凹土負載殼聚糖對馬氏珠母貝糖胺聚糖提取物中鎘的吸附研究

陳萌萌，吳紅棉，衣美艷，范秀萍，郭妍妍，胡雪瓊（廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江524088）

凹土負載殼聚糖對馬氏珠母貝糖胺聚糖提取物中鎘的吸附研究

陳萌萌，吳紅棉*，衣美艷，范秀萍，郭妍妍，胡雪瓊
（廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江524088）

采用凹土負載殼聚糖對馬氏珠母貝全臟器的酶解液進行吸附脫鎘研究，通過單因素實驗，考察了振蕩時間、pH、振蕩速度和復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量對糖胺聚糖（GAG）粗品中鎘脫除和GAG含量的影響，并利用響應(yīng)面法優(yōu)化出鎘脫除條件。結(jié)果表明：糖胺聚糖中鎘脫除的最優(yōu)條件是振蕩時間31.0min，pH7.0，振蕩速度143.0r/min，復(fù)合物添加量13.0mg/mL，在此條件下脫鎘率達到76.9%，GAG含量為47.1%。

馬氏珠母貝，糖胺聚糖，鎘，凹土-殼聚糖

糖胺聚糖（GAG），又稱酸性粘多糖或氨基多糖，是貝類體內(nèi)存在的特征性多糖類化合物，是蛋白聚糖的糖鏈組成部分[1]，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)其具有抗凝血、抗腫瘤、抗病毒、降血脂、增強免疫等生理活性[2]。馬氏珠母貝（Pinctada martensii）是生產(chǎn)海水珍珠的主要貝種，應(yīng)用價值廣泛，從中提取的生物活性物質(zhì)GAG更是GAG保健品的重要原料。但是，馬氏珠母貝體內(nèi)重金屬鎘的含量較高，在貝肉深加工過程中濃縮、提純等工藝又會導(dǎo)致鎘的含量進一步增大[3]，相關(guān)研究表明，馬氏珠母貝糖胺聚糖中較高的重金屬鎘含量會影響到糖胺聚糖的生理活性[4]。所以，有效降低馬氏珠母貝GAG中重金屬鎘含量的問題亟待解決。目前，關(guān)于如何脫除貝類糖胺聚糖中重金屬鎘的報道并不多。衣美艷等[4]探討了凹土、凹土-殼聚糖復(fù)合物和殼聚糖對糖胺聚糖中鎘的吸附效果，發(fā)現(xiàn)凹土負載殼聚糖分別較凹土和殼聚糖對糖胺聚糖中鎘的吸附有明顯提高。因此，本文采用凹土負載殼聚糖對馬氏珠母貝GAG中的鎘進行有效脫除研究，考察了振蕩時間、pH、振蕩速度和復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量四個因素的影響。本實驗采用響應(yīng)面設(shè)計方案，以脫鎘率和GAG含量為響應(yīng)指標(biāo)，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)選出糖胺聚糖中鎘的有效脫除最優(yōu)條件，從而有效地降低馬氏珠母貝糖胺聚糖提取物中重金屬鎘的含量，為進一步研究開發(fā)GAG保健品奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬氏珠母貝 湛江東風(fēng)市場；凹土-殼聚糖復(fù)合物 廣東海洋大學(xué)實驗室；肝素鈉 中國醫(yī)藥集團上?；瘜W(xué)試劑公司；枯草桿菌中性蛋白酶 無錫酶制劑廠；胰酶 上海化學(xué)試劑公司；硅藻土、活性炭 湛江市林達化玻儀器有限公司；其他試劑 均為分析純。

AF610A型原子熒光光譜儀 北京吉天儀器有限公司；Z-5000型原子吸收光譜儀 日本日立公司；恒溫磁力攪拌器 廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司；TDL-5-A型臺式離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；722型分光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司；DHG-9245A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬氏珠母貝糖胺聚糖粗品的制備 參考文獻[5]的方法：原料→勻漿→雙酶解（0.3%胰酶和0.8%枯草桿菌中性蛋白酶、50℃、4h）→滅酶（煮沸10min）→單層紗布粗慮→脫色（活性炭∶硅藻土=3∶2）→雙層紗布精濾→離心（4000r/min，10min）→上清液醇沉（1.5倍95%乙醇，20min）→離心（4000r/min，10min）、去上清液→洗滌→干燥→GAG粗品。

