幾種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Pb2+、Cr6+的吸附

莊遠(yuǎn)紅, 費 鵬, 劉靜娜, 龐 杰

(1.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，鉛、鉻等使用日益廣泛，在大氣、土壤、水、食物和化妝品中普遍存在，極易通過消化道和呼吸道等被人體吸收.鉛非人體必需元素，是一種不可降解的環(huán)境污染物，會對人體骨髓造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等產(chǎn)生毒害作用[1]；鉻雖是人體不可缺少的微量元素，但過量攝入危害很大，特別是Cr6+，極易在體內(nèi)蓄積且具有極高的致毒性、致突變性和致癌性[2-4].鉛、鉻中毒時有發(fā)生，因此防治慢性鉛、鉻中毒尤為重要.研究表明，通過金屬硫蛋白的螯合作用[5-6]、多酚絡(luò)合作用[7]、谷胱甘肽的電化學(xué)作用[8-9]和膳食纖維的吸附作用[9-11]都能有效去除體內(nèi)殘留的鉛、鉻，其中以膳食纖維吸附應(yīng)用最廣，副作用最小.花生殼[11]、油橄欖果渣[10]、香蕉皮[12]和豆渣[13]等膳食纖維體外吸附鉛、鉻等重金屬已有報道，而柚皮膳食纖維對重金屬的吸附尚未見報道.柚子作為我國的主要水果之一，分布較廣，特別是在福建、湖南和廣東等南方地區(qū)產(chǎn)量大.柚皮占整個柚子全重的43%～48%[14]，其中，柚皮中的纖維素具有較強(qiáng)的吸附性能.本試驗從柚皮中提取柚皮纖維素，并對柚皮纖維素進(jìn)行鹽酸水解制得柚皮微晶纖維素，比較真空冷凍干燥并粉碎的柚子全皮(pomelo peel, PP)、柚子黃皮(yellow pomelo peel, YP)、柚子白皮(white pomelo peel, WP)、黃皮纖維素(yellow peel cellulose, YPC)、白皮纖維素(white peel cellulose, WPC)、柚皮微晶纖維素(pomelo peel microcrystalline cellulose, PMCC)和市售微晶纖維素(commercial microcrystalline cellulose, CMCC)在模擬胃環(huán)境下對Pb2+、Cr6+的吸附性能，旨在為柚皮制備物在保健品上的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮琯溪蜜柚皮由福建省漳州市平和縣蜜柚種植基地提供；CMCC為鄭州康本生物科技有限公司產(chǎn)品.

主要儀器與設(shè)備有FW-100高速萬能粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)、EL-20實驗室pH計(梅特勒—托利多上海有限公司)、RE-301旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)、EMS-8C加熱磁力攪拌器(天津歐諾儀器有限公司)、JHBE-50S閃式提取器(西安太康生物科技有限公司)、HQY-C恒溫振蕩搖床(金壇市鴻科儀器廠)、1510 Multiskan GO全波長酶標(biāo)儀(賽默飛世爾科技公司)、LG-0.2型真空冷凍干燥機(jī)(沈陽航天新陽速凍設(shè)備制造有限公司).

1.2 樣品的制備

1.2.1 PP的制備 將新鮮的柚子皮切成粒狀，經(jīng)真空冷凍干燥至含水量約3%，粉碎后過80目篩備用.

1.2.2 YP的制備 刮除新鮮柚皮白囊，得到1～1.5 mm厚的黃皮層，經(jīng)真空冷凍干燥、粉碎后過篩備用.

1.2.3 WP的制備 將新鮮柚皮削去黃皮，取白囊切成粒狀，經(jīng)真空冷凍干燥、粉碎后過篩備用.

1.2.4 YPC的制備 取新鮮柚子黃皮，剪成大小約為8 mm×3 mm的塊狀，按5∶1的液料比(溶劑體積與制備物質(zhì)量之比，mL·g-1)加入蒸餾水，在閃式提取器下破碎80 s，然后用水蒸氣蒸餾40 min除去精油，300目濾布過濾后，濾渣按5∶1的液料比加入40%乙醇，在60 ℃水浴下回流浸提60 min，過濾后，用蒸餾水洗滌濾渣，經(jīng)真空冷凍干燥即得黃皮纖維素，粉碎過篩后備用.

1.2.5 WPC的制備 取新鮮柚子白皮，切成1 cm3大小的粒狀，按20∶1的液料比加入蒸餾水，在閃式提取器(100 V)下破碎100 s，用HCl調(diào)節(jié)pH至1.0，微波煮至微沸，于90 ℃水浴回流30 min，趁熱用300目濾布過濾；濾渣用沸水洗至中性，抽濾，按20∶1的液料比加入蒸餾水，用8% NaOH調(diào)節(jié)pH至12，微波煮至微沸，于90 ℃水浴回流30 min，趁熱用300目濾布過濾，沸水洗至中性，抽濾；濾渣加入等量的10% H2O2，并用50%乙酸調(diào)節(jié)pH至5.0，恒溫靜置30 min，趁熱用300目濾布過濾；濾渣用沸水洗至中性，真空冷凍干燥，獲得WPC，粉碎過篩后備用.

