水溶性大豆多糖體外吸附Pb2+的研究

田月月， 胡沁蕊， 孔祥珍， 張彩猛， 華欲飛

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫214122）

近年來，膳食纖維、多糖及其衍生物因吸附效果良好，天然可再生，可生物降解等優(yōu)點(diǎn)廣泛用作重金屬吸附劑。可溶性大豆多糖（SSPS）是一種從豆渣中提取出來的膳食纖維，是一種帶負(fù)電荷的酸性多糖。SSPS主鏈由聚鼠李糖半乳糖醛酸（RG）長鏈和聚半乳糖醛酸（GN）短鏈組成，與果膠結(jié)構(gòu)類似[3-4]。眾多體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明果膠是一種非常好的重金屬吸附劑[1-6]。因此，作者以大豆多糖為吸附劑，研究其體外吸附Pb2+的規(guī)律性質(zhì)并進(jìn)一步探究吸附機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

可溶性大豆多糖（SSPS）：日本不二制油株式會社產(chǎn)品；超濾離心管：美國PALL公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水：Millipore超純水。

AA-240FS原子吸收分光光度計(jì)：美國Aglient公司產(chǎn)品；pH計(jì)：梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)品；TGL-16B高速臺式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 批量吸附實(shí)驗(yàn)步驟 準(zhǔn)確配制1 000 mg/L的Pb（NO3）2標(biāo)準(zhǔn)儲備液，實(shí)驗(yàn)時用超純水將標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋至所需濃度。在250 mL的錐形瓶中加入100 mL一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)Pb2+溶液和干物質(zhì)含量為0.05 g的大豆多糖，混勻后用0.01 mol/L的NaOH和0.01 mol/L的HNO3調(diào)節(jié)pH至 5.5。將樣液置于恒溫水浴振蕩器（37℃，130 r/min）中震蕩。平衡2 h后取樣5 mL，置于超濾離心管中4 000 r/min離心30 min。上清液游離的Pb2+濃度用原子吸收分光光度計(jì)測量[7]。樣品空白以等量不添加SSPS的Pb2+水溶液設(shè)置，其他操作同上，以扣除錐形瓶、超濾管所帶來的Pb2+濃度損失。試劑空白以等量不添加Pb2+的SSPS水溶液設(shè)置，以扣除SSPS水溶液本身對原子吸收吸光值造成的影響。

1.2.2 pH對大豆多糖吸附Pb2+的影響 吸附實(shí)驗(yàn)Pb2+初始添加質(zhì)量濃度為50 mg/L，大豆多糖初始質(zhì)量濃度為0.5 g/L，調(diào)整pH 2～6，37℃，130 r/min平衡2 h，考察pH對吸附造成的影響。

1.2.3 吸附動力學(xué) 考察反應(yīng)時間對吸附的影響。Pb2+初始質(zhì)量濃度分別為 25，50，100 mg/L， 大豆多糖初始質(zhì)量濃度為0.5 g/L，調(diào)pH 5.5，37℃，130 r/min 水浴搖床震蕩，吸附 5、10、20、40、60、80、120min時分別取樣5 mL，于超濾管中離心取上清測游離Pb2+濃度。

1.2.4 等溫吸附 考察Pb2+濃度對吸附的影響。SSPS質(zhì)量濃度為0.5 g/L，改變Pb2+的初始質(zhì)量濃度（1、2.5、5、10、25、40、50、60、80、100 mg/L），其他反應(yīng)條件不變，所得數(shù)據(jù)用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程來描述金屬離子在吸附劑表面的吸附行為[7-8]。

1.2.5 微量元素對SSPS吸附Pb2+的影響 考察微量元素對大豆多糖吸附Pb2+的影響以及SSPS的選擇性吸附能力。重金屬離子Pb2+和人體必需微量元素（Ca2+，Mg2+，Zn2+，Cu2+）具有化學(xué)相似性，都可以被膳食纖維吸附。100 mL雙溶質(zhì)反應(yīng)體系中Pb2+與人體必需微量元素以質(zhì)量比1∶1比例混合均勻，調(diào)pH 5.5，37℃，水浴搖床130 r/min震蕩 2 h，超濾離心后測上清，以只添加Pb2+的反應(yīng)溶液做空白對照。

1.2.6 Zn2+或Mg2+與重金屬離子爭奪大豆多糖吸附基團(tuán)的互作效應(yīng) 100 mL反應(yīng)溶液中，Zn2+或Mg2+質(zhì)量濃度為50 mg/L，SSPS質(zhì)量濃度為0.5 g/L。37℃平衡2 h后取樣5mL，超濾離心后取上清分別測Zn2+或Mg2+質(zhì)量濃度，計(jì)算Zn2+或Mg2+吸附量。 向取樣后的反應(yīng)溶液中加入一定量重金屬鹽（Pb2+，Cd2+，Cu2+）和超純水，溶液體積保持100 mL不變，重金屬質(zhì)量濃度達(dá)50 mg/L。37℃平衡2 h，超濾離心后測上清Zn2+或Mg2+的質(zhì)量濃度，計(jì)算Zn2+或Mg2+吸附量的變化情況。

