屬離子吸附條件研究[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,2012,31（5）:409-413.

[16]CHAKRAVAYRTY S,MOHANTY A,SUDHA T N,et al.Removal of Pb（II）ions from aqueous solution by adsorption using bael leaves （Aegle marmelos）[J].Journal of hazardous materials,2010,173（1）:502-509.

[17]HAN Lirong,FENG Juntao,ZHANG Shuangxi,et al.Alkali pretreated of wheat straw and its enzymatic hydrolysis[J].Brazilian Journal of Microbiology,2012,43（1）:53-61.

[18]李春光,王彥秋,李 寧,等.玉米秸稈纖維素提取及半纖維素與木質素脫除工藝探討[J].中國農學通報,2011,27（1）:199-202.

[19]WANG Xuejiang,LIANG Xia,WANG Yin,et al.Adsorption of Copper （II）onto activated carbons from sewage sludge by microwave-induced phosphoric acid and zinc chloride activation[J].Desalination,2011,278（1/3）:231-237.

[20]鄭明霞,李來慶,鄭明月,等.堿處理對玉米秸稈纖維素結構的影響[J].環境科學與技術,2012,35（6）:27-31.

[21]MUI E L K，CHEUNG W H，VALIX M,et al.Dye adsorption onto char from bamboo[J].Journal of hazardous materials,2010,177（1）:1 001-1 005.

[22]王立華,王永利,趙曉勝,等.秸稈纖維素提取方法比較研究[J].中國農學通報,2013,29（20）:130-134.

[23]李丹丹,周 杰,劉文紅.響應面優化玉米秸稈纖維素提取工藝[J].安徽農業科學,2011,39（30）:18 781-18 783.