水溶性大豆多糖体外吸附Pb2+的研究

田月月， 胡沁蕊， 孔祥珍， 张彩猛， 华欲飞

（江南大学 食品学院，江苏 无锡214122）

近年来，膳食纤维、多糖及其衍生物因吸附效果良好，天然可再生，可生物降解等优点广泛用作重金属吸附剂。可溶性大豆多糖（SSPS）是一种从豆渣中提取出来的膳食纤维，是一种带负电荷的酸性多糖。SSPS主链由聚鼠李糖半乳糖醛酸（RG）长链和聚半乳糖醛酸（GN）短链组成，与果胶结构类似[3-4]。众多体内体外实验研究结果表明果胶是一种非常好的重金属吸附剂[1-6]。因此，作者以大豆多糖为吸附剂，研究其体外吸附Pb2+的规律性质并进一步探究吸附机理。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

可溶性大豆多糖（SSPS）：日本不二制油株式会社产品；超滤离心管：美国PALL公司产品；实验用水：Millipore超纯水。

AA-240FS原子吸收分光光度计：美国Aglient公司产品；pH计：梅特勒-托利多仪器有限公司产品；TGL-16B高速台式离心机：上海安亭科学仪器厂产品。

1.2 实验方法

1.2.1 批量吸附实验步骤 准确配制1 000 mg/L的Pb（NO3）2标准储备液，实验时用超纯水将标准储备液稀释至所需浓度。在250 mL的锥形瓶中加入100 mL一定浓度的标准Pb2+溶液和干物质含量为0.05 g的大豆多糖，混匀后用0.01 mol/L的NaOH和0.01 mol/L的HNO3调节pH至 5.5。将样液置于恒温水浴振荡器（37℃，130 r/min）中震荡。平衡2 h后取样5 mL，置于超滤离心管中4 000 r/min离心30 min。上清液游离的Pb2+浓度用原子吸收分光光度计测量[7]。样品空白以等量不添加SSPS的Pb2+水溶液设置，其他操作同上，以扣除锥形瓶、超滤管所带来的Pb2+浓度损失。试剂空白以等量不添加Pb2+的SSPS水溶液设置，以扣除SSPS水溶液本身对原子吸收吸光值造成的影响。

1.2.2 pH对大豆多糖吸附Pb2+的影响 吸附实验Pb2+初始添加质量浓度为50 mg/L，大豆多糖初始质量浓度为0.5 g/L，调整pH 2～6，37℃，130 r/min平衡2 h，考察pH对吸附造成的影响。

1.2.3 吸附动力学 考察反应时间对吸附的影响。Pb2+初始质量浓度分别为 25，50，100 mg/L， 大豆多糖初始质量浓度为0.5 g/L，调pH 5.5，37℃，130 r/min 水浴摇床震荡，吸附 5、10、20、40、60、80、120min时分别取样5 mL，于超滤管中离心取上清测游离Pb2+浓度。

1.2.4 等温吸附 考察Pb2+浓度对吸附的影响。SSPS质量浓度为0.5 g/L，改变Pb2+的初始质量浓度（1、2.5、5、10、25、40、50、60、80、100 mg/L），其他反应条件不变，所得数据用Langmuir等温方程和Freundlich等温方程来描述金属离子在吸附剂表面的吸附行为[7-8]。

1.2.5 微量元素对SSPS吸附Pb2+的影响 考察微量元素对大豆多糖吸附Pb2+的影响以及SSPS的选择性吸附能力。重金属离子Pb2+和人体必需微量元素（Ca2+，Mg2+，Zn2+，Cu2+）具有化学相似性，都可以被膳食纤维吸附。100 mL双溶质反应体系中Pb2+与人体必需微量元素以质量比1∶1比例混合均匀，调pH 5.5，37℃，水浴摇床130 r/min震荡 2 h，超滤离心后测上清，以只添加Pb2+的反应溶液做空白对照。

1.2.6 Zn2+或Mg2+与重金属离子争夺大豆多糖吸附基团的互作效应 100 mL反应溶液中，Zn2+或Mg2+质量浓度为50 mg/L，SSPS质量浓度为0.5 g/L。37℃平衡2 h后取样5mL，超滤离心后取上清分别测Zn2+或Mg2+质量浓度，计算Zn2+或Mg2+吸附量。 向取样后的反应溶液中加入一定量重金属盐（Pb2+，Cd2+，Cu2+）和超纯水，溶液体积保持100 mL不变，重金属质量浓度达50 mg/L。37℃平衡2 h，超滤离心后测上清Zn2+或Mg2+的质量浓度，计算Zn2+或Mg2+吸附量的变化情况。