其次改變Zn2+、Mg2+與重金屬的添加順序，通過計(jì)算添加礦物質(zhì)離子 （Zn2+、Mg2+）前后重金屬離子（Pb2+，Cd2+，Cu2+）吸附量的變化情況，來考察Zn2+和Mg2+對重金屬離子置換情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測定3次，用Original 8.0和Excel2010軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖表和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對大豆多糖吸附Pb2+影響

pH由2.0增大到6.0時，單位大豆多糖吸附Pb2+量不斷增大。如圖1所示，pH 2.0時吸附量接近0，pH 4.0吸附量開始顯著增加，pH 5.5以后吸附量保持穩(wěn)定。pH從2.5升到5.5，單位大豆多糖對Pb2+的吸附量增加了85.66 mg/g。pH值大于6時Pb2+會生成Pb（OH）2沉淀，因此適宜吸附的pH范圍為4～6。

膳食纖維吸附重金屬過程中，羧基的解離狀況對其影響很大[9]。當(dāng)pH值升高時，SSPS羧基上的質(zhì)子解離增多，其吸附Pb2+量增大。且隨著pH的升高，Pb2+易形成不穩(wěn)定的水合物和聚合物，如Pb（OH）+，Pb（OH）2，[Pb3（OH）5]+和[Pb4（OH）4]4+[7]。 相比Pb2+，這些水合物更易與大豆多糖結(jié)合，從而使吸附量增加。體外模擬小腸消化（pH 5.5～pH 7.5），采用不同pH值測得的生物有效性數(shù)值差別較大，pH值越小，金屬離子的生物有效性越大[10]。因此選用pH 5.5模擬人體腸道環(huán)境，進(jìn)一步探究大豆多糖吸附Pb2+的規(guī)律性質(zhì)。

圖1 pH變化對SSPS吸附Pb2+的影響Fig.1 Effect of pH on lead binding by SSPS

2.2 吸附動力學(xué)

圖2表示的是反應(yīng)時間對Pb2+吸附量的影響。Pb2+初始質(zhì)量濃度較低（25 mg/L和 50 mg/L）時，吸附較快，20 min左右吸附便達(dá)到平衡。隨著初始質(zhì)量濃度的增加（100 mg/L），到達(dá)平衡所需的時間增加，40 min左右基本達(dá)到平衡。

圖2 大豆多糖吸附Pb2+的動力學(xué)曲線Fig.2 Kinetic curves for lead binding by SSPS

為探究吸附效率，分別用準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)方程對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合（表1）。由相關(guān)系數(shù)R1和R2可得，初始 Pb2+質(zhì)量濃度較低（25 mg/L和50 mg/L）時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程。準(zhǔn)一級動力學(xué)方程是離子交換模型[11]，紅外光譜的分析[12]表明：膳食纖維在與礦物質(zhì)形成吸附物的過程中，膳食纖維中的羧基基團(tuán)參與了成鍵作用，因此推測低濃度下大豆多糖鏈上的羧基與Pb2+發(fā)生了離子交換。

Pb2+初始質(zhì)量濃度為100 mg/L時更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，R22（0.967）＞R12（0.899），二級方程是化學(xué)反應(yīng)模型，反應(yīng)過程與價力（電子的配對或轉(zhuǎn)移）有關(guān)，故SSPS吸附高質(zhì)量濃度Pb2+的過程是離子配位過程。大豆多糖提取過程中糖鏈上會有殘留的蛋白質(zhì)，推測高濃度下Pb2+與大豆多糖上殘留的氨基酸發(fā)生了電子配對或轉(zhuǎn)移[7]。

2.3 等溫吸附

分別用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，擬合曲線如圖3所示。初始Pb2+質(zhì)量濃度從5 mg/L變化到100 mg/L，單位大豆多糖的吸附量增加了114.29 mg/g，吸附曲線最終趨于平衡。實(shí)驗(yàn)測得的平衡吸附量為121.60 mg/g，與Langmuir模型擬合所得數(shù)據(jù)129.02 mg/g相近。由圖3可得大豆多糖吸附Pb2+的行為符合Langmuir等溫吸附模型。Langmuir模型是單層吸附模型，即Pb2+與大豆多糖表面有限數(shù)量的吸附位點(diǎn)結(jié)合形成單分子層，所有的吸附位點(diǎn)對Pb2+的作用相近[13]。

