刘玉环，关 瑞，曹雷鹏,，周 悦，黄正花，薛命雄，周佳文

（1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，生物质转化教育部工程研究中心，江西南昌，330047；2.江西省农业科学院农产品质量安全标准研究所，江西南昌，330200；3.广西北海生巴达生物科技有限公司，广西北海 536000）

藻蓝蛋白（C-PC）是一种存在于蓝藻细胞中的色素蛋白复合体[1-2]，占藻类细胞质量的10%～20%左右，具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、免疫增强、肝肾保护功能等保健功能，C-PC 既可以广泛应用于食品添加剂、安全染料、化妆品等行业，也可作为功能性成分应用于生物医药领域，具有极大的开发为药物的潜力[3-4]，其产量与消费逐年递增。近十年来，随着工业废水排放量的持续增加和水质的显著下降，螺旋藻对水体中重金属具有较强的富集作用[5]，导致藻类及其蛋白提取物中的重金属含量严重超标（如Pb（II）≤2.0 mg/kg），从而直接或间接危害动物及人类健康[6-7]。因此，开发绿色高效无害的重金属去除技术对环境保护、健康问题和资源循环利用具有重要意义。

目前，去除水中重金属的常用方法主要有化学沉淀、电极法、离子交换、膜过滤和生物吸附[8-9]，其中生物吸附技术是一种低成本、简单、快速高效的重金属去除方法，但该技术的吸附效果与吸附剂的成本、安全性和容量的密切相关[10-11]。因此，从天然生物废弃物中获取生物高聚物制备吸附剂受到越来越多的关注，如果胶、壳聚糖、纤维素和海藻酸盐[12]。先前研究报道CPB 富含氨基、羧基和羟基，对金属离子具有较强的亲和力，有效解决了壳聚糖和果胶的不稳定、机械强度差、吸附能力低和回收难等缺陷[13-14]，被认为是一种很有前途的生物吸附剂，但其CPB 对重金属的吸附能力和解析能力较低，使得其回收利用率不高。此外，当前关于果胶凝胶珠的研究主要集中在果胶与不同化合物（如琼脂、海藻酸钠、阿拉伯胶、黄原胶等）交联形成凝胶珠的吸附能力，而关于凝胶珠改性方面的研究缺乏报道[15]。因此，如何有效提高CPB 对重金属的吸附能力及其重复利用率将成为未来的主要研究方向。

江西柚类中以马家柚为代表的特色红心蜜柚产量丰富，在生产加工过程中会产生大量柚皮废弃物[16]，且这些柚皮废弃物中果胶含量远高于绿茶[17]、白木通[18]、剑麻[19]等，可作为制备果胶的主要原料。然而，至今为止，采用废弃柚皮中的果胶或果胶基凝胶珠作为吸附剂去除重金属的研究报道较少。

因此，本研究以江西马家柚皮果胶为原料，利用果胶与壳聚糖的交联作用制备CPB（Chitosan-pectin gel beads，CPB）吸附剂去除Pb（II），并通过明胶和羧甲基纤维素等物质对CPB 进行化学改性，表征其结构特性，优化其最佳吸附条件和解析条件。此外，评估改性后的最佳CPB 对螺旋藻藻蓝蛋白提取液中Pb（II）的去除效果。该研究成果将为果胶基凝胶珠的回收利用、重金属去除回收和柚皮资源化高值化利用提供技术支撑和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

果胶 由本实验室采用柠檬酸法从江西广丰所产的马家柚皮中提取所得[14]；藻蓝蛋白提取液 经超声耦合高压均质破碎螺旋藻细胞后，两步盐析纯化制得[20]；壳聚糖、明胶（Gelatin，Gel）、羧甲基纤维素钠（Carboxymethylcellulose sodium，CMC）、盐酸、氢氧化钠、硝酸铅 分析纯，广州西陇科学股份有限公司。

