模擬繅絲廢水中絲膠蛋白的樹脂吸附分離

焦瑞婷,江虹銳,王成華,趙謀明,劉小玲

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

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模擬繅絲廢水中絲膠蛋白的樹脂吸附分離

焦瑞婷,江虹銳,王成華,趙謀明,劉小玲*

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

本文比較AB-8、LX-1180、D101、DA201-C、DEAE-52、201×7 六種樹脂對模擬繅絲廢水中絲膠蛋白的靜態(tài)吸附和解析性能,篩選出適宜分離純化絲膠蛋白的樹脂,并通過靜態(tài)和動態(tài)洗脫實驗確定最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明:DEAE-52型離子交換樹脂吸附解析效果最好,吸附量為1.573 mg/g,吸附率可達到95.07%。柱分離時,絲膠廢液以5 BV/h流入分離柱;采用pH2的0.05 mol/L的氯化鈉溶液以2 BV/h洗脫4 BV,收集1.7～3.0 BV洗脫流分,洗脫率98.76%,經(jīng)吸附分離,絲膠蛋白濃縮倍數(shù)達到16.33,收集所得絲膠蛋白的回收率和純度分別可達95.26%和96.71%。

繅絲廢水,絲膠蛋白,樹脂,吸附

蠶絲是一種重要的天然蛋白質(zhì)纖維,由70%～80%絲素蛋白、20%～30%絲膠蛋白及少量蠟質(zhì)及無機物組成[1]。絲膠蛋白含有絲氨酸、甘氨酸、天門冬氨酸等人體所需的18種氨基酸[2],具有良好的抗氧化性[3]、抗紫外線[4]、吸濕及抗菌性等優(yōu)點[5-6],并廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥[7-8]、化妝品[9-10]、生物材料[11-13]、紡織[14]、食品[15]等領(lǐng)域。然而,蠶絲中的絲膠組分卻在絲綢生產(chǎn)過程中隨廢水排放,未能有效利用。有資料表明,每年中國生產(chǎn)生絲6萬噸,其中約2萬～3萬噸的絲膠隨廢水排放,使廢水的濁度、化學(xué)需氧量(COD)值和生化需氧量(BOD)值增加,不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,也是對資源的極大浪費,不符合綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求[16],亟需對絲膠成分進行回收利用。

目前繅絲工業(yè)的脫膠方法主要采用熱水煮繭及熱堿水繅絲抽絲等方法。因此,脫膠廢液pH呈中性或堿性。從廢水中回收提純絲膠的方法主要有酸析法、化學(xué)混凝法、有機溶劑沉淀法、離心法、冰凍法、超濾法等[17-18],但這些方法存在回收產(chǎn)物毒性高、回收率低、成本高等不足。與上述方法相比,樹脂法具有成本低、設(shè)備簡單、不用或少用有機溶劑、易于工業(yè)放大等優(yōu)點。利用廢水絲膠蛋白在不同pH時的帶電性的差異,可選擇適當(dāng)?shù)臉O性大孔吸附樹脂或離子交換樹脂,通過離子鍵或靜電相互作用將絲膠蛋白吸附到樹脂中,再通過改變離子強度或溶液的酸堿性使吸附的絲膠蛋白解析,從低濃度的繅絲廢液富集回收得到較高濃度的絲膠蛋白。本文以廣西宜州繅絲廢水為典型廢液,在實驗室自制脫膠廢液,以此模擬工業(yè)廢液來探尋適宜的樹脂和吸附分離條件,為繅絲廢水中的絲膠蛋白分離及利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桑蠶繭 廣西宜州市七葉種植專業(yè)合作社;繅絲廢水 廣西宜州市宏基繭絲有限公司;DEAE-52樹脂 北京索萊寶科技有限公司;AB-8、LX-1180、D101、DA201-C、DEAE-52、201×7樹脂 陜西博暉生化科技有限公司;無水乙醇、氫氧化鈉、濃鹽酸等 均為國產(chǎn)分析純。

UV-6100紫外分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;GZX-GF101電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進醫(yī)療器械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 模擬繅絲廢水制備 蠶繭先進行選剝、剪碎,取6 g蠶繭加入600 mL水,在100 ℃條件下水煮45 min,瀝去不可溶絲素,并將水煮液稀釋6倍后得到模擬繅絲廢液。該廢液中絲膠蛋白的含量為0.414 mg/mL,pH7.94,電導(dǎo)率為1.512 ms/cm,與廣西宜州宏基繭絲有限公司采樣廢水組成一致,可用于后續(xù)廢水絲膠蛋白回收實驗。

