劉伏佳,譚禮浩,伍家豪,曹　庸,賀麗蘋

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)測試中心,廣東廣州 510642;3.廣東省天然活性物工程技術(shù)研究中心,廣東廣州 510642)

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殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的去除及其機(jī)理研究

劉伏佳1,3,譚禮浩1,3,伍家豪1,曹庸1,3,賀麗蘋2,3,*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)測試中心,廣東廣州 510642;3.廣東省天然活性物工程技術(shù)研究中心,廣東廣州 510642)

為探討殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的去除及其去除機(jī)理。以竹蓀水提液為研究對象,利用殼聚糖吸附其中的鎘,以鎘吸附率和粗多糖保留率作為指標(biāo),在單因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行pH、殼聚糖添加量、吸附溫度和吸附時間的四因素三水平正交實驗,并探究了殼聚糖吸附前后的竹蓀水提液中鎘形態(tài)的變化。結(jié)果表明:最佳吸附條件為:pH7.0、殼聚糖添加量0.35 g/100 mL、吸附溫度70 ℃、吸附時間2.5 h,在此條件下,鎘吸附率為63.8%,粗多糖保留率為85.6%,鎘含量達(dá)到食品安全標(biāo)準(zhǔn)限量的要求;形態(tài)分析結(jié)果顯示殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態(tài)、無機(jī)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的鎘。表明殼聚糖對竹蓀水提液中鎘具有較好的吸附效果,且對功效成分粗多糖的影響較小。

竹蓀水提液,鎘,粗多糖,殼聚糖,形態(tài)分析

竹蓀(DictyophoraIndusiata)是一種名貴的大型食用菌,自古就被列為草八珍之一,有“現(xiàn)代保健食品”、“人類植物性食品的頂峰”等美譽(yù)[1]。竹蓀主要有效成分為粗多糖,還包含氨基酸、脂肪、揮發(fā)油等有效物質(zhì)[2],具有抗衰老、增強(qiáng)免疫、抗腫瘤、降血壓、抑菌等功效[3]。除了日常食用,竹蓀還被開發(fā)為竹蓀酒、罐頭、飲料、面條等功能食品,同時在保健品和化妝品領(lǐng)域也獲得了深度開發(fā)[4]。由于竹蓀富集重金屬的能力強(qiáng),再加上產(chǎn)地環(huán)境的惡化和化肥等基質(zhì)材料的濫用,導(dǎo)致竹蓀及其水提液中重金屬污染問題越來越突出[5],尤其鎘元素嚴(yán)重超標(biāo)。不僅影響了其食用安全,而且限制了竹蓀新產(chǎn)品的研發(fā)。因此,采用合適的方法去除竹蓀水提液中超標(biāo)的鎘,使其達(dá)到或低于限量標(biāo)準(zhǔn)的要求,保證其食用安全,對竹蓀產(chǎn)品的深度開發(fā)具有十分重要的意義。

目前食材中重金屬去除方法主要有高速離心法、吸附澄清法、吸附色譜法和超臨界流體萃取法等[6]。高速離心法不能去除離子狀態(tài)的重金屬;吸附色譜分離法和超臨界流體萃取法操作復(fù)雜、成本高,且后者不適合液體樣品的處理;吸附澄清法所用吸附劑主要有殼聚糖、纖維素、麥飯石等,其中殼聚糖具有來源廣、安全、成本低、操作簡單、吸附效果好等優(yōu)點[7]。因此本實驗選用殼聚糖對竹蓀水提液中的鎘進(jìn)行吸附。

本研究在保證竹蓀功效成分有效保留的前提下,探究了殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的最佳吸附條件,并分析吸附前后竹蓀水提液中鎘的形態(tài)變化,探索了竹蓀水提液中鎘的存在形態(tài)和殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的機(jī)理。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

竹蓀水提液由無限極(中國)有限公司提供;硫酸、無水乙醇廣州化學(xué)試劑廠,分析純;硝酸、過氧化氫廣州化學(xué)試劑廠,優(yōu)級純;殼聚糖(脫乙酰度≥90%)廣州市齊云生物技術(shù)有限公司;強(qiáng)酸型陽離子樹脂、Amberlite XAD-2大孔樹脂廣州市齊云生物技術(shù)有限公司;Chelex-100螯合樹脂Sigma公司。

