磷酸盐缓冲液活化虾壳材料脱除镉的初步研究

李濛晓妍，万 鹏，蔡冰娜，陈得科，朱晓连，孙恢礼，陈 华，潘剑宇

（1.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室/中国科学院南海海洋研究所/广东省海洋药物重点实验室，广东 广州 510301；2.中国科学院大学，北京 100049）

磷酸盐缓冲液活化虾壳材料脱除镉的初步研究

李濛晓妍1，2，万 鹏1，蔡冰娜1，陈得科1，2，朱晓连1，2，孙恢礼1，陈 华1，潘剑宇1

（1.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室/中国科学院南海海洋研究所/广东省海洋药物重点实验室，广东 广州 510301；2.中国科学院大学，北京 100049）

虾壳黏附蛋白中的酸性氨基酸残基含量相对较高，有利于虾壳通过阳离子交换方式脱除水溶液中的重金属。脱无机盐虾壳经磷酸盐缓冲液浸泡活化可以得到一种能够脱除水溶液中低浓度镉离子的虾壳材料。以Cd2+浓度约3 mg/L水溶液中的Cd2+脱除率为指标，通过单因素和正交试验，考察了浸泡活化中磷酸盐缓冲液pH值、磷酸盐缓冲液浓度、磷酸盐缓冲液与虾壳液固比、活化时间等因素对虾壳脱除镉能力的影响。确定了磷酸盐缓冲液活化虾壳的最佳条件：磷酸盐缓冲液pH 7.5，浓度0.15 mol/L，液固比20∶1，活化时间120 min。所得磷酸盐缓冲液活化虾壳在100 mg/80 mL加入量下，对水溶液中Cd2+的脱除率为95.25（±0.57）%。

虾壳；磷酸盐缓冲液；活化；镉；脱除

水体的重金属污染主要来源于冶炼、采矿、核工业、化工业等工厂废水排放，高浓度的重金属废水经过化学沉淀、离子交换、吸附、膜过滤等常规方法处理后，仍存在微量的重金属离子存留。由于重金属离子具有不可降解性、生物富集性、长期持续性毒性的特点，即使浓度很低，也能造成危害［1-3］。镉是重金属污染物中比较常见的一种，是目前已知的最容易在体内蓄积的重金属种类之一，在人体内主要储存在肝脏和肾脏中，对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼均可产生毒性，镉造成的骨痛病是世界八大环境公害病之一［4-5］。

甲壳素与壳聚糖是目前新兴的吸附材料，能够有效去除废水及其他液体中低浓度或微量的重金属离子［6-7］。虾壳作为甲壳素与壳聚糖的来源，具有来源丰富、价格低廉、食用安全的特点，但从虾壳中提取甲壳素并脱乙酰基转化为壳聚糖，需要消耗大量的酸、碱，污染环境，也有可能使虾壳遭到污染，降低安全性，而且1 g干虾壳只能制备0.1 g的壳聚糖，无论经济还是环境成本均较高［8-9］。同时，分析虾壳成分以及生产甲壳素的废碱液成分发现，干虾壳中含有大量的矿物质，其次是甲壳素，还有少量的蛋白质、脂肪、虾红素和虾黄素等，而虾壳黏附的蛋白含有多种氨基酸残基，其中含量最高的氨基酸是天冬氨酸和谷氨酸，它们都会在碱泡脱蛋白时被去除［10-11］，这两种氨基酸具有酸性基团支链，有助于虾壳结合镉。因此完全脱除虾壳的蛋白质并不利于虾壳对镉的脱除。

本研究使用酸泡脱除虾壳中的无机盐，暴露重金属螯合位点，保留蛋白质，再用磷酸盐缓冲液浸泡处理已经脱除无机盐的虾壳，用磷酸盐缓冲液中的钠离子将脱无机盐虾壳中的氢离子交换出来，使脱无机盐虾壳活化从而具有镉结合能力。以Cd2+浓度约3 mg/L水溶液中的Cd2+脱除率为指标，通过单因素和正交试验优化，研究磷酸盐活化虾壳工艺，可获得能够脱除低浓度水溶液中镉离子的磷酸盐缓冲液活化虾壳（PBSA-虾壳），该虾壳材料经济环保，脱除效率高，并能够制备成食品级，是一种很有潜力的生物新材料，可以用作食品工业用水的镉离子脱除材料，以及日常直饮水机滤芯的备选材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试原料：南美白对虾湿虾壳，由广东省湛江市国联水产有限公司提供。虾壳用自来水冲洗干净，在55℃烘箱中烘干24 h以上得到烘干虾壳，用多功能搅拌机粉碎干虾壳，过0.25～0.83 mm筛。将虾壳粉末在1.2 mol/L的盐酸中以液固比10∶1浸泡1 h，得到灰分＜1.0 g/100 g的脱无机盐虾壳。该虾壳在后续试验中经过磷酸盐缓冲液（用十二水合磷酸氢二钠和二水合磷酸二氢钠配制）活化处理得到活化虾壳（PBSA-虾壳）。

