大孔樹脂對白鰱魚糜漂洗水蛋白的吸附研究

段生洲，丁保淼

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

白鰱，四大家魚之一，我國主要的淡水養(yǎng)殖魚類之一，其肉質(zhì)鮮嫩，營養(yǎng)豐富，是較宜養(yǎng)殖的優(yōu)良魚種。目前有大量的白鰱魚被用來制作魚片或魚糜制品，在魚糜生產(chǎn)中，為得到彈性好、白度高的優(yōu)質(zhì)魚糜，魚肉往往需要漂洗，因而產(chǎn)生大量的漂洗水，魚糜漂洗水中的蛋白通常占總魚肉中總蛋白的30%[1]。魚糜漂洗水富含蛋白等營養(yǎng)成分，直接排放不僅降低了蛋白資源的利用率，而且增加了廢水處理負(fù)荷，極易造成環(huán)境污染。目前對魚糜漂洗水蛋白回收的研究主要使用等電點沉淀，加絮凝劑絮凝和兩種方法復(fù)合使用。徐律等[2]以魚糜漂洗液為原料，利用等電點沉淀法回收蛋白，回收率為83.33%。許永安等[3]采用殼聚糖作為絮凝劑進(jìn)行魚糜漂洗水中水溶性蛋白的回收，回收率為73.17%。王秀敏等[4]采用等電點沉淀—殼聚糖絮凝復(fù)合法對鱈魚糜漂洗廢水中的肌漿蛋白進(jìn)行回收，兩步總回收率為95.51%。此外還有學(xué)者報道了使用膜分離和電阻加熱法回收漂洗水中的蛋白[5-6]。大孔吸附樹脂被廣泛用于對有機(jī)物的濃縮和分離，具有回收率高、選擇性好、吸附條件溫和、操作成本低和易再生等優(yōu)點[7-8]。A.Leyton 等報道了使用大孔樹脂從褐藻中純化褐藻素的研究[9]。Mingzhu Zhuang 等報道了使用大孔樹脂純化醬油中的鮮味肽的研究[10]。但是未見利用大孔樹脂吸附法回收漂洗水中的蛋白的報道。本研究以白鰱魚糜漂洗水為原料，先用6 種大孔樹脂進(jìn)行吸附試驗，篩選出適合于白鰱魚糜漂洗水蛋白回收的樹脂；然后進(jìn)一步從熱力學(xué)和動力學(xué)兩個角度對所選樹脂吸附漂洗水蛋白進(jìn)行研究。為工業(yè)上利用大孔樹脂回收魚糜漂洗水蛋白提供一定的試驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白鰱魚：長江大學(xué)西校區(qū)農(nóng)貿(mào)市場，質(zhì)量2 kg 左右；大孔吸附樹脂 HP-20、AB-8、D101、D3520、X-5 和XAD-16：上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉、濃鹽酸、95%乙醇、85%正磷酸、考馬斯亮藍(lán)G-250：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；牛血清白蛋白：索萊寶生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

EYELAA-1000S 水循環(huán)真空泵：上海帝博思生物科技有限公司；DZF-6020 型真空干燥箱：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；2XZ-2 型旋片式真空泵：浙江臺州求精真空泵有限公司；SY-2230 恒溫水浴搖床：上海珂淮儀器有限公司；UV-2600 型紫外分光光度計：日本島津儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 白鰱魚糜漂洗水的制備

將新鮮的白鰱魚去鱗、去頭、去內(nèi)臟，用清水沖洗干凈后采肉并剁成肉泥狀得魚糜。用蒸餾水按料液比1 ∶4（g/mL）進(jìn)行漂洗，用玻璃棒慢速攪拌 10 min 后，靜置 5 min，再用 4 層紗布過濾[4，11]，得第一次漂洗水。重復(fù)上述操作再漂洗一次，得第二次漂洗水，將兩次所得漂洗水混合，置于4 ℃冰箱中保存并在24 h 內(nèi)使用。

1.3.2 大孔吸附樹脂的預(yù)處理

為了去除大孔吸附樹脂中的雜質(zhì)，先用95%的乙醇浸泡大孔吸附樹脂24 h，接著用蒸餾水沖洗除去乙醇。再用1 mol/L 的氫氧化鈉浸泡5 h，用蒸餾水沖洗除去氫氧化鈉。最后用1 mol/L 的鹽酸浸泡5 h，再用蒸餾水充分沖洗至中性。將經(jīng)過上述處理后的大孔吸附樹脂置于真空干燥箱中60 ℃減壓干燥，得預(yù)處理好的大孔吸附樹脂[10]。使用前先用95%的乙醇浸泡過夜，然后用蒸餾水充分沖洗除去乙醇。