ICP-MS 7800 电感耦合等离子质谱仪 美国Aglient 公司；Nicolet iS5 傅里叶红外光谱仪 美国Thermo fisher 有限公司；Nano ZCZEN2600 Zeta 电位仪 英国Malvin 公司；pHS-3G pH 计 杭州雷磁分析仪器厂；TGA4000 型热重分析仪 美国PE 公司；JW-BK132F 型比表面积和孔隙率分析仪 中国精微高博公司；JSM-6701F 型扫描电子显微镜、能量色散X 射线光谱仪 日本Jeol 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖-果胶凝胶珠的制备与改性 壳聚糖-果胶凝胶珠（Chitosan-pectin gel beads，CPB）的制备：参考Shao 等[14]报道的方法：将2.0 g 壳聚糖与1.0 g果胶混匀后溶解于100 mL 0.1 mol/L HCl 中，在45 ℃下搅拌均匀形成水溶胶，将水溶胶滴入1.0 mol/L NaOH 中形成CPB，并在NaOH 溶液中搅拌加固2 h后过滤。过滤后的CPB 采用超纯水冲洗至水溶液为pH6.0～7.0 后冷冻干燥得到干燥的CPB。

CPB 的改性：将2.0 g 壳聚糖与0.5 g 明胶/0.5 g羧甲基纤维素钠混匀后融入100 mL 0.1 mol/L HCl中，之后再加入1.0 g 果胶，继续在45 ℃下搅拌直至形成水溶胶，之后操作上述CPB 制备相同，最后可分别得到明胶改性CPB（Gelatin-CPB，Gel-CPB）或羧甲基纤维素改性CPB（Carboxymethylcellulose-CPB，CMC-CPB）。

1.2.2 微观及结构特性表征 利用扫描电镜（SEM）分析CPB 改性前后的表观形态；采用比表面积分析仪（BET 分析）根据N2吸附-脱附数据研究吸附剂的比表面积与孔隙度；采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析CPB 改性及其吸附前后结构的变化，其扫描波长范围为4000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描64 次；采用热重分析仪（TG 分析）探究吸附剂的热稳定性及分解过程；采用Zeta 电位仪测量不同pH（2.0～7.0）条件下1.0 mg/mL 吸附剂溶液的电位[10]；X 射线光电子能谱（XPS）分析吸附剂中的主要元素（C、O）和目标金属（Pb（II））。

1.2.3 pH 与温度对吸附Pb（II）的影响 凝胶珠吸附剂（40 mg）与40 mL 100 mg/L Pb（II）溶液混合均匀后，采用1.0 mol/L NaOH 或1.0 mol/L HCl 调控溶液pH 至2.0～7.0 后，在温度30～70 ℃下振荡（200 r/min）吸附4 h 过滤（每组单因素固定因素为pH6.0，30 ℃），分析测定滤液中的Pb（II）含量。

1.2.4 解析和再生实验 解析再生实验参照王学栋等[15]报道的方法，将50 mg 吸附剂与50 mL 100 mg/L Pb（II）溶液在pH7.0 和30 ℃下进行吸附实验。为优化解析时间，将吸附Pb（II）后的吸附剂在pH7.0和30 ℃下进行解析。此外，为了进行再生研究，将吸附Pb（II）后的吸附剂放置0.1 mol/L HNO3溶液中，并在20～25 ℃下搅拌24 h。然后分离吸附剂并用蒸馏水洗涤，并用于下一次吸附实验，重复吸附-解吸循环5 次以确定吸附剂的可重复使用性。

1.2.5 吸附等温模型实验 40 mg 凝胶珠吸附剂与40 mL 0～1.0 g/L Pb（II）溶液混合均匀后，在30 ℃和pH 6.0 下振荡（200 r/min）吸附4 h，最后过滤去除凝胶珠吸附剂，采用电感耦合等离子质谱仪（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）分析测定滤液中的Pb（II）含量。

1.2.6 吸附动力学模型实验 1.0 mg/mL 凝胶珠吸附剂与50 mL 100 mg/L Pb（II）溶液混合均匀后，在30 ℃和pH 6.0 条件下振荡（200 r/min）吸附0～5 h，最后过滤去除凝胶珠吸附剂，采用ICP-MS 分析测定滤液中的Pb（II）含量。

1.2.7 吸附剂在藻蓝蛋白提取液中Pb（II）去除的应用 根据螺旋藻藻蓝蛋白提取液中Pb（II）的浓度（68.54 mg/L）及pH 6.2，将改性后的CPB 在最佳条件下应用于螺旋藻藻蓝蛋白提取液中，之后采用过滤的方式回收吸附剂，并分析测定螺旋藻藻蓝蛋白提取液中的Pb（II）含量。