表1 大豆多糖吸附Pb2+的動力學(xué)參數(shù)Table 1 Isotherm parameters for lead bindingby SSPS

2.4 有益微量元素和重金屬離子的競爭性吸附

治療重金屬中毒時服用螯合劑有時會造成有益微量元素（Cu2+，Zn2+，Ca2+，Mg2+等）的損失[14]。這種負(fù)作用可以通過適當(dāng)補(bǔ)充微量元素來預(yù)防。然而，吸附劑與微量元素的結(jié)合可能會影響吸附劑對目標(biāo)金屬（重金屬）的吸附。因此，設(shè)置雙溶質(zhì)體系探究人體必需微量元素對SSPS吸附Pb2+的影響，以此來評估SSPS對金屬元素的選擇性。

圖3 pH 5.5大豆多糖吸附鉛離子的等溫吸附曲線Fig.3 Binding isotherms for lead binding by SSPS at pH 5.5

如圖4可知，當(dāng)Pb2+和微量元素的初始質(zhì)量濃度均為5 mg/L時，微量元素對大豆多糖吸附Pb2+幾乎沒有任何影響。當(dāng)雙溶質(zhì)反應(yīng)液中Pb2+和微量元素初始質(zhì)量濃度均上升至25 mg/L和50 mg/L時，相比未加微量元素的空白組，加Cu2+后大豆多糖對Pb2+的結(jié)合量分別下降了5.63%和28.33%，加Ca2+后下降了3.55%和12.74%，加Zn2+后下降了2.94%和8.08%，加Mg2+后下降了3.15%和9.51%。所以在25 mg/L和50 mg/L的質(zhì)量濃度下，微量元素會和Pb2+存在不同程度的競爭性吸附，使大豆多糖可吸附的Pb2+含量降低，其中以Cu2+的干擾性最強(qiáng)，Zn2+和Mg2+影響微弱（＜10%）。Cu2+是一種非常特殊的微量元素，它在高濃度下有毒，屬于重金屬離子的同時又屬于人體必需元素[15]。Cu2+對SSPS吸附Pb2+干擾性最大，一方面Cu2+本身電負(fù)性（1.90）較大，電負(fù)性越大，越容易與SSPS的吸附基團(tuán)結(jié)合。另一方面pH 5.5下Cu2+容易形成不穩(wěn)定的水合物 （如Cu（OH）+，Cu（OH）2+），相較 Cu2+，這些水合物更容易與SSPS的吸附基團(tuán)結(jié)合。因此，相較其他微量元素，Cu2+對SSPS吸附Pb2+干擾性最強(qiáng)。

當(dāng)初始質(zhì)量濃度上升至100 mg/L時，添加同等質(zhì)量濃度的Zn2+和Mg2+后，相較空白組，大豆多糖對Pb2+的吸附量不降反增，分別增加了7.69%和4.11%。盡管添加Ca2+和Cu2+后，大豆多糖對鉛的吸附量分別下降了10.94%和18.53%，但其下降比率低于初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時的下降比率（12.74%和28.33%）。F.Y.SIAO等人研究人體必需元素對γ-PGA吸附Pb2+的影響時也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，其解釋是當(dāng)反應(yīng)體系中礦物質(zhì)離子達(dá)到一定濃度時會改變γ-PGA（一種高分子化合物）的構(gòu)象，使更多的吸附基團(tuán)暴露，單位γ-PGA可吸附Pb2+量增加[7]。因此推測當(dāng)溶液中Zn2+和Mg2+的濃度達(dá)到100 mg/L時，改變了大豆多糖的構(gòu)象，促使更多的吸附基團(tuán)暴露，從而使單位SSPS可吸附pb2+量不降反增。由此可得，Zn2+和Mg2+不會對SSPS吸附目標(biāo)金屬離子（Pb2+）造成明顯干擾，SSPS對Pb2+的選擇性很高。

圖4 人體必需元素對SSPS吸附Pb2+的影響Fig.4 Effect of essential metals on lead binding by SSPS

Zn2+和Mg2+是人體內(nèi)必不可少的微量元素，研究 Mg2+，Zn2+與重金屬（Pb2+，Cd2+，Cu2+）爭奪大豆多糖吸附位點(diǎn)的能力。結(jié)果表明，Zn2+和Mg2+置換重金屬離子的能力很弱，如加入Zn2+和Mg2+后Pb2+的釋放率分別只有3.39%和3.18%。

