大孔樹脂對青魚魚糜漂洗水的吸附熱力學(xué)研究

張欣，丁保淼，江洪波

（長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北荊州434025）

魚糜漂洗水含有豐富的營養(yǎng)尤其是蛋白質(zhì)成分，直接排放不僅降低了蛋白質(zhì)資源的利用率，而且增加了污水處理的負擔(dān)，回收的蛋白質(zhì)可以用作飼料，同時也可以用于生產(chǎn)魚糜和其他食品[1-6]。有關(guān)魚糜漂洗水的回收，目前有調(diào)節(jié)法和絮凝法，但是在實際生產(chǎn)過程中，沒有一種最優(yōu)方法能兼?zhèn)涠喾N優(yōu)點[2]。大孔吸附樹脂有廣泛的應(yīng)用前景，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型有機高聚物吸附劑[7-11]。本試驗研究大孔吸附樹脂對青魚魚糜漂洗水中可溶性蛋白的吸附率，以魚糜漂洗水的吸附熱力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，利用Freundlich吸附等溫方程進行擬合，從物理學(xué)角度探討了樹脂的吸附機理，并確定大孔樹脂對魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)的吸附方式。旨在為魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)的回收及再利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

青魚：市售；濃鹽酸、無水乙醇、磷酸、氫氧化鈉、考馬斯亮藍、牛血清蛋白（以上均為分析純）：武漢市天佑恒豐科技有限公司；大孔樹脂（X-5、HP20、D3520、D101）：上海源葉生物科技有限公司。

1.1.2 設(shè)備與儀器

PL303電子分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；IKA T25高速均質(zhì)機：德國IKA公司；X-30R貝克曼離心機：哈爾濱東聯(lián)電子開發(fā)有限公司；恒溫磁力攪拌水浴鍋：上海喬躍電子有限公司；METTLER TELEDO PH計：梅特勒托利多儀器有限公司；S101-3電熱鼓風(fēng)干燥箱：美國Scientific Industries公司；UV-2450紫外可見分光光度計：日本島津公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 蛋白質(zhì)含量的測定

蛋白質(zhì)含量的測定參照考馬斯亮藍染料比色法[12-13]。

1.2.2 魚糜漂洗水的制備

在市場購買均重為1 kg的青魚，取其白肉100 g放入1 000 mL的燒杯中，再加400 mL水，充分?jǐn)嚢韬笥?層紗布過濾得到第1次魚糜漂洗水，然后將紗布上的魚糜全部取下重新放入燒杯，加入400 mL水，過濾后得到第2次魚糜漂洗水，再次將魚糜取下全部放回?zé)尤?00 mL水，過濾得到第3次魚糜漂洗水，然后將第1次魚糜漂洗水、第2次魚糜漂洗水、第3次魚糜漂洗水依次放入貝克曼離心機在4 000 r/min，25℃條件下離心20 min，取其上清液，得到最終的3次魚糜漂洗水[14]。

1.2.3 大孔樹脂的處理

取 X-5、D101、D3520、HP20 這 4 種樹脂各 100 g于燒杯中，加入95%的乙醇浸泡24 h后，用蒸餾水在抽濾裝置下抽濾洗凈后，加入1 mmol/L的NaOH溶液將其浸沒，5 h后再次用蒸餾水在抽濾裝置下抽濾洗凈，然后加入1 mmol/L的HCl溶液浸沒，5 h后用蒸餾水在抽濾裝置下抽濾洗凈，并用pH計測量過濾后的濾液，保證濾液pH值為中性，最后放入真空干燥箱中干燥24 h，即可得到干燥的大孔樹脂。每次試驗取大孔樹脂時，務(wù)必進行預(yù)處理，加入95%的乙醇浸泡12 h，然后用蒸餾水抽濾洗凈后方可使用[15]。