1.3 数据处理

以上实验均重复3 次,实验数据以“mean±Std”表示，组间不同字母表示两组之间具有显著性差异（P<0.05）。采用SPSS 23.0 进行数据分析和Origin 9.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 SEM 与BET 分析

采用SEM 对改性前后的CPB 微观形貌进行了表征，如图1 所示。结果显示，与CPB 相比之下，改性后的Gel-CPB 和CMC-CPB 具有更粗糙的表面，这可能是由于改性物质与CPB 的自组装和聚合。此外，CMC-CPB 表面其具有更多的空隙结构，非均质表面有望提供更大的比表面积，因此可以增加重金属离子的吸附位点从而促进重金属的吸附[19]。

图1 改性前后CPB 的SEM 分析Fig.1 SEM analysis of CPBs before and after modification

表1 显示改性前后的CPB 比表面积变化。结果显示，改性后的CPB 比表面积明显提高，Gel-CPB和CMC-CPB 的比表面积分别为10.96 和20.28 m2/g，显著高于CPB（3.48 m2/g）（P<0.05），这与SEM 分析的结果基本一致。孔体积的增大以及平均孔径的减小表明改性后的凝胶珠孔隙度更大。

表1 改性前后的CPB 表面特性参数Table 1 Surface characteristic parameters of CPB before andafter modification

2.2 CPB 改性前后的结构特性

2.2.1 红外与热重分析 FTIR 光谱主要用于分析样品结构特性。图2a 显示了改性前后CPB 官能团的变化，结果显示改性前后CPB 官能团结构未发生明显变化，其主要特征峰如下：3000～3600 cm-1处的吸收峰对应于O-H 伸缩振动峰；2800～3000 cm-1处的吸收峰为C-H 对称及非对称拉伸振动峰；1300～1000 cm-1对应的吸收峰为羧酸和醇的伸缩振动峰[20-21]。3455 cm-1处的吸收峰对应于O-H 和NH 的伸缩振动吸附峰；-COO 对称及非对称拉伸振动峰分别为1635 和1436 cm-1，与羧基（-COO）密切相关[22]。

热重（TG）分析主要了解吸附剂商业化应用的热稳定性。图2b 显示改性前后的CPB 重量损失情况。结果显示改性前后的CPB 重量损失主要分为3 个阶段：在第1 阶段（50～250 ℃），CPB、Gel-CPB和CMC-CPB 的热重量损失率分别为10.27%、10.06%和8.60%，这可能是由于吸附剂表面的吸附水和表面水的蒸发；在第2 阶段（250～550 ℃），CPB、Gel-CPB和CMC-CPB 的热重量减轻分别约为51.55%、51.62%和53.29%，可能是由于长碳水化合物链的降解和片段的解聚所致；在第3 阶段（550～800 ℃），吸附剂的重量损失率逐渐下降，CPB、Gel-CPB 和CMC-CPB的热重量损失仅为23.44%、23.44%和13.92%，其可能归因于剩余化合物已经碳化而稳定。当温度达到800 ℃时，CMC-CPB 的热重量损失（75.82%）显著（P<0.05）低于CPB 和Gel-CPB 的热损失（85.34%）。因此，改性前后的CPB 最佳热稳定均应低于250 ℃，且CMC-CPB 的热稳定性高于CPB 和Gel-CPB。

2.2.2 改性前后吸附剂的Zeta 分析 先前研究报道吸附剂的表面负电荷越多，其结合金属离子能力越强[23]。图3 显示改性前后CPB 的Zeta 电位在不同pH（3.0～10.0）条件下的变化趋势，改性前后CPB 的Zeta 电位在pH3.0～10.0 均表现为负电荷，这可能与其含有大量的COO-基团有关[15]。随着pH 的增加，吸附剂的Zeta 电位呈先降低后增加的趋势，并在pH7.0 条件下其表面带的负电荷最大，表明其吸附重金属离子能力最佳。此外，不同物质改性得到CPB的Zeta 电位也有很大的差异。在pH7.0 条件下，CMC-CPB 的Zeta 电位达到-34.95 mV，明显低于Gel-CPB（-32.6 mV）和CPB（-28 mV），表明CMCCPB 与金属离子的结合能力较强。