1.2.2 溶液中絲膠蛋白含量的測定 按照文獻[19]的方法稍加改動,取2 mL樣品于280 nm處測定其吸光度值(A),代入預(yù)先測定的絲膠蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線A=0.5983C+0.0053,相關(guān)系數(shù)R2=0.9999,可計算其中絲膠蛋白的含量(mg/mL)。

1.2.3 樹脂預(yù)處理 AB-8、D101、DA201-C樹脂的預(yù)處理:先用95%乙醇浸泡 24 h,沖洗干凈后再用1 mol/L鹽酸溶液浸泡3 h,用水洗至中性后,再用1 mol/L NaOH溶液浸泡3 h,用蒸餾水洗至中性,備用。DEAE-52、201×7樹脂預(yù)處理:先用蒸餾水浸泡,后續(xù)的酸洗和堿洗參照上述步驟。

LX-1180樹脂預(yù)處理:先用95%乙醇浸泡24 h。用蒸餾水沖洗樹脂至乙醇無殘留,浸泡于蒸餾水中,備用。

1.2.4 樹脂選型 稱取已處理好的干燥樹脂約5 g,置250 mL具塞錐形瓶中,加入100 mL模擬廢水,在25 ℃、150 r/min條件下振蕩,每隔一定時間取2 mL廢水測定吸光度OD280,繪制絲膠蛋白的靜態(tài)吸附曲線[20]。24 h后測定廢水中蛋白質(zhì)含量,按照下列公式計算樹脂的吸附量和吸附率[21-22]。

式中:C1為吸附前廢水中絲膠蛋白濃度(mg/mL);C2為吸附后廢水中絲膠蛋白濃度(mg/mL);W為樹脂干重(g);V為溶液體積(mL)。

將吸附飽和的樹脂取出吸干表面的水分,精確加入100 mL相應(yīng)的洗脫劑(AB-8、DA201-C、D101、LX-1180使用75%乙醇,201×7使用0.5 mol/L 氫氧化鈉溶液,DEAE-52使用0.4 mol/L氯化鈉溶液作為解析液),25 ℃下150 r/min搖蕩24 h,過濾,測定此時解吸液中絲膠蛋白的含量,并按照下列公式計算解吸率[23]。

式中:C為解吸液中絲膠蛋白的含量(mg/mL);V1為解吸液體積(mL);M為樹脂干重(g);Q為吸附量(mg/g)。

1.2.5 影響樹脂解析因素的研究 取5g吸附飽和的DEAE-52樹脂,加入100mL洗脫液(pH2,0.1mol/L氯化鈉溶液),25 ℃條件下150r/min搖蕩,分別在15、30、60、90、120、150min取2mL測定解析液中絲膠蛋白含量,繪制解析曲線。

配制不同pH酸堿溶液(2、3、4、5、6、7、8、9)作為洗脫液,按照上述洗脫流程對5g吸附飽和的DEAE-52樹脂進行洗脫,考察不同pH酸堿溶液對樹脂解析能力的影響。

配制不同濃度的氯化鈉溶液(0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mol/L)作為洗脫液,按照上述洗脫流程對5g吸附飽和的DEAE-52樹脂進行洗脫,考察不同濃度的氯化鈉溶液對樹脂解析能力的影響。

分別配制pH2和pH3的不同濃度氯化鈉溶液(0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mol/L)作為洗脫液,按照上述洗脫流程對5g吸附飽和的DEAE-52樹脂進行洗脫,考察pH與氯化鈉溶液組合對樹脂解析能力的影響。

1.2.6DEAE-52樹脂動態(tài)吸附解析

1.2.6.1 上樣速率的確定 取已預(yù)處理好的DEAE-52樹脂9.259g,進行濕法裝柱(柱體積為25mL),待裝好柱后,絲膠蛋白廢水以不同速率(3.0,5.0,7.5BV/h)上柱,收集經(jīng)過柱子的流出液,測定流出液中絲膠蛋白的濃度,計算吸附量及吸附率,從而確定最佳的上樣速率。