1.2.4 計算公式

式中：C0為漂洗水中蛋白的初始濃度，g/L；Ct為t時刻漂洗水蛋白的濃度，g/L；Cd為解析后乙醇中蛋白的濃度，g/L；qt為平衡時的吸附量，mg/g；M 為大孔樹脂的質(zhì)量，g；V為漂洗水的體積，mL；稀釋倍數(shù)為10 倍[8-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳樹脂確定

通過試驗分別測量4種大孔樹脂反應(yīng)達到平衡時，乙醇解析前后的魚糜漂洗水的吸光值，除了大孔樹脂，其他試驗條件、制作工藝及檢測方法均相同，計算得出其吸附率和解析率[15]，結(jié)果如圖1。

圖1 大孔樹脂種類對吸附青魚魚糜漂洗水的影響Fig.1 Effect of macroporous resin’s type on adsorping the rinse water of black carp surimi

由圖 1可知，這 4種大孔樹脂 X-5、D3520、D101、HP20對青魚魚糜漂洗水吸附率和解析率有顯著差異，吸附率和解析率由高到低依次為HP20、D101、D3520、X-5；由此可看出，HP20解析率和吸附率最佳，故HP20為最佳大孔樹脂。

2.2 最佳初始濃度確定

通過試驗測量5組魚糜漂洗水（見方法1.2.2）在反應(yīng)達到平衡后相應(yīng)的吸光值，除了初始濃度，其他試驗條件、制作工藝及檢測方法均相同，計算得出其吸附率[16]，結(jié)果如圖 2。

圖2 初始濃度對大孔樹脂吸附青魚魚糜漂洗水的影響Fig.2 Effect of initial concentration on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由圖2可知，隨著初始濃度的增加，大孔樹脂HP20變化總體趨勢為先上升出現(xiàn)最大值然后又呈下降趨勢；當(dāng)初始濃度為L23時，即第2、3次魚糜漂洗水濃度時，大孔樹脂HP20吸附效果最好。

2.3 最佳離子強度確定

通過試驗分別測量6種離子強度梯度的魚糜漂洗水在反應(yīng)達到平衡后相應(yīng)的吸光值，除了離子強度，其他試驗條件、制作工藝及檢測方法均相同，計算得出其吸附率[17]，結(jié)果如圖3。

圖3 離子強度對大孔樹脂吸附青魚魚糜漂洗水的影響Fig.3 Effect of ionic strength on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由圖3可知，經(jīng)HP20大孔樹脂吸附6種不同離子強度青魚魚糜漂洗水變化趨勢為先增加后減少，隨著搖床中反應(yīng)時間的增加，吸附容量變化大致為先上升出現(xiàn)最大值然后呈下降趨勢；青魚魚糜漂洗水經(jīng)不同離子強度處理后，吸附容量和吸附率有顯著差異，當(dāng)離子強度為150 mmol/L吸附效果最佳。

2.4 最佳pH值確定

通過試驗分別測量6種不同pH值梯度的魚糜漂洗水在反應(yīng)達到平衡后相應(yīng)的吸光值，除了pH值，其他試驗條件、制作工藝及檢測方法均相同，計算得出其吸附率，結(jié)果如圖4。

圖4 pH值對大孔樹脂吸附青魚魚糜漂洗水的影響Fig.4 Effect of pH value on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由圖4可知，隨著pH值增加，大孔樹脂吸附容量變化總體有較大幅度的上升趨勢，大致趨勢為先上升出現(xiàn)最大值然后下降；青魚魚糜漂洗水經(jīng)不同pH值處理后，吸附容量和吸附率有顯著差異，當(dāng)pH值為5時HP20大孔樹脂吸附效果最好。

2.5 最佳溫度確定

通過試驗分別測量3種不同溫度梯度的魚糜漂洗水在反應(yīng)達到平衡后相應(yīng)的吸光值，除了溫度，其他試驗條件、制作工藝及檢測方法均相同，計算得出其吸附率，結(jié)果如圖5。