1.2.6 PMCC的制備 取WPC，按50∶1的液料比加入4% HCl，于80 ℃水浴回流50 min，趁熱用300目濾布過濾，濾渣用沸水洗至中性，真空冷凍干燥，即得PMCC，粉碎過篩后備用.

1.3 人工胃液的配制

按照文獻(xiàn)[15-16]的方法，取16.4 mL 1 mol·L-1鹽酸和10 g胃蛋白酶(酶活性3 000 U·mg-1)，搖勻后加水稀釋成1 000 mL即得.

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 幾種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Pb2+的吸附 設(shè)置制備物分別為PP、YP、WP、YPC、WPC、PMCC和CMCC，按2 g·L-1的比例加入含20 mg·L-1Pb2+的人工胃液，于37 ℃環(huán)境下以100 r·min-1恒溫振蕩，用Pb(Ⅱ)-XO-CTMAB分光光度法[17]測定處理1、2、3和4 h后溶液中剩余Pb2+的含量，計算吸附量和去除率，篩選吸附Pb2+能力最強(qiáng)的制備物.

1.4.2 幾種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Cr6+的吸附 設(shè)置制備物分別為PP、YP、WP、YPC、WPC、PMCC和CMCC，按2 g·L-1的比例加入含5.0 mg·L-1Cr6+的人工胃液，于37 ℃環(huán)境下以100 r·min-1恒溫振蕩，用二苯碳酰二肼分光光度法[18]測定處理1、2、3和4 h后溶液中剩余Cr6+的含量，計算吸附量和去除率，篩選吸附Cr6+能力最強(qiáng)的制備物.

1.4.3 Pb2+、Cr6+初始含量對吸附效果的影響 以對Pb2+、Cr6+吸附效果最強(qiáng)的制備物為對象，研究在模擬胃環(huán)境下Pb2+、Cr6+初始含量變化對吸附效果的影響，獲得最適宜的初始含量.

制備物按2 g·L-1的比例加入含Pb2+或Cr6+的人工胃液，設(shè)置初始Pb2+含量分別為5、10、15、20和25 mg·L-1，初始Cr6+含量分別為1、3、5、10和15 mg·L-1，于37 ℃環(huán)境下以100 r·min-1恒溫振蕩，分別測定處理3 h后Pb2+或Cr6+的殘留量，計算吸附量和去除率.

1.4.4 制備物用量對Pb2+、Cr6+吸附效果的影響 在最適宜的Pb2+、Cr6+初始含量下，以吸附效果最強(qiáng)的制備物為對象，研究模擬胃環(huán)境下制備物用量對Pb2+、Cr6+吸附效果的影響，獲得最佳的制備物用量.

設(shè)置制備物用量分別為1、2、3.5、5、6.5和7.5 g·L-1，加入含Pb2+或Cr6+的人工胃液，于37 ℃環(huán)境下以100 r·min-1恒溫振蕩，分別測定處理3 h后Pb2+或Cr6+的殘留量，計算吸附量和去除率.

1.4.5 指標(biāo)的計算 吸附量/(mg·g-1)=(C0-Ce)×V/w；去除率/%=(C0-Ce)/C0×100.式中：C0、Ce分別為吸附前、吸附后某時刻溶液中金屬離子含量(mg·L-1)；V為溶液體積(L)；w為制備物用量(g).

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳柚皮制備物吸附劑的選擇

2.1.1 幾種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Pb2+的吸附 柚皮制備物對Pb2+的吸附量和去除率(圖1、2)顯示：7種制備物對Pb2+的吸附效果大致表現(xiàn)為：YPC>YP>PP>WP>WPC>PMCC>CMCC，YPC對Pb2+的吸附能力明顯高于其他6種制備物；且隨著吸附時間的延長，YPC對Pb2+的吸附量和去除率均呈緩慢升高的趨勢，吸附3 h時，Pb2+的吸附量為5.62 mg·g-1，去除率達(dá)75.6%，后趨于穩(wěn)定.這是因為纖維素類物質(zhì)具有多孔性，其結(jié)構(gòu)中含有酚羥基、醇羥基、羰基和甲氧基等多種活性基團(tuán)，是金屬離子的活性吸附位點，具有良好的吸附作用[19].Pb2+在多孔吸附劑上的吸附主要發(fā)生在吸附劑表面層，與表層的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，吸附速率逐漸加快，當(dāng)表層吸附逐漸飽和時，Pb2+沿吸附劑表層孔徑向內(nèi)部擴(kuò)散，吸附量增大放緩，最后達(dá)到吸附平衡[20].從表1的Duncan檢驗可知，僅WPC與PMCC對Pb2+的吸附量差異不顯著(P>0.05)，其余各處理之間的差異極顯著(P<0.01).由表2可知，吸附3 h后的Pb2+吸附量與4 h的差異顯著(P<0.05)，其余各處理之間的差異極顯著(P<0.01).