1.2.2 糖胺聚糖含量的測定 采用阿利新藍比色法，根據(jù)參考文獻[6]繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在試管中分別加入

0.2 mL的100、200、400、600μg/mL糖胺聚糖（GAG）標(biāo)準(zhǔn)液，用0.2mL的去離子水代替標(biāo)準(zhǔn)液作為空白對照管，在各管中準(zhǔn)確加入3.0mL的阿利新藍染液，混勻。10min后，于480nm波長處測定吸光度值來繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

將0.2mL糖胺聚糖標(biāo)準(zhǔn)液改成0.2mL GAG粗品液（0.15g GAG粗品溶于50mL去離子水）加入，方法同上，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線求出GAG粗品中GAG的質(zhì)量。

圖1 糖胺聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Calibration curve of GAG

1.2.3 糖胺聚糖粗品中重金屬鎘含量的測定 參照GB/T 5009.15—1996《食品中鎘的測定方法》[7]，樣品經(jīng)濕法消化后，用火焰原子吸收光譜法測定鎘的含量。

1.2.4 馬氏珠母貝GAG粗品中鎘脫除的技術(shù)路線 馬氏珠母貝GAG粗品中鎘的脫除是通過將凹土-殼聚糖間接地作用于原料處理后的酶解液里，從而有效降低鎘的含量。則其技術(shù)路線如下（其操作條件和GAG粗品制備相同）：

1.2.5 GAG含量與脫鎘率的計算公式

式中：M1：脫鎘前GAG粗品中鎘含量（mg/kg）；M2：脫鎘后GAG粗品中鎘含量（mg/kg）。

1.2.6 單因素實驗 根據(jù)大量參考文獻和預(yù)實驗的實驗結(jié)果，分析得出凹土負載殼聚糖對糖胺聚糖粗品中脫鎘影響顯著的因素有4個，即振蕩時間、pH、振蕩速度和凹土-殼聚糖復(fù)合物添加量。

1.2.6.1 振蕩時間 量取6份20mL酶解液，各緩慢加入0.3g凹土-殼聚糖，調(diào)節(jié)酶解液的pH為7.0，振蕩速度為150r/min，在室溫條件下分別振蕩5、15、30、45、60、90min。然后離心除雜蛋白，上清液醇沉得GAG粗品，測定其中鎘的含量。重復(fù)3次。

1.2.6.2 酶解液pH 量取6份20mL酶解液，各緩慢加入0.3g凹土-殼聚糖，調(diào)節(jié)酶解液的pH依次為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，在室溫條件下振蕩30min，振蕩速度為150r/min。然后離心除雜蛋白，上清液醇沉得GAG粗品，測定其中鎘的含量。重復(fù)3次。

1.2.6.3 振蕩速度 量取6份20mL酶解液，各緩慢加入0.3g凹土-殼聚糖，調(diào)節(jié)酶解液的pH為7.0，在室溫條件下振蕩30min，振蕩速度依次為0、50、100、150、200、250r/min。然后離心除雜蛋白，上清液醇沉得GAG粗品，測定其中鎘的含量。3次重復(fù)。

1.2.6.4 復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量 量取6份20mL酶解液，緩慢加入凹土-殼聚糖依次為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g，調(diào)節(jié)酶解液的pH為7.0，在室溫條件下振蕩30min，振蕩速度為150r/min。然后離心除雜蛋白，上清液醇沉得GAG粗品，測定其中鎘的含量。3次重復(fù)。

1.2.7 響應(yīng)面分析實驗設(shè)計 根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，以振蕩時間（A）、pH（B）、振蕩速度（C）和復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量（D）為影響因素，脫鎘率和GAG含量為響應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)中心組合設(shè)計（CCD）原理，得到4因素5水平的中心組合實驗設(shè)計方案，因素水平見表1。該設(shè)計方案包括24個因素點，其中8個是軸心點（α=±2），6個是中心點的重復(fù)實驗。并用JMP軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，考察凹土負載殼聚糖對GAG粗品中鎘脫除的最優(yōu)條件。

表1 實驗因素水平設(shè)計表Table 1 Experimental range and levels of the independent variables

2 結(jié)果與分析

2.1 GAG粗品中重金屬鎘脫出條件的單因素實驗結(jié)果

2.1.1 振蕩時間對GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的影響 經(jīng)不同時間的振蕩處理后，GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的變化如圖2所示。