原子吸收光譜儀美國PerkinElmer公司;Ethos D微波消解儀意大利Milestone公司;EG-20B電熱板北京萊伯泰科科技有限公司;紫外可見分光光度計上海精密科學(xué)儀器有限公司;SZCL-30磁力攪拌水浴鍋河南予華儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的技術(shù)流程竹蓀水提液→加入殼聚糖→調(diào)節(jié)pH→設(shè)置吸附溫度與吸附時間→磁力攪拌→離心→取上清液→定容→測定鎘和粗多糖含量

1.2.2鎘、粗多糖含量的檢測鎘含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5009.15-2003的方法將樣品消化后,以磷酸二氫胺(120 g/L)作為基體改進(jìn)劑,石墨爐原子吸收光譜法測定;粗多糖含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)NYT 1676-2008測定。

1.2.3水提液pH的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,分別調(diào)節(jié)水提液的pH為3.0、5.0、7.0、8.0、9.0,在60 ℃下磁力攪拌3 h,4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.4殼聚糖添加量的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,分別加入0.07、0.15、0.30、0.45、0.60 g殼聚糖,調(diào)節(jié)pH為7.0,在60 ℃下磁力攪拌3 h,4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.5吸附溫度的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,調(diào)節(jié)pH為7.0,分別設(shè)置吸附溫度為30、45、60、75、90 ℃,磁力攪拌3 h,4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.6吸附時間的確定量取5份竹蓀水提液100 mL,置于錐形瓶中,加入0.30 g殼聚糖,調(diào)節(jié)pH為7.0,在60 ℃下,磁力攪拌1、2、3、4、5 h,4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min,上清液定容測定鎘和粗多糖的含量。

1.2.7吸附最佳參數(shù)的確定對pH、吸附溫度、殼聚糖添加量、吸附時間這四個因素及其對應(yīng)的三個較優(yōu)水平進(jìn)行正交實驗,采用L9(34)正交實驗對殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的工藝條件作進(jìn)一步優(yōu)化。實驗設(shè)計中的因素及水平見表1。

表1　L9(34)正交實驗因素水平表Table 1　L9(34)Factors and levels of orthogonal test

1.2.8鎘吸附率和粗多糖保留率的計算

式中:C1為殼聚糖吸附前竹蓀水提液中鎘的含量,單位為μg/kg;C2為殼聚糖吸附后竹蓀水提液中鎘的含量,單位為μg/kg。

P為殼聚糖吸附后竹蓀水提液中粗多糖的含量,單位為g/100 g;P1為殼聚糖吸附前竹蓀水提液中粗多糖的含量,單位為g/100 g。

1.2.9形態(tài)分析方法參考文獻(xiàn)[8-9],取一定量殼聚糖吸附前后的竹蓀水提液,分別過Amberlite XAD-2大孔樹脂、Chelex-100螯合樹脂、強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂,即得到有機(jī)態(tài)和無機(jī)態(tài)、穩(wěn)定態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)、游離態(tài)和非游離態(tài)的鎘。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計處理,使用OriginPro 7.5作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1竹蓀水提液中鎘和粗多糖的含量

經(jīng)檢測竹蓀水提液中鎘的含量為779.7 μg/kg,粗多糖含量為4.75%(折算為25%的固形物含量)。參考《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》以及《藥用植物及制劑進(jìn)口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》可知鎘的限量為300 μg/kg,竹蓀水提液中鎘的含量遠(yuǎn)高于其限量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2單因素實驗結(jié)果與分析

2.2.1水提液pH對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖1可以看出,隨著水提液pH的升高,鎘吸附率逐漸升高,當(dāng)pH達(dá)到7.0后鎘吸附率后稍有下降。這是因為在低pH條件下,H+和鎘與殼聚糖上的結(jié)合位點發(fā)生競爭性的結(jié)合,殼聚糖上的-NH2形成-NH3+,對鎘的吸附能力減小;隨著pH的增大,殼聚糖中的-NH2游離出來,對鎘的吸附能力隨之增強(qiáng)[10-11];當(dāng)pH大于7.0以后,殼聚糖對水提液中存在的其他金屬離子的選擇性吸附強(qiáng)于鎘離子,導(dǎo)致吸附率略有下降[12]。與此同時,粗多糖保留率隨pH的增加逐漸下降。

綜合考慮,選取pH6.5、7.0、7.5繼續(xù)對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定水提液的最佳pH。