其次改变Zn2+、Mg2+与重金属的添加顺序，通过计算添加矿物质离子 （Zn2+、Mg2+）前后重金属离子（Pb2+，Cd2+，Cu2+）吸附量的变化情况，来考察Zn2+和Mg2+对重金属离子置换情况。

1.3 数据处理和分析

每组实验重复测定3次，用Original 8.0和Excel2010软件进行实验数据的图表和数据分析。

2 结果与讨论

2.1 pH对大豆多糖吸附Pb2+影响

pH由2.0增大到6.0时，单位大豆多糖吸附Pb2+量不断增大。如图1所示，pH 2.0时吸附量接近0，pH 4.0吸附量开始显著增加，pH 5.5以后吸附量保持稳定。pH从2.5升到5.5，单位大豆多糖对Pb2+的吸附量增加了85.66 mg/g。pH值大于6时Pb2+会生成Pb（OH）2沉淀，因此适宜吸附的pH范围为4～6。

膳食纤维吸附重金属过程中，羧基的解离状况对其影响很大[9]。当pH值升高时，SSPS羧基上的质子解离增多，其吸附Pb2+量增大。且随着pH的升高，Pb2+易形成不稳定的水合物和聚合物，如Pb（OH）+，Pb（OH）2，[Pb3（OH）5]+和[Pb4（OH）4]4+[7]。 相比Pb2+，这些水合物更易与大豆多糖结合，从而使吸附量增加。体外模拟小肠消化（pH 5.5～pH 7.5），采用不同pH值测得的生物有效性数值差别较大，pH值越小，金属离子的生物有效性越大[10]。因此选用pH 5.5模拟人体肠道环境，进一步探究大豆多糖吸附Pb2+的规律性质。

图1 pH变化对SSPS吸附Pb2+的影响Fig.1 Effect of pH on lead binding by SSPS

2.2 吸附动力学

图2表示的是反应时间对Pb2+吸附量的影响。Pb2+初始质量浓度较低（25 mg/L和 50 mg/L）时，吸附较快，20 min左右吸附便达到平衡。随着初始质量浓度的增加（100 mg/L），到达平衡所需的时间增加，40 min左右基本达到平衡。

图2 大豆多糖吸附Pb2+的动力学曲线Fig.2 Kinetic curves for lead binding by SSPS

为探究吸附效率，分别用准一级和准二级动力学方程对实验数据进行线性拟合（表1）。由相关系数R1和R2可得，初始 Pb2+质量浓度较低（25 mg/L和50 mg/L）时，实验数据更符合准一级动力学方程。准一级动力学方程是离子交换模型[11]，红外光谱的分析[12]表明：膳食纤维在与矿物质形成吸附物的过程中，膳食纤维中的羧基基团参与了成键作用，因此推测低浓度下大豆多糖链上的羧基与Pb2+发生了离子交换。

Pb2+初始质量浓度为100 mg/L时更符合准二级动力学方程，R22（0.967）＞R12（0.899），二级方程是化学反应模型，反应过程与价力（电子的配对或转移）有关，故SSPS吸附高质量浓度Pb2+的过程是离子配位过程。大豆多糖提取过程中糖链上会有残留的蛋白质，推测高浓度下Pb2+与大豆多糖上残留的氨基酸发生了电子配对或转移[7]。

2.3 等温吸附

分别用Langmuir和Freundlich等温吸附方程对实验数据进行非线性拟合，拟合曲线如图3所示。初始Pb2+质量浓度从5 mg/L变化到100 mg/L，单位大豆多糖的吸附量增加了114.29 mg/g，吸附曲线最终趋于平衡。实验测得的平衡吸附量为121.60 mg/g，与Langmuir模型拟合所得数据129.02 mg/g相近。由图3可得大豆多糖吸附Pb2+的行为符合Langmuir等温吸附模型。Langmuir模型是单层吸附模型，即Pb2+与大豆多糖表面有限数量的吸附位点结合形成单分子层，所有的吸附位点对Pb2+的作用相近[13]。

表1 大豆多糖吸附Pb2+的动力学参数Table 1 Isotherm parameters for lead bindingby SSPS

2.4 有益微量元素和重金属离子的竞争性吸附

治疗重金属中毒时服用螯合剂有时会造成有益微量元素（Cu2+，Zn2+，Ca2+，Mg2+等）的损失[14]。这种负作用可以通过适当补充微量元素来预防。然而，吸附剂与微量元素的结合可能会影响吸附剂对目标金属（重金属）的吸附。因此，设置双溶质体系探究人体必需微量元素对SSPS吸附Pb2+的影响，以此来评估SSPS对金属元素的选择性。

图3 pH 5.5大豆多糖吸附铅离子的等温吸附曲线Fig.3 Binding isotherms for lead binding by SSPS at pH 5.5