图3 改性前后CPB 的Zeta 电位分析Fig.3 Zeta potential analysis of CPB before and after modification

2.2.3 XPS 光谱分析 XPS 谱图分析广泛用于探究样品与金属离子之间的吸附机制。图4 显示了改性吸附中的C、O、N 及其吸附Pb（II）后的XPS 谱图。图4a 和图4b 显示三种吸附剂成功吸附了Pb（II），此外，CMC-CPB 对Pb（II）的吸收峰最强，表明其吸附Pb（II）的量较多。在Pb4f 谱图中（图4b），143 和138 eV 处的高强度峰可分别归因于Pb4f5/2和Pb4f7/2，后者可能PbCO3和Pb（OH）2有关，表明由于电子供体，羧基和羟基参与了Pb（II）的吸附[10]。图4c（O1S）显示-C=O 对应的吸收峰位置，在吸附Pb（II）后发生偏移，表明O 原子与Pb（II）之间发生了相互作用。在O1s 谱图中，CMC-CPB 吸附Pb（II）后，其-C=O 的谱图由532.8 eV 迁移至532.95 eV。在C1s 谱中（图4d），C=C、C-O 和C=O 的吸收峰分别位于284.8、286.4、288.1 eV，吸附Pb（II）后，其碳原子吸收峰的位置发生迁移，表明-COO-、-CO-NH-和-C=O 参与了Pb（II）的配位。

2.3 pH 和温度对吸附剂吸附容量的影响

pH 可影响吸附过程中吸附物的形态和吸附剂的表面性质。在pH 高于7.0 的情况下，会产生沉淀Pb（OH）2，这会导致吸附的结果不准确。因此在pH2.0～7.0 的条件下进行了间歇吸附实验。图5a显示pH 对改性前后吸附Pb（II）能力的影响，结果显示随着pH 从2.0 增加至6.0，CPB 对Pb（II）的吸附能力逐渐增加，且改性后的凝胶珠（CMC-CPB 和Gel-CPB）吸附能力显著高于CPB（P<0.05）。在pH2.0 条件下下，吸附剂对Pb（II）的吸附能力相对较差主要归因于吸附剂表面上H+与Pb（II）对结合位点的激烈竞争，之后随pH 增加至6.0，吸附剂会暴露出越来越多的-COO、-OH、-NH3和-NH2可用于Pb（II）的吸附[20]。在pH7.0 条件下，吸附剂对Pb（II）的吸附能力逐渐下降，其可能是-OH 与-NH3的反应，从而降低了吸附Pb（II）的官能团数量[24]。此外，在所有pH 下，改性后的CPB 对Pb（II）的吸附能力显著提高（P<0.05）。在pH6.0 条件下，CMC-CPB 和Gel-CPB对Pb（II）的吸附容量分别为58.58 和48.00 mg/g，明显高于CPB（44.27 mg/g）。因此，为了使所有的吸附剂都达到较大的吸附容量以及便于比较，采用pH6.0进行后续试验。

图5 pH（a）和温度（b）对三种吸附剂去除Pb（II）能力的影响Fig.5 Effect of 4 pH (a) and temperature (b) on Pb(II) removal ability of three adsorbents

工业废水的温度通常高于室温（25±2 ℃），因此，探究不同温度下CPB 改性前后对Pb（II）吸附能力的影响。图5b 显示随着温度逐渐增加至70 ℃，三种吸附剂对Pb（II）的吸附能力呈先增加后降低的趋势。随着温度增加至60 ℃时，CPB、Gel-CPB 和CMC-CPB 对Pb（II）的吸附能力分别由41.92、47.74和60.03 mg/g 显著增加至48.27、55.85 和66.88 mg/g（P<0.05），该结果表明稍高的温度（<60 ℃）可以通过加速分子热运动来促进吸附剂与Pb（II）的接触，从而提高吸附剂对金属的吸附能力，这与文献[10,25]报道的结果基本一致。当温度高于60 ℃时，因分子热运动加速导致许多Pb（II）脱离吸附剂表面而进入溶液中，降低了边界层的厚度，最终导致吸附能力的下降。此外，在60℃条件下，CMC-CPB 和Gel-CPB对Pb（II）的吸附量分别达到66.88 和55.85 mg/g，明显高于CPB 的吸附量（48.27 mg/g），这可能是由于改性后的CPB 暴露了更多的金属结合位点。