反應(yīng)體系加入重金屬后，Zn2+釋放率均超過50%，即各重金屬離子置換被大豆多糖束縛的Zn2+能力相對較強(qiáng)。Mg2+的平衡吸附量很低，故加入重金屬后釋放率相對較低，但仍高于加入Mg2+后體系中重金屬的釋放率（＜6%）。由此可得，大豆多糖對重金屬（Pb2+，Cd2+，Cu2+）的束縛能力高于 Zn2+和 Mg2+。 結(jié)合2.4研究結(jié)論，可知大豆多糖對Pb2+的選擇性要高于Zn2+和Mg2+，其在生物體內(nèi)清除有害重金屬離子（Pb2+）的同時可避免有益微量元素Zn2+和Mg2+的過度損失。

3 結(jié) 語

水溶性大豆多糖（SSPS）可以有效吸附水溶液中的Pb2+。大豆多糖吸附Pb2+的量隨著pH的升高而增加，最適吸附范圍為 pH 4～6。 pH 5.5，初始Pb2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時，單位SSPS最大Pb2+吸附量可達(dá)88.54 mg/g。

動力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)表明，Pb2+初始質(zhì)量濃度為25 mg/L和50 mg/L時符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程，Pb2+初始濃度為100 mg/L時符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程。等溫吸附結(jié)果符合Langmuir模型，推測大豆多糖分子鏈的羧基是與Pb2+發(fā)生單層吸附的主要基團(tuán)。

體外實(shí)驗(yàn)表明，大豆多糖對Pb2+等重金屬的束縛能力高于Zn2+和Mg2+等人體有益金屬元素，其在清除有害重金屬離子（Pb2+）的同時可避免有益微量元素Zn2+和Mg2+的損失，是一種安全的吸附劑。作為一種Pb2+螯合劑，大豆多糖體內(nèi)吸附Pb2+的功效有待進(jìn)一步研究。

[1]JIN Wenda，LEI Yi，CHEN Feng.The toxicity studies of lead on the kidney[J].Practical Preventive Medicine，2007，14（2）：597-600.（in Chinese）

[2]FOULKES E C.Transport of toxic heavy metals across cell membranes[J].Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine，2000，223（3）：234-240.

[3]NAKAMURA A，F(xiàn)URUTA H，MAEDA H，et al.Analysis of structural components and molecular construction of soybean soluble polysaccharides by stepwise enzymatic degradation[J].Bioscience Biotechnology and Biochemistry，2001，65（10）：2249-2258.

[4]XUE Changhu，ZHANG Yongqin，LI Zhaojie，et al.Recent development of pectin and pectolyticenzyme[J].Journal of Food Science and Biotechnology，2005，24（6）：94-99.（in Chinese）

[5]MAXIM K，VALERI K，YURI K.Equilibrium studies of sorption of lead（II） ions by different pectin compounds[J].Journal of Hazardous Materials，2007，149（3）：693-699.

[6]TAHIRI M，PELLERIN P，TRESSOL J C，et al.The rhamnogalacturonan-II dimer decreases intestinal absorption and tissue accumulation of lead in rats[J].Journal of Nutrition，2000，130（2）：249-253.

[7]SIAOiao F Y，LU J F，WANG J S，et al.In vitro binding of heavy metals by an edible biopolymer Poly （γ-glutamicacid）[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2009，57（2）：777-84.

[8]ZHOU Hongying，LI Na，WANG Xuesong，et al.Study on the mechanism of Pb（Ⅱ） and Cu（Ⅱ） biosorption by two brown alga[J].Journal of Food Science and Biotechnology，2012，31（1）：47-54.（in Chinese）

[9]YANG Xianqing，LI Laihao，QI Bo.Adsorption of Cd2+、Pb2+、Hg2+by dietary fibres from four seaweeds[J].Journal of Fishery Sciences of China，2007，14（1）：132-138.（in Chinese）

[10]ZHANG Dongping，YU Yingxin，ZHANG Fan，et al.The research of environmental pollutants on the determination of biological effectiveness in the simulate gastrointestinal tract[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（21）：2537-2545.（in Chinese）

[11]YESUDOSS C R，BASKARAN S I，HUEI C B.In vitro adsorption of aluminum by an edible biopolymer poly （γ-glutamic acid）[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014，62：4803-4811.

[12]WANG Zhongde，WANG Yunxiang，SONG Shilian，et al.Studies of complexes of Fe （Ⅱ）、Zn （Ⅱ）、Mg （Ⅱ）and dietary fiber extracted from soybean and barleyby infrared spectrogram[J].Food and Fermentation industries，1994，（1）.（in Chinese）

[13]NIU C M，WU W H，WANG Z，et al.Adsorption of heavy metal ions from aqueous solution by crosslinked carboxymethyl konjac glucomannan[J].Journal of Hazardous Materials，2007（141）：209-214.

[14]OU S，GAO K，LI Y.An in vitro study of wheat bran binding capacity for Hg，Cd，and Pb[J].Journal of Agricultural and Foodchemistry，1999，47（11）：4714-4717.