圖5 溫度對大孔樹脂吸附青魚魚糜漂洗水的影響Fig.5 Effect of temperature on macroporous resin adsorping the rinse water of black carp surimi

由圖5可知，隨著環(huán)境溫度的增加，大孔樹脂吸附容量變化總體有較大幅度的上升趨勢化，青魚魚糜漂洗水經(jīng)不同環(huán)境溫度處理后，吸附容量和吸附率有顯著差異，當(dāng)溫度為35℃時HP20大孔樹脂吸附效果最好。

2.6 吸附等溫方程擬合

式中：Qe為平衡吸附量，mg/g；Ce為平衡時的質(zhì)量濃度，g/L；Kf為平衡吸附系數(shù)；n為特征常數(shù)[9]。通過試驗數(shù)據(jù)和公式（2）計算得出試驗結(jié)果如表1所示，利用Freundlich方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見表2。

表1 HP20型大孔樹脂對魚糜漂洗水的平衡吸附量及濃度Table 1 Equilibrium adsorption and equilibrium concentration of HP20 macroporous resin to rinse water of carp surimi

表2 擬合的Freundlich方程及特征參數(shù)Table 2 Fitting Freundlich equations and parameters

由表2可知，平衡吸附系數(shù)表示吸附量的相對大小，平衡吸附系數(shù)隨著溫度升高而增大，表明此吸附過程為吸熱過程。特征常數(shù)總大于1，表明所研究的范圍內(nèi)均為優(yōu)惠吸附過程，即吸附容易進行。

式中：Ce是在熱力學(xué)溫度T時特定吸附量下溶質(zhì)的平衡濃度，g/L；K0為常數(shù)；R為理想氣體常數(shù)。吸附焓變（ΔH）是通過 ln（Ce）對 T-1作圖的斜率計算得出ΔH的大小能夠直接反映出吸附劑與吸附質(zhì)分子之間以及吸附質(zhì)與溶劑之間的作用力[9]。

將Freundlich方程代入Gibbs方程，得出公式ΔG=-nRT（6），式中，n為 Freundlich方程中的參數(shù)。吸附熵變ΔS可根據(jù)Gibbs-Helmholtz方程計算：ΔS=（ΔH-ΔG）/T（7），結(jié)果如表 3。

表3 HP20大孔樹脂對魚糜漂洗水的吸附熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamics parameters of HP20 macroporous resin to the rinse water of surimi

由表3可知，吸附焓（ΔH）大于零，表明此吸附過程為吸熱過程，與平衡吸附系數(shù)隨溫度的變化趨勢一致，可以證明高溫有利于吸附的進行。吸附焓（ΔH）小于40，可以看出其處于物理吸附（物理吸附焓變范圍＜40 kJ/mol）的范圍之內(nèi)[9]。在 25、30、35 ℃下，吸附自由能（ΔG）分別為-14.238、-16.254、-17.421 kJ/mol，負的自由能體現(xiàn)了吸附質(zhì)傾向于從溶液吸附到樹脂的表面，表明吸附的自發(fā)性。

3 小結(jié)

HP20型大孔樹脂對青魚魚糜漂洗水中水溶性蛋白的吸附屬于吸熱過程，即溫度升高有利于反應(yīng)正向進行，可將魚糜漂洗水的提取液趁熱進行大孔樹脂吸附，這樣不僅減少了冷卻步驟，也增大了吸附量。高溫有利于吸附過程的進行，為了繼續(xù)增大吸附量，可以通過升高溫度來使樹脂吸附更多的蛋白質(zhì)分子，這也會使體系內(nèi)能變化增大，導(dǎo)致吸附焓升高。

由于我國用大孔樹脂對魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)的吸附的研究還處于起步階段，無論是理論方面還是技術(shù)方面都還有很多問題亟需解決[18-20]，但是隨著科研水平的提高和學(xué)者深入的研究，大孔樹脂對魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)的吸附和回收利用定將趨于成熟。