1.3.3 大孔吸附樹脂的初步篩選

在古靜燕等[12]的試驗方法上做了適當(dāng)修改。分別稱取6 種大孔吸附樹脂3 g 放入150 mL 錐形瓶中，分別加入50 mL 漂洗水，再將錐形瓶置于恒溫水浴搖床中20 ℃，170 r/min 下處理5 h，每個樣品做3 個平行。用考馬斯亮藍(lán)法以牛血清白蛋白為基準(zhǔn)物質(zhì)做標(biāo)準(zhǔn)曲線（所得標(biāo)準(zhǔn)曲線y=149.83x-8.051 6，R2=0.999 3），分別測定吸附前后漂洗水中蛋白質(zhì)的含量，計算吸附率：

式中：A 為吸附率；C0為初始蛋白濃度，mg/mL；Ce為平衡蛋白濃度，mg/mL。

1.3.4 選定大孔吸附樹脂的吸附動力學(xué)

在Xiaomei Wang 等[13]試驗方法的基礎(chǔ)上做適當(dāng)修改。準(zhǔn)確稱取9 g 選定的大孔吸附樹脂放入250 mL錐形瓶中，加入150 mL 漂洗水，將錐形瓶置于恒溫水浴搖床中20 ℃，170 r/min 下處理5 h，樣品做3 個平行。分別在 0、10、20、30、40、60、80、100、120、150、180、210、240、270、300 min 時取樣，測定各個時間點樣品中蛋白質(zhì)的含量，并分別用偽一級動力學(xué)模型和偽二級動力學(xué)模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，研究其吸附動力學(xué)機(jī)理：

吸附容量：

偽一級動力學(xué)模型：

偽二級動力學(xué)模型：

式中：qt為 t 時刻的吸附容量，mg/g；Ct為 t 時刻的蛋白濃度，mg/mL；Vi為初始樣品體積，mL；W 為大孔吸附樹脂的質(zhì)量，g；qe為平衡吸附容量；k1為偽一級吸附速率常數(shù)；k2為偽二級吸附速率常數(shù)。

1.3.5 選定大孔樹脂的吸附熱力學(xué)

將白鰱魚糜漂洗水分別按體積比 1 ∶0、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4 用蒸餾水進(jìn)行稀釋，得 5 個不同濃度的漂洗水。準(zhǔn)確稱取選定大孔吸附樹脂3 g 放入150 mL 錐形瓶中，然后分別加入50 mL 不同濃度的漂洗水，再將錐形瓶置于恒溫水浴搖床中分別在 15、20、25 ℃（288、293、298 K），170 r/min 下處理 5 h，每個樣品做 3 個平行。分別測定吸附前后漂洗水中蛋白質(zhì)的含量，用Langmuir 方程和Freundlich 方程對熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并計算吸附過程的吉布斯自由能變化，研究其吸附熱力學(xué)機(jī)理：

Langmuir 方程及其變式：

Freundlich 方程及其變式：

吉布斯自由能變化計算式：

式中：qm為飽和吸附容量，mg/g；KL為 Langmuir 常數(shù)；KF為 Freundlich 常數(shù)；1/n 為一個與吸附驅(qū)動力的大小有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)；ΔGo為吉布斯自由能變化量，kJ/mol；R 為理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T 為溫度，K；Kc為平衡分配系數(shù)（吸附在固體上的量與溶液中平衡濃度的比值）。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂篩選試驗

表1 展示了本試驗所用的6 種大孔樹脂的物理參數(shù)和對漂洗水中蛋白的吸附率。

試驗結(jié)果顯示，不同樹脂對漂洗水中蛋白的吸附率差別很大，所選的6 種樹脂對漂洗水中蛋白的吸附率 HP-20＞XAD-16＞D101＞X-5＞AB-8＞D3520，其中HP-20 樹脂的吸附率最高達(dá)94.79%，D3520 樹脂的吸附率最低為68.50%。這是因為HP-20 有更大的比表面積和孔徑，更利于漂洗水中蛋白分子的進(jìn)入，有研究表明比表面積和孔徑是反映吸附能力的決定性因素[14]。綜上，選用HP-20 樹脂做進(jìn)行進(jìn)一步的吸附機(jī)理研究。

表1 大孔樹脂的物理參數(shù)與對白鰱魚糜漂洗水中蛋白的吸附率Table 1 Physical parameters of macroporous resin and adsorption ratio of protein in washing water of silver carp

2.2 HP-20樹脂的吸附動力學(xué)

圖1 為HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附動力學(xué)曲線。

圖1 HP-20 樹脂對白鰱魚糜漂洗水的吸附動力學(xué)曲線Fig.1 Adsorption kinetics curve of HP-20 resin on washing water of silver carp