圖1　pH對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響Fig.1　Effect of pH on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.2殼聚糖添加量對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖2可以看出,隨著殼聚糖添加量的增加,水提液中鎘吸附率逐漸升高,當(dāng)殼聚糖添加量達(dá)到0.30 g/100 mL時吸附接近飽和,再增加殼聚糖添加量時,鎘吸附率趨于穩(wěn)定。這是因為殼聚糖添加量的增加導(dǎo)致了與鎘作用的基團(tuán)數(shù)量增多,但當(dāng)殼聚糖添加量超過0.30 g/100 mL以后鎘吸附率趨于穩(wěn)定,說明吸附已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。與此同時,殼聚糖添加量的變化對粗多糖保留率的影響較小。

綜合考慮,選取0.25、0.30、0.35 g/100 mL繼續(xù)對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的殼聚糖添加量。

圖2　殼聚糖添加量對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響Fig.2　Effect of chitosan content on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.3吸附溫度對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響從圖3可以看出,在30～75 ℃的溫度范圍內(nèi),隨著吸附溫度的升高,鎘吸附率迅速上升,吸附溫度達(dá)到75 ℃時,吸附效果最好,之后略有下降。由于隨著溫度的升高,加速了殼聚糖與鎘結(jié)合的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度;當(dāng)溫度高于75 ℃時,殼聚糖與鎘的結(jié)合遭到破壞,導(dǎo)致鎘吸附率下降。與此同時,在20～60 ℃的溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,體系的熱運(yùn)動加劇,殼聚糖分子與粗多糖之間的碰撞幾率增加,粗多糖保留率迅速下降;隨著溫度進(jìn)一步升高,殼聚糖分子鏈有收縮的趨勢,縮短了架橋長度,對粗多糖的絮凝能力減弱,粗多糖保留率下降趨勢變緩[12]。

綜合考慮,選取70、75、80 ℃繼續(xù)對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的吸附溫度。

圖3　吸附溫度對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響Fig.3　Effect of temperature on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.2.4吸附時間對鎘吸附率和粗多糖保留率的影響從圖4可以看出,在1～3 h的時間范圍內(nèi),隨著吸附時間增加,鎘吸附率迅速提高,當(dāng)吸附時間為3 h時,吸附效果最好,之后稍有下降。這是因為在1～3 h時間范圍內(nèi),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,殼聚糖不斷地與鎘結(jié)合,吸附率逐漸上升;3 h以后,隨著時間的繼續(xù)延長,部分已結(jié)合的絡(luò)合物趨向于分解,導(dǎo)致吸附率下降[14]。與此同時,粗多糖保留率隨著反應(yīng)時間延長緩慢上升。

綜合考慮,選取2.5、3.0、3.5 h繼續(xù)對水提液中鎘的吸附做正交實驗以確定最佳的吸附時間。

圖4　吸附時間對鎘吸附率和粗多糖的保留率的影響Fig.4　Effect of time on adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide

2.3正交實驗優(yōu)化吸附條件

根據(jù)表2可以得出,pH、吸附溫度、殼聚糖添加量、吸附時間這四個因素對殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的影響強(qiáng)度主次順序為A>C>D>B。最優(yōu)正交實驗組合實驗5的鎘吸附率達(dá)62.7%。根據(jù)表3方差分析可以看出,pH單因素的F比值大于F0.05的臨界值,因此,pH對竹蓀水提液中鎘的吸附有顯著性影響(p<0.05),其他因素的影響不顯著。從節(jié)約能源的角度結(jié)合極差分析結(jié)果,最終確定最優(yōu)工藝組合為A2B1C3D1,然而此工藝組合未出現(xiàn)在正交實驗組合中,驗證實驗結(jié)果顯示,本工藝鎘的吸附率為63.8%,優(yōu)于最優(yōu)正交實驗組合實驗5。經(jīng)最優(yōu)工藝處理后竹蓀水提液中鎘含量為282.3 μg/kg,低于限量標(biāo)準(zhǔn),同時粗多糖保留率為85.6%。

表3　殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的正交實驗結(jié)果的方差分析Table 3　Variance analysis results of orthogonal experiment of absorbing cadmium in water extraction liquid of Dictyophora Indusiata by chitosan