1.2.6.2 樹脂柱層析動態(tài)洗脫條件優(yōu)化 當(dāng)分離柱樹脂達到吸附飽和后,以2BV/h流速,用1BV去離子水洗脫,再分別用pH3,0.1mol/L氯化鈉和pH2,0.05mol/L氯化鈉兩種洗脫劑洗脫,每0.1BV(2.5mL)收集一管,分別測定洗脫液中絲膠蛋白含量,繪制動態(tài)洗脫曲線。

1.2.6.3 洗脫速率的確定 取相同量的DEAE-52樹脂濕法裝柱,上樣飽和后,分別用選定洗脫劑以不同洗脫速度(設(shè)定為1.0、2.0、3.0BV/h)進行洗脫。0.1BV收集一管,測定洗脫物中絲膠含量隨洗脫速率的變化。收集一定體積的洗脫液,55 ℃烘箱中干燥至恒重,測定其洗脫物中絲膠蛋白的回收率及純度。絲膠蛋白純度、回收率及濃縮比的計算公式如下:

絲膠蛋白的純度(%)=絲膠蛋白的濃度(mg/mL)×溶液體積(mL)/洗脫物的質(zhì)量(mg)×100

絲膠蛋白回收率(%)=過柱后絲膠蛋白質(zhì)量(mg)/過柱前絲膠蛋白質(zhì)量(mg)×100

濃縮比=收集洗脫液中絲膠蛋白的濃度(mg/mL)/上樣液中絲膠蛋白的濃度(mg/mL)

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 每組實驗做3次平行,使用SPSS18.0進行數(shù)據(jù)分析,置信度95%(α=0.05);使用Origin7.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂選型

2.1.1 樹脂的吸附動力學(xué)曲線 靜態(tài)下樹脂對絲膠蛋白的吸附隨時間變化如圖1所示。60 min內(nèi),廢水的吸光度值呈快速下降,并在60 min時基本達到穩(wěn)定。相比6種樹脂,離子交換樹脂DEAE-52的吸附速率最快,30 min時已基本達到飽和,且廢液吸光度變化程度最大,說明DEAE-52吸附量大,為快速吸附型。而大孔樹脂D101、LX-1180、AB-8、DA201-C等則在120 min達到平衡,且對絲膠蛋白的吸附量很低。

圖1 絲膠蛋白樹脂的靜態(tài)吸附曲線Fig.1 Adsorption curves of sericin in six resins

2.1.2 不同型號樹脂對絲膠蛋白的靜態(tài)吸附和解析比較 經(jīng)24 h吸附飽和后,不同樹脂在其建議洗脫劑下洗脫,得到其吸附和解析量如表1所示。由表1可見,離子交換樹脂201×7 和DEAE-52的吸附量較高,其中,DEAE-52的吸附量最高,達到1.573 mg/g,比最低的D101高近6倍,但其解析率僅為80.39%,比201×7低,而DEAE-52樹脂對絲膠蛋白的吸附和解析率都在80%以上。因此,綜合考慮,選用DEAE-52樹脂作為后續(xù)實驗的分離樹脂。

表1 樹脂對絲膠蛋白的吸附和解析比較(25 ℃)Table 1 Comparison of adsorption and desorption of sericin for resin(25 ℃)

注:同一列不同字母表示存在顯著性差異,p<0.05;表2、表3同。

2.2 影響樹脂解析因素的研究

2.2.1 pH對解析能力的影響 圖2是解析液pH對DEAE-52樹脂吸附絲膠蛋白解析能力的影響,從圖2可以看出,隨著時間延長,絲膠的解析率逐漸增大,在前15 min快速達到吸附平衡,15 min以后基本沒有明顯提高。解析液pH為2和3時,絲膠蛋白解析率顯著高于其他pH。pH2酸性水溶液對DEAE-52吸附絲膠蛋白的解析率最大為60.40%,原因可能是隨著解析液酸性的增加,絲膠蛋白逐漸轉(zhuǎn)變成帶正電荷的蛋白質(zhì),與陰離子交換纖維上的正電荷產(chǎn)生靜電排斥作用,使得絲膠蛋白能充分解析[24]。

圖2 pH對絲膠蛋白DEAE-52解析能力的影響Fig.2 The effect of pH on the desorption of sericin from DEAE-52 resin