试验试剂：盐酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠等试剂均为分析纯；镉离子标准溶液（批号13050282），国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院提供。

仪器设备：干燥箱（101-1），上海市实验仪器厂；九阳料理机（JYC-C020），九阳股份有限公司；箱式高温电炉（SX2-5-12），上海成顺仪器仪表有限公司，南通嘉程仪器有限公司；Acculab精密电子天平，德国赛多利斯股份公司；原子吸收分光光度计（WFX-210），北京瑞利分析仪器公司；pH计（pHS-3C），上海精密科学仪器有限公司；数显恒温水浴锅（HH-2）、恒温振荡仪（SHZ-82A），金坛市富华仪器有限公司；台式离心机（TDL-5-A），上海安亭科学仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1PBSA-虾壳镉脱除率计算 利用镉离子标准溶液配制浓度为3 mg/L的Cd2+水溶液，调节初始pH值为8。取80 mL Cd2+水溶液，加入100 mg PBSA-虾壳，室温下恒温震荡2 h，静置，5 000 r/min离心10 min，取上清液，用火焰原子吸收分光光度法检测溶液中残留的Cd2+浓度，计算镉脱除率（R）：

式中，C0为溶液初始镉离子浓度，Ce为脱除后溶液中的镉离子浓度。

1.2.2PBSA-虾壳脱除镉机理初探 称取脱无机盐虾壳，以10∶1的液固比，在0.05 mol/L、pH=8.0的磷酸盐缓冲液中活化2 h，用0.075 mm滤网过滤，保留上清液，用蒸馏水淋洗滤渣并保留淋洗液，淋洗过的滤渣55℃下烘干得到PBSA-虾壳。检测活化前后缓冲液pH值、Na+浓度和总P浓度，检测脱无机盐虾壳的Na+浓度、总P浓度，氨基酸组成以及对水溶液中镉离子的脱除率。分析虾壳成分的改变对镉离子脱除率的影响。

1.2.3单因素试验 磷酸盐缓冲液pH值的选择：配制pH值分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，浓度为0.05 mol/L的磷酸盐缓冲液，加入脱无机盐虾壳调节液固比为10∶1，振荡反应1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-虾壳进行镉离子脱除试验。

磷酸盐缓冲液浓度的选择：配制pH值为7.0，浓度分别为0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mol/L的磷酸盐缓冲液，加入脱无机盐虾壳调节液固比为10∶1，振荡反应1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-虾壳进行镉离子脱除试验。

磷酸盐缓冲液与虾壳液固比的选择：配制pH值为7.0、浓度为0.05 mol/L的磷酸盐缓冲液，加入脱无机盐虾壳调节液固比分别为5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，振荡反应1 h，漂洗并烘干，得到PBSA-虾壳进行镉离子脱除试验。

活化时间的选择：配制pH值为7.0、浓度为0.05 mol/L的磷酸盐缓冲液，加入脱无机盐虾壳调节液固比为10∶1，振荡反应时间分别为40、60、80、100、120 min，漂洗并烘干，得到PBSA-虾壳进行镉离子脱除试验。

1.2.4正交试验 根据单因素试验结果，选取磷酸盐缓冲液pH值、浓度、磷酸盐缓冲液/虾壳液固比、活化时间进行正交试验，优化磷酸盐缓冲液活化虾壳的工艺条件，得到低浓度水溶液中脱除镉离子能力最佳的PBSA-虾壳制备工艺条件。正交试验具体因素及水平见表1。

表1 正交试验因素及水平

2 结果与分析

2.1 PBSA-虾壳脱除镉离子机理初探

虾壳脱除无机盐可以将虾壳与无机盐离子结合位点暴露来，有利于虾壳与镉离子的结合。然而，检测显示，脱无机盐虾壳的镉脱除率较低，仅为4.73（±0.25）%，分析其可能原因是，虾壳经过盐酸浸泡脱无机盐，弱酸性基团带H+离子使得吸附材料表面呈酸性，不利于镉离子结合。脱无机盐虾壳经磷酸盐缓冲液（偏碱性）活化后，镉脱除率可高达80.01（± 1.80）%。