2.1.2 幾種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Cr6+的吸附 柚皮制備物對Cr6+的吸附量和去除率(圖3、4)顯示，7種制備物對Cr6+的吸附效果表現(xiàn)為：YP>PP>WP>YPC>WPC>PMCC>CMCC.隨著吸附時間的延長，7種制備物對Cr6+的去除率和吸附量均逐漸增大，3 h的吸附量最大，而后去除率和吸附量趨于穩(wěn)定.YP對Cr6+的吸附效果最佳，吸附初期，柚子黃皮表層位點較多，吸附速率較快，吸附量急劇上升，3 h的去除率達(dá)到94.36%，吸附量達(dá)到1.95 mg·g-1，此時達(dá)到吸附飽和；隨著吸附時間的延長，更多的吸附位點被占用，吸附速率逐漸降低，即曲線逐漸平緩[21]，繼續(xù)吸附則Cr6+的吸附量和去除率變化不大.從表1、2的Duncan檢驗可知，僅CMCC對Cr6+的吸附量與PMCC差異不顯著(P>0.05)，其余各處理之間的差異極顯著(P<0.01)，而吸附時間對Cr6+的吸附量差異極顯著(P<0.01).

圖1 柚皮制備物對Pb2+吸附量的影響Fig.1 The effect of pomelo peel preparations on the adsorption capacity of Pb2+

2.2 Pb2+、Cr6+初始含量對吸附效果的影響

表1 柚皮制備物對Pb2+、Cr6+吸附量差異的Duncan檢驗1)Table 1 Duncan test for the adsorption capacity of Pb2+ and Cr6+on pomelo peel preparations

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；同列數(shù)據(jù)后附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).

表2 吸附時間對Pb2+、Cr6+吸附量影響的Duncan檢驗1)Table 2 Duncan test for the effect of adsorption time on Pb2+ and Cr6+ adsorption capacity

1)同列數(shù)據(jù)后附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05).

2.2.1 模擬胃環(huán)境下Pb2+初始含量對YPC吸附效果的影響 在YPC用量2 g·L-1、振蕩溫度37 ℃、振蕩速度100 r·min-1、吸附時間3 h的條件下，設(shè)置Pb2+的初始含量分別為5、10、15、20和25 mg·L-1，研究Pb2+初始含量對YPC吸附效果的影響.結(jié)果(圖5)顯示，隨著Pb2+初始含量的升高，YPC對Pb2+的吸附量呈遞增趨勢，去除率呈下降趨勢.Pb2+初始含量為20 mg·L-1時，YPC對Pb2+具有較高的吸附量及較好的去除率，此時的吸附量為5.08 mg·g-1，去除率為80.7%.

2.2.2 模擬胃環(huán)境下Cr6+初始含量對YP吸附效果的影響 在YP用量2 g·L-1、振蕩溫度37 ℃、振蕩速度100 r·min-1、吸附時間3 h的條件下，設(shè)置Cr6+的初始含量分別為1、3、5、10和15 mg·L-1，研究Cr6+初始含量對YP吸附效果的影響.結(jié)果(圖6)顯示，YP對Cr6+的吸附量整體呈上升趨勢.當(dāng)Cr6+初始含量從1 mg·L-1升高到5 mg·L-1時，吸附量從0.22 mg·g-1急劇上升到2.46 mg·g-1，而去除率變化不大；當(dāng)Cr6+含量大于5 mg·L-1時，吸附量的增加幅度減緩，而去除率則急劇下降.Cr6+初始含量為5 mg·L-1時，YP對Cr6+具有較高的吸附量及較好的去除率.

圖3 柚皮制備物對Cr6+吸附量的影響Fig.3 The effect of pomelo peel preparations on the adsorption of Cr6+

圖5 Pb2+初始含量對YPC吸附效果的影響Fig.5 Effect of initial content of Pb2+ ontheadsorptionof YPC

2.3 制備物用量對Pb2+、Cr6+吸附效果的影響

2.3.1 模擬胃環(huán)境下YPC用量對Pb2+吸附效果的影響 在Pb2+初始含量20 mg·L-1、振蕩溫度37 ℃、振蕩速度100 r·min-1、吸附時間3 h的條件下，設(shè)置YPC用量分別為1、2、3.5、5、6.5和7.5 g·L-1，研究YPC用量對Pb2+吸附效果的影響.結(jié)果(圖7)顯示，隨著YPC用量的增加，對Pb2+的去除率逐漸上升.當(dāng)YPC用量為5 g·L-1時，去除率達(dá)到100%，即使增加YPC的用量，也沒有過多的Pb2+被吸附，吸附量迅速下降；當(dāng)YPC的用量為3.5 g·L-1時，YPC對Pb2+具有較高的吸附量及較好的去除率，此時的去除率達(dá)95.5%，吸附量為3.86 mg·g-1.