2.2.2 鹽濃度對解析能力的影響 吸附飽和的DEAE-52樹脂在不同濃度的氯化鈉解析液中,絲膠蛋白解析率隨時間的變化見圖3。從圖3可以看出,DEAE-52屬于快速解析型樹脂。

氯化鈉濃度為0.1 mol/L時,絲膠蛋白的解析率最大為73.80%,而其濃度達到0.8 mol/L以上時,解析率顯著降低。介于0.1～0.8 mol/L之間時,解析率隨氯化鈉濃度的增大出現(xiàn)一定的波動,總體趨勢為降低。可能原因是鹽濃度對蛋白質(zhì)的鹽析效應(yīng)和鹽溶效應(yīng)之間的變化,從而導(dǎo)致解析率改變[25]。

圖3 氯化鈉濃度對DEAE-52樹脂吸附絲膠蛋白解析能力的影響Fig.3 Effect of concentration of NaCl on the elution ability of DEAE-52 resin

2.2.3 pH與鹽的聯(lián)合作用 調(diào)整氯化鈉溶液的pH,探討酸性氯化鈉濃度對DEAE-52吸附解析能力的影響如圖4所示。從圖4可知洗脫液pH為2時,絲膠蛋白的解析率隨氯化鈉濃度增加而逐漸增大,離子濃度為1.0 mol/L和0.05 mol/L時的解析率較高,分別為88.99%和86.08%,無顯著差異(p>0.05)。當(dāng)洗脫液為pH3的0.1 mol/L氯化鈉溶液時,解析率最大為93.67%。這一結(jié)果與代菊紅[26]使用DEAE-52離子交換樹脂吸附分離重組類人膠原蛋白Ⅰ,用pH6.0,0.3 mol/L的氯化鈉溶液的脫附率為93%的結(jié)果相似。無論洗脫液的pH為2或pH為3時,洗脫液在很低的離子濃度下對樹脂吸附的絲膠蛋白都可以達到較好的解析效果,從環(huán)保和成本的角度擬采用pH3,氯化鈉濃度為0.1 mol/L作為洗脫液。

圖4 氯化鈉濃度與pH協(xié)同對樹脂DEAE-52解析能力的影響Fig.4 Effect of NaCl concentration & pH on desorption ability of DEAE-52 resin

2.3 DEAE-52樹脂動態(tài)吸附解析

2.3.1 上樣速率對樹脂吸附能力的影響 上樣速率低時,樹脂與廢水充分接觸從而使廢水中絲膠蛋白的吸附量和吸附率都比較高。若上樣速率過快,廢水中的絲膠蛋白和樹脂未充分接觸已經(jīng)流過樹脂,造成樹脂的吸附能力下降。從表2可以看出上樣速率為5 BV/h時樹脂的吸附量和吸附率都較高,并且此時速率適中,即有利于樹脂吸附廢水中的絲膠蛋白,又節(jié)省時間,綜合考慮確定廢水的上樣速率為5 BV/h。

表2 上樣速率對樹脂吸附能力的影響(25 ℃)Table 2 Influence of flow rate on the adsorption capacity of resin(25 ℃)

2.3.2 樹脂柱層析動態(tài)洗脫條件優(yōu)化 絲膠蛋白動態(tài)洗脫曲線如圖5所示。從圖5可以看出,使用pH2、0.05 mol/L氯化鈉作為洗脫劑獲得的絲膠蛋白洗脫峰相對比較集中,無拖尾出現(xiàn),最重要的是比pH3、0.1 mol/L氯化鈉作為洗脫劑得到的絲膠蛋白含量高。從圖5可以看出,采用pH2、0.05 mol/L氯化鈉作為洗脫劑時,洗脫液總體積4.0 BV,其中在1.7～3.0 BV段洗脫液中絲膠蛋白的含量較高,絲膠蛋白基本被洗脫下來。收集1.7～3.0 BV段洗脫液,絲膠蛋白的洗脫率達98.76%，絲膠蛋白濃縮倍數(shù)達到16.33。孫曉雪等[27]使用DEAE-52離子交換樹脂純化玉米須總多糖,洗脫過程中使用了10 BV水和15 BV的0.1 mol/L的氯化鈉溶液才將吸附的中性總多糖和酸性總多糖洗脫下來。與之相比,本實驗洗脫劑用量低,達到富集回收廢水中絲膠蛋白的目的。