磷酸盐缓冲液活化虾壳前后，缓冲液与虾壳化学成分分析如表2所示，虾壳氨基酸含量变化如表3所示，虾壳扫描电镜图片如图1所示。

表2 磷酸盐缓冲液活化虾壳前后缓冲液与虾壳化学成分分析

表3 磷酸盐缓冲液活化前后虾壳的氨基酸含量变化

由表1可知，活化后缓冲液pH值降低，说明缓冲液中Na+发生交换，把虾壳上的H+交换下来，虾壳上Na+含量的显著增多，也证实了这一点。虾壳氨基酸分析（表2）发现，活化后虾壳的各氨基酸含量及总氨基酸含量都上升，可能是因为磷酸化能够改变甲壳素的溶解度［12-13］，由于部分甲壳素溶出，从而提高了蛋白质（氨基酸）的相对含量。分析扫描电镜图发现，磷酸盐缓冲液浸泡后，材料表面明显变粗糙，进一步说明甲壳素被部分溶出。同时发现虾壳中天冬氨酸和谷氨酸含量最高，这两种氨基酸均含有弱酸性的支链基团，因此推断磷酸盐缓冲液活化过程中，虾壳蛋白电离平衡向酸式电离的方向进行，蛋白质上的弱酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸的羧基侧链和组氨酸侧链咪唑基去质子化作用增强，钠离子与蛋白侧链羧基和咪唑基以离子键结合，形成的虾壳蛋白结合钠材料在水溶液中能有效与镉离子交换。水溶液中镉通常为二价离子，且半径大于钠离子，更易结合到虾壳蛋白弱酸性基团上，从而达到吸附镉离子的目的。

图1 虾壳、脱无机盐虾壳、磷酸盐缓冲液活化虾壳内表面扫描电镜

2.2 单因素试验

2.2.1磷酸盐缓冲液pH值对虾壳镉离子脱除能力的影响 如图2显示，在一定范围内，随着磷酸盐缓冲液pH值升高，PBSA-虾壳对水溶液中镉离子的脱除率升高。当磷酸盐缓冲液pH值为7.5时，制得的PBSA-虾壳对3 mg/L的Cd2+水溶液有最高的镉脱除率，继续升高溶液的pH值，镉脱除率趋于平稳。因此，磷酸盐缓冲液的pH值选为7.5。

2.2.2磷酸盐缓冲液浓度对虾壳镉离子脱除能力的影响 由图3可知，在一定范围内，随着磷酸盐缓冲液浓度升高，PBSA-虾壳对水溶液中镉离子的脱除率升高。当磷酸盐缓冲液浓度为0.1 mol/L时，制得的PBSA-虾壳对3 mg/L的Cd2+水溶液有最高的镉脱除率，继续升高溶液的浓度，镉脱除率趋于平稳。因此，磷酸盐缓冲液的浓度值选为0.1 mol/L。

图2 磷酸盐缓冲液pH值对虾壳镉离子吸附能力的影响

图3 磷酸盐缓冲液浓度对虾壳镉离子吸附能力的影响

2.2.3磷酸盐缓冲液与虾壳液固比对虾壳镉离子脱除能力的影响 如图4所示，在一定范围内，随着液固比升高，PBSA-虾壳对水溶液中镉离子的脱除率升高。根据单因素方差分析，液固比20∶1与液固比25∶1制得的PBSA-虾壳，对3 mg/L的Cd2+水溶液的镉脱除率在95%的置信区域内并无显著性差异，且脱除率最高。考虑到经济因素，液固比选为20∶1较为合适。

2.2.4磷酸盐缓冲液活化时间对虾壳镉离子脱除能力的影响 如图5所示，随着活化时间的延长，PBSA-虾壳对水溶液中的镉离子的脱除率先升高后降低。当活化时间为80～100 min时，PBSA-虾壳对3 mg/L的Cd2+水溶液的镉脱除率在95%的置信区域内并无显著性差异，此时镉脱除率最高。考虑到经济因素，选择活化时间为80 min。