如图4可知，当Pb2+和微量元素的初始质量浓度均为5 mg/L时，微量元素对大豆多糖吸附Pb2+几乎没有任何影响。当双溶质反应液中Pb2+和微量元素初始质量浓度均上升至25 mg/L和50 mg/L时，相比未加微量元素的空白组，加Cu2+后大豆多糖对Pb2+的结合量分别下降了5.63%和28.33%，加Ca2+后下降了3.55%和12.74%，加Zn2+后下降了2.94%和8.08%，加Mg2+后下降了3.15%和9.51%。所以在25 mg/L和50 mg/L的质量浓度下，微量元素会和Pb2+存在不同程度的竞争性吸附，使大豆多糖可吸附的Pb2+含量降低，其中以Cu2+的干扰性最强，Zn2+和Mg2+影响微弱（＜10%）。Cu2+是一种非常特殊的微量元素，它在高浓度下有毒，属于重金属离子的同时又属于人体必需元素[15]。Cu2+对SSPS吸附Pb2+干扰性最大，一方面Cu2+本身电负性（1.90）较大，电负性越大，越容易与SSPS的吸附基团结合。另一方面pH 5.5下Cu2+容易形成不稳定的水合物 （如Cu（OH）+，Cu（OH）2+），相较 Cu2+，这些水合物更容易与SSPS的吸附基团结合。因此，相较其他微量元素，Cu2+对SSPS吸附Pb2+干扰性最强。

当初始质量浓度上升至100 mg/L时，添加同等质量浓度的Zn2+和Mg2+后，相较空白组，大豆多糖对Pb2+的吸附量不降反增，分别增加了7.69%和4.11%。尽管添加Ca2+和Cu2+后，大豆多糖对铅的吸附量分别下降了10.94%和18.53%，但其下降比率低于初始质量浓度为50 mg/L时的下降比率（12.74%和28.33%）。F.Y.SIAO等人研究人体必需元素对γ-PGA吸附Pb2+的影响时也发现了同样的现象，其解释是当反应体系中矿物质离子达到一定浓度时会改变γ-PGA（一种高分子化合物）的构象，使更多的吸附基团暴露，单位γ-PGA可吸附Pb2+量增加[7]。因此推测当溶液中Zn2+和Mg2+的浓度达到100 mg/L时，改变了大豆多糖的构象，促使更多的吸附基团暴露，从而使单位SSPS可吸附pb2+量不降反增。由此可得，Zn2+和Mg2+不会对SSPS吸附目标金属离子（Pb2+）造成明显干扰，SSPS对Pb2+的选择性很高。

图4 人体必需元素对SSPS吸附Pb2+的影响Fig.4 Effect of essential metals on lead binding by SSPS

Zn2+和Mg2+是人体内必不可少的微量元素，研究 Mg2+，Zn2+与重金属（Pb2+，Cd2+，Cu2+）争夺大豆多糖吸附位点的能力。结果表明，Zn2+和Mg2+置换重金属离子的能力很弱，如加入Zn2+和Mg2+后Pb2+的释放率分别只有3.39%和3.18%。

反应体系加入重金属后，Zn2+释放率均超过50%，即各重金属离子置换被大豆多糖束缚的Zn2+能力相对较强。Mg2+的平衡吸附量很低，故加入重金属后释放率相对较低，但仍高于加入Mg2+后体系中重金属的释放率（＜6%）。由此可得，大豆多糖对重金属（Pb2+，Cd2+，Cu2+）的束缚能力高于 Zn2+和 Mg2+。 结合2.4研究结论，可知大豆多糖对Pb2+的选择性要高于Zn2+和Mg2+，其在生物体内清除有害重金属离子（Pb2+）的同时可避免有益微量元素Zn2+和Mg2+的过度损失。

3 结 语

水溶性大豆多糖（SSPS）可以有效吸附水溶液中的Pb2+。大豆多糖吸附Pb2+的量随着pH的升高而增加，最适吸附范围为 pH 4～6。 pH 5.5，初始Pb2+质量浓度为50 mg/L时，单位SSPS最大Pb2+吸附量可达88.54 mg/g。

动力学吸附实验表明，Pb2+初始质量浓度为25 mg/L和50 mg/L时符合准一级动力学方程，Pb2+初始浓度为100 mg/L时符合准二级动力学方程。等温吸附结果符合Langmuir模型，推测大豆多糖分子链的羧基是与Pb2+发生单层吸附的主要基团。

体外实验表明，大豆多糖对Pb2+等重金属的束缚能力高于Zn2+和Mg2+等人体有益金属元素，其在清除有害重金属离子（Pb2+）的同时可避免有益微量元素Zn2+和Mg2+的损失，是一种安全的吸附剂。作为一种Pb2+螯合剂，大豆多糖体内吸附Pb2+的功效有待进一步研究。

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