由圖2可以看出，經(jīng)不同時間的振蕩處理后，GAG粗品的脫鎘率在0～30min的范圍內(nèi)呈上升趨勢，在30min時GAG粗品的脫鎘率最大。這可能因為隨著吸附反應(yīng)的進行，凹土-殼聚糖不斷與重金屬鎘離子吸附結(jié)合，在30min吸附基本達到飽和。而其隨后又有微降，這可能與實驗操作、實驗條件有關(guān)。GAG含量在0～15min范圍內(nèi)呈上升趨勢，在15min時，其含量達到最大值，隨后其含量逐漸下降，這可能是因為凹土-殼聚糖對鎘離子的吸附基本達到飽和后，會吸附部分的糖胺聚糖，從而使GAG含量降低。

2.1.2 酶解液pH對GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的影響 經(jīng)不同pH的酶解液處理后，GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的變化如圖3所示。

圖2 振蕩時間對脫鎘率和GAG含量的影響Fig.2 Effect of vibration time on the removal rate of cadmium and the yield of GAG

圖3 pH對脫鎘率和GAG含量的影響Fig.3 Effect of pH on the removal rate of cadmium and the yield of GAG

由圖3得知，經(jīng)不同pH的酶解液處理后，GAG粗品的脫鎘率和GAG含量均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，但都大于最低pH（pH4）處理的脫鎘率和GAG含量。研究表明：在低pH條件下，凹土-殼聚糖復(fù)合物中氫離子的質(zhì)子化過大，嚴(yán)重影響帶正電荷的鎘離子的靠近，從而降低了其吸附率。隨著酶解液pH升高，殼聚糖能把與重金屬離子螯合的氨根和氫氧根逐漸游離出來，從而提高了對鎘離子的吸附率[8]。GAG含量在pH7時達到最大值，這可能是因為過堿性或過酸性的酶解液均會影響到GAG的提取。

2.1.3 振蕩速度對GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的影響 經(jīng)不同速度的振蕩處理后，GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著振蕩速度增大，GAG粗品的脫鎘率也逐漸增大，在250r/min時達到最大值。這可能是由于振蕩速度越快，分子間運動也越快，凹土-殼聚糖與重金屬鎘離子的接觸率增大，進而對鎘離子的吸附增強。GAG含量的變化曲線呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，其中在100r/min時達到最大值，這可能因為振蕩速度大于100r/min時會由于振蕩速度過快而破壞了糖胺聚糖的結(jié)構(gòu)和組成，從而造成GAG含量的下降。2.1.4 復(fù)合物添加量對GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的影響 經(jīng)不同添加量的復(fù)合物處理后，GAG粗品的脫鎘率和GAG含量的變化如圖5所示。

圖4 振蕩速度對脫鎘率和GAG含量的影響Fig.4 Effect of vibration speed on the removal rate of cadmium and the yield of GAG

圖5 復(fù)合物添加量對脫鎘率和GAG含量的影響Fig.5 Effect of compound dosage on the removal rate of cadmium removal and the yield of GAG

由圖5可知，隨著凹土-殼聚糖添加量的增大，GAG粗品的脫鎘率也逐漸升高，在0.3g時其脫鎘率基本達到穩(wěn)定，而其隨后又有微增，這可能因為再增加用量，對鎘的吸附仍會繼續(xù)的，只是增加不明顯。GAG含量在0.010g/mL之前基本沒變化，而隨著復(fù)合物添加量的增加，其呈現(xiàn)下降趨勢，可能因為凹土-殼聚糖添加量過量時，會吸附部分的糖胺聚糖。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化糖胺聚糖粗品中鎘脫除條件的實驗結(jié)果

通過JMP軟件，GAG粗品中脫隔離和GAG含量的中心組合設(shè)計及實驗結(jié)果見表2。

2.2.1 中心組合設(shè)計實驗脫鎘率的結(jié)果分析 由表3可知，模型p＜0.0001，說明二次回歸模型是極顯著的，因此模型選擇正確；失擬合p值為0.2776＞0.05，說明該模型失擬不顯著；相關(guān)系數(shù)R2=0.9618，說明二次回歸模型能夠較好地反映響應(yīng)值的變化，模型與實際實驗擬合程度好，預(yù)測值和實際值之間具有高度的相關(guān)性，可以應(yīng)用于凹土-殼聚糖對糖胺聚糖中重金屬鎘脫除的理論預(yù)測。