2.3.2 模擬胃環(huán)境下YP用量對Cr6+吸附效果的影響 在Cr6+初始含量5 mg·L-1、振蕩溫度37 ℃、振蕩速度100 r·min-1、吸附時間3 h的條件下，設(shè)置YP用量分別為1、2、3.5、5、6.5和7.5 g·L-1，研究YP用量對Cr6+吸附效果的影響.結(jié)果(圖8)顯示，隨著YP用量的增加，對Cr6+的吸附量呈下降趨勢，而去除率則逐漸上升.當(dāng)YP用量為5 g·L-1時，YP對Cr6+具有較高的吸附量及較好的去除率，此時的去除率為88.3%，吸附量達(dá)2.35 mg·g-1.

圖7 YPC用量對Pb2+吸附效果的影響Fig.7 Effect of YPC dosage on the adsorption of Pb2+

3 討論與結(jié)論

本試驗比較了PP、YP、WP、YPC、WPC、PMCC和CMCC 7種柚皮制備物在模擬胃環(huán)境下對Pb2+、Cr6+的吸附性能.結(jié)果表明：(1)無論是對Pb2+還是對Cr6+的吸附，PMCC和CMCC的吸附量都是最低，這應(yīng)該與其結(jié)構(gòu)有關(guān).微晶纖維素是經(jīng)稀酸水解的部分解聚的纖維素，纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，活性基團(tuán)減少[22]，對Pb2+、Cr6+的吸附性能下降；而WPC在結(jié)構(gòu)上較接近于微晶纖維素，其對Pb2+、Cr6+的吸附量僅高于PMCC和CMCC，且與PMCC對Pb2+的吸附量差異不顯著(P>0.05).(2)對Cr6+的吸附量總體表現(xiàn)為：柚皮干粉>柚皮纖維素>微晶纖維素，以YP最高.這可能是由于柚皮的纖維組織結(jié)構(gòu)非常緊湊，內(nèi)部含有大量孔隙，呈蜂窩狀，具有較大的存儲容量[23]，且其組成成分——纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠中含有大量金屬離子的活性吸附位點，如酚羥基、醇羥基、羰基和甲氧基等[19]，對Cr6+的吸附性能較強(qiáng)；而當(dāng)柚皮干粉水解成為纖維素后，大量的羰基和甲氧基等活性基團(tuán)損失了，對Cr6+的吸附性能也隨之下降.(3)YPC對Pb2+的吸附量最高，且與其他制備物對Pb2+的吸附量差異達(dá)到了極顯著水平(P<0.01).這可能是由于柚皮干粉水解成為纖維素后，在損失了大量的羰基和甲氧基等活性基團(tuán)的同時，其組織結(jié)構(gòu)更加疏松且羥基密度顯著增大了，雖然對Cr6+的吸附量顯著降低，但卻更容易吸附Pb2+.

本試驗結(jié)果還表明，Pb2+、Cr6+初始含量不同，YPC對Pb2+，YP對Cr6+的吸附均表現(xiàn)出隨著初始含量的增加呈吸附量增大、去除率下降的趨勢.這是因為YPC、YP用量一定時，其飽和吸附量也是一定的.Pb2+、Cr6+初始含量越大，越多的Pb2+、Cr6+競爭吸附劑表面的吸附位點，未被吸附的Pb2+、Cr6+也越多，去除率下降；同時隨著Pb2+、Cr6+初始含量的增加，吸附劑內(nèi)外的濃度差增大，產(chǎn)生的傳質(zhì)推動力也較大，因此吸附量上升[24].而當(dāng)Pb2+、Cr6+初始含量不變，YPC和YP用量增加時則比表面積增大，造成吸附位點競爭吸附為數(shù)不多的Pb2+、Cr6+，吸附劑的吸附位點沒有完全被利用，就出現(xiàn)去除率上升而吸附量下降的現(xiàn)象[25].在模擬胃環(huán)境下，吸附溫度為37 ℃，吸附時間為3 h，YPC用量為3.5 g·L-1，Pb2+初始含量為20 mg·L-1時，YPC對Pb2+的吸附量為3.86 mg·g-1，去除率為95.5%；當(dāng)YP用量為5 g·L-1，Cr6+初始含量為5 mg·L-1時，YP對Cr6+的吸附量為2.35 mg·g-1，去除率為88.3%，均達(dá)到了理想的吸附效果.