試驗結(jié)果顯示，在剛開始的0～100 min HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附容量快速上升，接著在100 min～240 min HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附容量上升有所減慢，在240 min 后HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附達(dá)到平衡，Rui Yang 等[15]在使用大孔樹脂對南瓜多糖進(jìn)行脫蛋白脫色研究時也有類似的現(xiàn)象，平衡時吸附容量為94.845 mg/g。

為了進(jìn)一步研究HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附機(jī)理，用偽一級動力學(xué)模型和偽二級動力學(xué)模型對吸附動力學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得結(jié)果如表2 所示。

表2 HP-20 樹脂對漂洗水蛋白的吸附動力學(xué)Table 2 Adsorption kinetics of HP-20 resin on protein in washing water

偽一級動力學(xué)模型擬合的R2=0.987 7 大于偽二級動力學(xué)模型的R2=0.978 5。此外通過偽一階動力學(xué)模型計算出的qe=91.013 mg/g 比偽二階動力學(xué)模型計算出的qe=109.890 mg/g 更加接近于試驗所測得的qe=94.845 mg/g。因此偽一階動力學(xué)模型能更好的描述HP-20 樹脂對漂洗水的吸附過程。這與Qingru Liu 等[16]對使用大孔樹脂研究柑橘脫苦時發(fā)現(xiàn)LX920 樹脂對黃酮類化合物的吸附符合偽一階動力學(xué)模型的結(jié)果相似。

2.3 HP-20樹脂的吸附熱力學(xué)

吸附等溫線描述了等溫吸附平衡吸附量與吸附液平衡濃度的關(guān)系。為了建立最優(yōu)模型，分別用Langmuir 方程和Freundlich 方程對熱力學(xué)試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表3 所示。

表3 不同溫度下HP-20 樹脂對漂洗水的吸附熱力學(xué)Table 3 Thermodynamics of adsorption of washing water by HP-20 resin at different temperatures

Langmuir 等溫模型描述了分子在均勻表面上的單層吸附過程，相鄰吸附分子之間沒有相互作用。KL是Langmuir 常數(shù)，當(dāng) 0＜KL＜1 時 Langmuir 方程適合于描述該吸附過程，當(dāng)KL=1 呈線性關(guān)系，當(dāng)KL＞1 時Langmuir 方程不適用[14]。表 3 數(shù)據(jù)顯示，使用 Langmuir 方程進(jìn)行擬合所得的KL值均大于1。因此Langmuir 方程不適合描述HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附。Freundlich 等溫模型反映了分子在非均勻表面上的多層吸附過程，相鄰吸附分子之間有相互作用。1/n 為與吸附驅(qū)動力大小相關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，通常當(dāng)1/n＜1 時，吸附比較容易發(fā)生，當(dāng)1/n＞1 時吸附比較難發(fā)生[17]。表3數(shù)據(jù)顯示，使用Freundlich 方程進(jìn)行擬合時計算出的1/n 均小于1，這說明HP-20 樹脂很容易吸附漂洗水中的蛋白，適合于吸附漂洗水中蛋白的吸附。比較2個等溫模型，在本試驗所選的3 個溫度下Freundlich方程擬合的相關(guān)系數(shù)均高于Langmuir 方程，這也說明Freundlich 方程更適合描述HP-20 樹脂對漂洗水中蛋白的吸附。這與Yani Bao 等[18]使用大孔樹脂對柑橘汁脫苦進(jìn)行熱力學(xué)研究的結(jié)果相似。

為了從能量變化的角度了解吸附過程，計算了HP-20 樹脂在不同溫度下吸附漂洗水中蛋白的吉布斯自由能變，結(jié)果如表4。

表4 HP-20 樹脂吸附過程中的吉布斯自由能變Table 4 Gibbs free change in the adsorption process of HP-20 resin

如表4 所示在本試驗所選的3 個溫度下△Go值均為負(fù)數(shù)，這說明HP-20 樹脂對漂水蛋白的吸附為自發(fā)過程。隨溫度的上升，△Go絕對值增大，這說明在本試驗所選溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高時HP-20 樹脂吸附漂洗水蛋白越容易發(fā)生。

3 結(jié)論

大孔樹脂篩選結(jié)果顯示，所選6 種樹脂對漂洗水蛋白的吸附率 HP-20＞XAD-16＞D101＞X-5＞AB-8＞D3520，HP-20 樹脂對漂洗水蛋白的吸附率最高可達(dá)94.79%。對HP-20 樹脂的進(jìn)一步研究顯示，HP-20 樹脂對漂洗水蛋白的吸附在動力學(xué)上符合偽一級動力學(xué)模型，而在熱力學(xué)上Freundlich 模型能更好的描述此吸附過程。分析吸附過程中吉布斯自由能的變化證實該吸附過程在試驗所選的溫度下均為自發(fā)過程。