圖5 絲膠蛋白的動態(tài)洗脫曲線Fig.5 Desorption curves of sericin on DEAE-52 resin column

2.3.3 洗脫速率的確定 分別以不同的洗脫速率(1、2、3 BV/h)對吸附等量絲膠蛋白的樹脂進行解析,根據(jù)動態(tài)洗脫曲線,收集絲膠蛋白含量較高的洗脫液,55 ℃烘箱中干燥至恒重,按照公式計算洗脫物中絲膠蛋白的回收率及純度,如表3所示。

表3 洗脫流速對絲膠蛋白的回收率及純度影響(25 ℃)Table 3 Influence of elution rate on the recoveries and purities of sericin(25 ℃)

從表3可以看出,洗脫速率低時,絲膠蛋白回收率高、純度高,但時間較長。而洗脫速率過快,解析液以較快的速度經(jīng)過樹脂還未來得及與樹脂充分接觸已流過柱子,導(dǎo)致絲膠蛋白的回收率和純度有所降低。劉生杰等[28]用DEAE-52離子交換樹脂純化豬血清免疫球蛋白G,洗脫得到兩個峰,蛋白純度分別為95.7%和59%。此外有文獻使用無水乙醇法提取廢水中的絲膠蛋白,得到的提取物中蛋白質(zhì)含量約為92%,但無水乙醇易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,影響其溶解性[29]。當(dāng)洗脫流速2.0 BV/h時,用時較短,同時絲膠蛋白的回收率和純度較高,分別為95.26%和96.71%,優(yōu)于前人的研究結(jié)果。可見DEAE-52離子交換樹脂對繅絲廢水中絲膠蛋白具有很好的富集回收、純化效果。

3 結(jié)論

由于企業(yè)采集廢水的難度較大,本文對工業(yè)繅絲廢水進行了分析,并在此基礎(chǔ)上,模擬繅絲工藝制備模擬繅絲廢水。選擇六種極性大孔樹脂和離子交換樹脂進行模擬繅絲廢水中絲膠蛋白的吸附分離。通過靜態(tài)吸附和解析性能,篩選出DEAE-52樹脂為理想的吸附劑。通過對DEAE-52樹脂動態(tài)吸附和解析性能的考察,得出對絲膠蛋白分離純化的最佳工藝條件:上樣速度5 BV/h，洗脫劑為pH2,濃度為0.05 mol/L的氯化鈉溶液,洗脫速度為2 BV/h,洗脫體積為4 BV。在此工藝下絲膠蛋白的總回收率為95.26%,純度可達96.71%。采用DEAE-52樹脂分離純化繅絲廢水中絲膠蛋白具有廣闊的工業(yè)前景。

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Adsorption separation of sericin from simulation filature wastewater by resin

JIAO Rui-ting,JIANG Hong-rui,WANG Cheng-hua,ZHAO Mou-ming,LIU Xiao-ling*

(College of Light Industry and Food,Guangxi University,Nanning 530004,China)

The sericin adsorption and desorption ability from simulation filature of six types of resins,AB-8,LX-1180,D101,DA201-C,DEAE-52 and 201×7 were compared and the best resin was selected. The optimal sericin separation parameters were determined by static and dynamic absorption experiment. The results showed that sericin adsorption capacity and recoverity of DEAE-52 ion exchange resin were much higher than other resins reached 1.573 mg/g and 95.07%,respectively. During the column separation,filature wastewater flowed with 5 BV/h into column,and then was eluted with 4 BV of pH2,0.05 mol/L sodium chloride solution by 2 BV/h,then 1.7～3.0 BV elution fractions was collected,the desorption ratio was 98.76%. After column separation,the recoverd sericin concentrated 16.33 times of wastewater,and the total recovery rate and purity of collected sericin were 95.26% and 96.71%,respectively.

filature wastewater;sericin;resin;adsorption

2016-11-07

焦瑞婷(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：蛋白質(zhì)資源的開發(fā)利用，E-mail:18275796165@163.com。

*通訊作者:劉小玲(1972-)，女，博士，教授，研究方向：生物大分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，E-mail:13877173857@163.com。

廣西重大基金項目(2016JJE120003)。

TS201.2

B

1002-0306(2017)10-0231-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.10.036