表2 中心組合設(shè)計及實驗結(jié)果Table 2 Experiment design and results of the RSM studies

同時，模型中單因素pH（B）、添加量（D）對脫鎘率的影響達到顯著水平（p＜0.05），各因素對脫鎘率的影響順序為：添加量（D）＞pH（B）＞時間（A）＞速度（C）；交互項時間（A）和pH（B）、pH（B）和添加量（D）、速度（C）和添加量（D）之間的交互作用影響顯著；二次項時間、pH、速度和添加量對脫鎘率的影響也達到極顯著水平（p＜0.0001）。最終優(yōu)化回歸脫鎘率方程（Y1）為：Y1=76.35+0.82A-1.65B+0.37C+3.18D-2.58AB-0.25AC-0.19AD-0.73BC+5.19BD+2.89CD-5.59A2-5.62B2-6.52C2-5.89D2。

根據(jù)表3中單因素和交互項的顯著性分析，選擇影響顯著的AB、BD和CD作圖觀察優(yōu)化結(jié)果條件下脫鎘率的變化影響。

由圖6～圖8的響應(yīng)面立體圖可以看出，響應(yīng)值脫隔率存在最大值。等高線圖也可以看出AB、BD和CD交互的顯著程度，圓形表示交互作用不顯著，橢圓表示顯著。因此，圖6～圖8的等高線均呈現(xiàn)橢圓型，說明AB、BD和CD的交互作用均呈現(xiàn)顯著。

由模擬方程及數(shù)據(jù)處理四舍五入得：振蕩時間為31.0min，pH為7.0，振蕩速度為143.0r/min，復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量為13.0mg/mL時，脫鎘率最大，且為76.9%。

表3 回歸統(tǒng)計分析表Table 3 ANOVA for the regression response surface model

圖6 pH和時間的脫鎘率響應(yīng)面Fig.6 Response surface for cadmium removal rate of pH and time

圖7 pH和添加量的脫鎘率響應(yīng)面Fig.7 Response surface for cadmium removal rate of pH and dosage

圖8 速度和添加量的脫鎘率響應(yīng)面Fig.8 Response surface for cadmium removal rate of speed and dosage

2.2.2 中心組合設(shè)計實驗GAG含量的結(jié)果分析 由表4可知，模型p＜0.01，說明二次回歸模型是顯著的，因此模型選擇正確；失擬合p值為0.3717（p＞0.05），說明該模型失擬不顯著；相關(guān)系數(shù)R2=0.9626，說明二次回歸模型能夠較好地反映響應(yīng)值的變化，模型與實際實驗擬合程度好，預(yù)測值和實際值之間具有高度的相關(guān)性，故此模型可適用于本反應(yīng)性狀的分析。

表4 回歸統(tǒng)計分析表Table 4 ANOVA for the regression response surface model

同時，模型中單因素時間（A）、pH（B）和添加量（D）對GAG含量的影響達到極顯著水平（p＜0.0001），各因素對脫鎘率的影響順序為：添加量（D）＞pH（B）＞時間（A）＞速度（C）；交互項時間（A）和pH（B）、pH（B）和添加量（D）、速度（C）和添加量（D）之間的交互作用影響顯著；二次項時間、pH、速度和添加量對GAG含量的影響也達到顯著水平（p＜0.05）。最終優(yōu)化回歸GAG含量方程（Y2）為：Y2=46.47+1.09A-1.62B+0.61C+ 2.55D-3.09AB+0.27AC+0.24AD+0.21BC+3.31BD+ 3.02CD-4.25A2-3.28B2-3.24C2-3.26D2。

圖9 pH和時間的脫鎘率響應(yīng)面Fig.9 Response surface for cadmium removal rate of pH and time

圖10 pH和添加量的脫鎘率響應(yīng)面Fig.10 Response surface for cadmium removal rate of pH and dosage

圖11 速度和添加量的脫鎘率響應(yīng)面Fig.11 Response surface for cadmium removal rate of speed and dosage

根據(jù)表4中單因素和交互項的顯著性分析，選擇影響顯著的AB、BD和CD作圖觀察優(yōu)化實驗結(jié)果條件下GAG含量的變化影響。

由圖9～圖11的響應(yīng)面立體圖可以看出，響應(yīng)值GAG含量存在最大值。等高線圖也可以看出AB、BD和CD交互的顯著程度，圓形表示交互作用不顯著，橢圓表示顯著。因此，圖9～圖11的等高線均呈現(xiàn)橢圓型，說明AB、BD和CD的交互作用均呈現(xiàn)顯著。