注：*代表具有顯著性差異,p<0.05。

表2　殼聚糖吸附竹蓀水提液中鎘的 正交實驗結(jié)果與極差分析Table 2　Orthogonal optimization results and range analysis of absorbing cadmium in water extraction ofDictyophora Indusiata by chitosan

2.4殼聚糖吸附鎘的機(jī)理分析

從圖5可知,竹蓀水提液中鎘主要以游離態(tài)、無機(jī)態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)三種形態(tài)存在,說明竹蓀水提液中只有少量的鎘以與有機(jī)成分絡(luò)合的形式存在。殼聚糖吸附后的竹蓀水提液中游離態(tài)、無機(jī)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)鎘的含量相比于吸附前均有所降低，其中游離態(tài)和無機(jī)態(tài)降低較明顯，分別降低了72.9%、65.7%,其他形態(tài)鎘的變化趨勢不明顯?？梢?殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態(tài)、無機(jī)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的鎘,這是由于殼聚糖分子中含有大量的帶孤對電子的活性基團(tuán)(如-OH、-NH2等),這些活性基團(tuán)對水提液中的鎘離子具有很好的吸附能力,但對和有機(jī)物絡(luò)合的鎘則無法或難以發(fā)生吸附反應(yīng)[15-16]。

圖5　殼聚糖吸附前后鎘的形態(tài)分布Fig.5　Speciation of cadmium before and after chitosan adsorption

3　結(jié)論

本文研究了殼聚糖對竹蓀水提液中鎘的吸附作用,正交實驗確定了其最優(yōu)吸附條件,研究表明:pH對竹蓀水提液中鎘的吸附有顯著性影響,最佳吸附條件為:pH7.0、溫度70 ℃、殼聚糖添加量0.35 g/100 mL、反應(yīng)時間2.5 h,在此工藝條件下竹蓀水提液中鎘吸附率達(dá)63.8%,同時功效成分粗多糖保留良好,吸附后的竹蓀水提液中鎘含量達(dá)到了食品安全標(biāo)準(zhǔn)限量的要求;進(jìn)一步的形態(tài)分析結(jié)果表明,殼聚糖主要吸附竹蓀水提液中游離態(tài)、無機(jī)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)這三種形態(tài)的鎘。

本研究提供了一種去除竹蓀水提液中鎘的方法,殼聚糖是天然生物高分子聚合物,來源廣且不會對環(huán)境造成二次污染。該方法操作簡單、成本低、對竹蓀水提液中的鎘有良好的吸附效果;同時,有效成分保留率理想,具有很好的實際應(yīng)用價值。

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Study on removal of cadmium and its mechanism in water extract ofDictyophoraIndusiataby chitosan

LIU Fu-jia1,3,TAN Li-hao1,3,WU Jia-hao1,CAO Yong1,3,HE Li-ping2,3,*

(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Instrumental Analysis & Research Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;3. Guangdong Engineering Research Center of Natural Active Substance,Guangzhou 510642,China)

To investigate the effects on removal of cadmium and its mechanism in water extract ofDictyophoraIndusiataby chitosan,the orthogonal test design was conducted and the adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide was the measure indicator. Four adsorption parameters including pH,chitosan content,adsorption temperature and adsorption time were optimized using orthogonal test design based on the single factor experiments. Furthermore,the speciation of cadmium had been investigated before and after adsorption by chitosan. The optimization condition was as follows:the conditions of pH7.0,0.35 g/100 mL of chitosan content,70 ℃ of adsorption temperature and 2.5 h of adsorption time. The adsorption rate of cadmium and retention rate of polysaccharide were 63.8% and 85.6%,respectively. After cadmium removal,the contents of cadmium in water extract ofDictyophoraIndusiatawere decreased under the limit amount requirement of food safety standards. The results of speciation analysis showed that mainly free-state,inorganic-state and steady-state of cadmium were absorbed by chitosan. Chitosan had a good adsorption effect to cadmium and less impact on polysaccharide in water extract ofDictyophoraIndusiata.

Water extracts ofDictyophoraIndusiata;cadmium;polysaccharide;chitosan;speciation analysis

2016-12-27

劉伏佳(1991-),男,在讀碩士研究生,研究方向:食品科學(xué)與工程,E-mail:liufujia2011@126.com。

賀麗蘋(1965-),女,博士,副教授,研究方向:食品質(zhì)量與安全,E-mail:heliping@scau.edu.cn。

TS218

A

1002-0306(2016)15-0112-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.013