图4 磷酸盐缓冲液与虾壳液固比对虾壳镉离子吸附能力的影响

图5 磷酸盐缓冲液活化时间对虾壳镉离子吸附能力的影响

2.3 磷酸盐缓冲液活化虾壳制备方法的工艺条件优化

磷酸盐缓冲液活化虾壳制备方法的工艺条件优化正交试验结果见表4，表5为正交试验方差分析结果。从表4、表5可以看出，影响因素的显著性顺序为pH值＞固液比＞浓度＞时间，4个因素均对镉离子脱除率呈现高度显著性。通过k值比较分析得到磷酸盐缓冲液活化虾壳的最优条件为A3B3C3D3，即磷酸盐缓冲液pH 7.5，浓度0.15 mol/L，固液比20∶1，时间120 min。经实验验证，在同等条件同批分组试验中，最优条件A3B3C3D3所得虾壳与正交表中镉离子脱除率最高的虾壳条件A3B1C3D2对比，条件A3B3C3D3所得虾壳对3 mg/L的Cd2+水溶液的镉脱除率达95.25（±0.57）%，显著高于条件A3B1C3D2处理所得的虾壳对3 mg/L的Cd2+水溶液的镉脱除率93.56（±0.43）%。因此，确定最优条件为A3B3C3D3。

表4 正交试验结果

表5 正交试验方差分析结果

3 结语

本试验研究发现，虾壳黏附蛋白中的弱酸性氨基酸含量相对较高，有利于虾壳对水溶液中重金属Cd2+的交换脱除。盐酸浸泡脱除虾壳中的无机盐，暴露Cd2+螯合位点后，用磷酸盐缓冲液活化虾壳，使虾壳蛋白上的酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸的羧基侧链上结合的氢离子被钠离子交换下来，得到活化的虾壳蛋白结合钠材料是一种经济环保的PBSA-虾壳，在水溶液中能有效脱除重金属镉。

以浓度3 mg/L Cd2+水溶液中的Cd2+脱除率为指标，通过单因素和正交试验优化，获得磷酸盐缓冲液活化脱无机盐虾壳的最佳条件为：磷酸盐缓冲液pH 7.5、浓度0.15 mol/L，液固比20∶1，活化时间120 min。所得磷酸盐缓冲液活化虾壳在100 mg/80 mL加入量下，对水溶液中Cd2+的脱除率为95.25（±0.57）%。本研究虾壳材料的脱无机盐和磷酸盐活化步骤简便，经济环保，获得的PBAS-虾壳脱除镉离子效率高。采用新鲜虾壳及控制生产过程中试剂的质量，可以获得安全无毒的PBSA-虾壳，不仅可以用于食品工业用水的镉离子脱除，以及日常直饮水机滤芯制备材料，还可以进一步应用于海产品营养液的重金属脱除。

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（责任编辑 储霞玲）

Preliminary study on removal of cadmium in aqueous solution by shrimp shell activated by phosphate buffer

LI Meng-xiao-yan1，2，WAN Peng1，CAI Bing-na1，CHEN De-ke1，2，ZHU Xiao-lian1，2，SUN Hui-li1，CHEN Hua1，PAN Jian-yu1
（1.Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology/South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Science/ Guangdong Key Laboratory of Marine Materia Medica，Guangzhou 510301，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Adhesion protein in shrimp shell is found with relatively higher content of acidic amino acid residues，which is conducive to remove heavy metals in the aqueous solution for shrimp shells through cation exchange.Decalcified shrimp shell and activated by phosphate buffer can produce a kind of shrimp shell material that can remove cadmium ion from dilute aqueous solution.Taking Cd2+removal rate as index，single-factor test combined with orthogonal test were used to optimize the shrimp shell activation condition.The optimum conditions were obtained as follows： phosphate buffer pH of 7.5，concentration of 0.15 mol/L，ratio of liquid to solid of 20∶1，activation time of 120 min.And the Cd2+removal rate was 95.25 （±0.57）% when the phosphate buffer activation shrimp shell dosage was 100 mg/80 mL in Cd2+aqueous solution.

shrimp shell；phosphate buffer；activate；cadmium；removal

O647.3；S912

A

1004-874X（2016）12-0122-07

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.12.021

2016-08-04

“十二五”农村领域国家科技计划项目（2012BAD33B10-3）；国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201305018-2）；广东省海洋区域经济创新示范项目（SZHY2012-B01-004）；广东省海洋经济创新发展区域专项（GD2013-B03-001）；广东省中国科学院全面战略合作项目（2012B091000025）；国家自然科学基金青年基金（31101271）；广东省科技计划项目（2013B090800002）；中国科学院院地合作项目（ZNGZ-2011-022）；广东省自然科学基金博士科研启动项目（2014A030310351，2014A030310338）

李濛晓妍（1991-），女，硕士，E-mail：253423284@qq.com

潘剑宇（1979-），男，博士，副研究员，E-mail：jypan@scsio.ac.cn

李濛晓妍，万鹏，蔡冰娜，等.磷酸盐缓冲液活化虾壳材料脱除镉的初步研究［J］.广东农业科学，2016，43（12）：122-128.