由模擬方程及數(shù)據(jù)處理四舍五入得：振蕩時間為32.0min，pH為7.0，振蕩速度為151.0r/min，復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量為13.6mg/mL時，GAG含量最大，且為47.4%。

2.2.3 綜合評定來確定GAG粗品中脫除鎘的最優(yōu)條件的確定 由以上數(shù)據(jù)及方差分析得：脫鎘率：因素的影響順序為：添加量（D）＞pH（B）＞時間（A）＞速度（C）；脫鎘率最大為76.9%時，振蕩時間31.0min，pH7.0，振蕩速度143.0r/min，復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量13.0mg/mL。

GAG含量：因素的影響順序為：添加量（D）＞pH（B）＞時間（A）＞速度（C）；GAG含量最大為47.4%時，振蕩時間32.0min，pH7.0，振蕩速度151.0r/min，復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量13.6mg/mL。

因為本實驗研究的是GAG粗品中鎘的脫除，因此在保證具有較好脫除鎘效果的同時，糖胺聚糖的結(jié)構(gòu)及含量的穩(wěn)定也是需要考慮的重要因素，結(jié)合各因素對評定指標(biāo)的影響大小及實驗?zāi)康牡榷喾矫婢C合考慮，又因為馬氏珠母貝酶解液中鎘含量高達10mg/mL，因此選擇脫鎘率達到最大值時的條件為最優(yōu)，即振蕩時間為31.0min，pH為7.0，振蕩速度為143.0r/min，復(fù)合物（凹土-殼聚糖）添加量為13.0mg/mL，此時脫鎘率是76.9%，GAG含量是47.1%。經(jīng)驗證實驗所得脫鎘率為76.6%，GAG含量為47.0%，與理論預(yù)測值基本相符。

3 結(jié)論

本實驗研究了凹土負載殼聚糖對馬氏珠母貝糖胺聚糖中鎘的脫除影響，以脫鎘率和GAG含量為響應(yīng)指標(biāo)，利用響應(yīng)面法確定了糖胺聚糖中脫除鎘的最優(yōu)條件：振蕩時間為31.0min，pH為7.0，振蕩速度為143.0r/min，復(fù)合物添加量為13.0mg/mL，在此條件下脫鎘率達到76.9%，GAG含量為47.1%。而且，實驗條件相對簡單，也不產(chǎn)生二次污染，對糖胺聚糖粗品中GAG含量影響甚微小，GAG中重金屬鎘的含量有效降低。因此，凹土負載殼聚糖在珠母貝糖胺聚糖中對鎘的有效脫除具有一定的應(yīng)用價值。

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[2]張豁中，溫玉麟.動物活性成分化學(xué)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995：996-998.

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[5]吳紅棉，雷曉凌，洪鵬志，等.珠母貝糖胺聚糖的純化及其化學(xué)性質(zhì)[J].水產(chǎn)學(xué)報，2000，24（6）：570-574.

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Study on adsorption of cadmium in extract of Pinctada martensii glycosaminoglycan by attapulgite-chitosan

CHEN Meng-meng，WU Hong-mian*，YI Mei-yan，F(xiàn)AN Xiu-ping，GUO Yan-yan，HU Xue-qiong
（College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

Absorption of the cadmium of hydrolyzate from Pinctada martensii whole organ by attapulgite-chitosan complex was studied.The effects of vibration time，pH，vibration speed and compound dosage（attapulgitechitosan）of attapulgite-chitosan on cadmium removal rate and GAG yield were investigated through single factor assay，and the conditions of removing cadmium were optimized by response surface method.The optimum conditions of removing cadmium in GAG were 143.0r/min of speed of vibration and pH7.0，processing for 31.0min with 13.0mg/mL dosage of attapulgite-chitosan.Under this condition，cadmium removal rate reached 76.9%，GAG yield reached 47.1%.

Pinctada martensii；glycosaminoglycan；cadmium；attapulgite-chitosan

TS201.1

B

1002-0306（2014）14-0282-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.054

2013－10－14 *通訊聯(lián)系人

陳萌萌（1988-），女，在讀碩士研究生，研究方向：海洋生物活性物質(zhì)研究與開發(fā)。

廣東省科技廳科技計劃項目（2010B020313003）。