2.4 改性前后CPB 的解吸再生利用性

吸附剂的解析再生能力是评价其吸附性能的重要指标。图6 显示了改性前后CPB 对Pb（II）的解析再生吸附情况。结果表明在5 次解析再生利用过程中，CPB 对Pb（II）的去除率逐渐降低至47.97%，比第1 次降低了14.85%。而经过化学改性后，Gel-CPB 对Pb（II）的去除率下降了6.59%，其可能的原因是由于吸附剂内部的部分吸附位点与重金属稳定结合，不能完全解吸[26]。CMC-CPB 对Pb（II）的去除率基本保持稳定值，维持在86.92%，且改性后的CPB 对Pb（II）的去除率显著提高（P<0.05）。此外，在第5 次重复利用后，CMC-CPB 和Gel-CPB 对Pb（II）的去除率分别达到84.37%和70.56%，明显高于CPB（47.97%）。因此，经过改性后，CMC-CPB 对Pb（II）的去除率显著提高，且具有较好的回收利用率。

图6 三种吸附剂对Pb（II）的解吸再生利用率Fig.6 Desorption and regeneration utilization of Pb(II) by three adsorbents

2.5 吸附机理分析

2.5.1 吸附等温模型 吸附等温模型常用于探究金属离子和吸附剂之间的相互作用及吸附机理，其主要包括Langmuir 和Freundlich 两个等温吸附模型。Langmuir 模型表示金属离子以单层形式吸附在吸附剂的均质表面，Freundlich 模型表示金属离子以多层形式吸附在吸附剂的非均相表面[27]。图7 及表2 显示了CPB 改性前后对Pb（II）的吸附等温模型拟合曲线及相关参数，Langmuir 模型（R2=0.9543～0.9811）比Freundlich 模型（R2=0.7428～0.9372）更能描述三种吸附剂对的吸附趋势，这表明Pb（II）在果胶上的吸附是基于表面均相结合位点的单层形式，且化学吸附占主体作用，改性后的CPB 对Pb（II）的吸附等温线更符合Langmuir 模型，这与文献[10,13]结果基本一致。根据Langmuir 模型曲线评估，CMC-CPB 和Gel-CPB 对Pb（II）的最大吸附容量qmax分别为69.37和62.50 mg/g，显著高于CPB（55.86 mg/g）（P<0.05），表明改性后的CPB 对Pb（II）的结合能力最强，其中以CMC 改性效果最佳。b 值是评估吸附剂与吸附质亲和力的主要参数，当b>1 时，不利于吸附，当0

2.5.2 吸附动力学 吸附动力学是评估吸附过程效率的重要参数。吸附动力学取决于吸附剂和吸附体系的物理化学性质，可用扩散过程来描述[29]。采用一级动力学模型和二级模型动力学模型预测CPB 改性前后对Pb（II）吸附过程的机理。图8 及表3 显示了改性前后CPB 的吸附动力学拟合模型曲线及相关参数，拟二级动力学模型（R2=0.9963～0.9991）比拟一级动力学模型（R2=0.9768～0.9932）更能描述三种吸附剂对Pb（Ⅱ）的吸附过程，表明三种吸附剂对Pb（II）的吸附效率受化学吸附控制，即这个吸附过程主要是化学吸附[30]。根据拟二级动力学模型得到CPB、Gel-CPB 和CMC-CPB 对Pb（II）的吸附平衡量分别为51.77、62.87 和67.12 mg/g，CMC-CPB 和Gel-CPB的吸附平衡量明显高于CPB (P<0.05)，表明改性后的CPB 对Pb（II）的吸附平衡量明显提高。

表3 改性前后的CPB 吸附等温线模型参数Table 3 Adsorption isotherm parameters of CPB before and after modification

图8 改性前后的CPB 吸附动力学拟合曲线及相关参数Fig.8 Adsorption kinetics fitting curve and related parameters of CPB before and after modification

2.6 吸附剂的实际应用效果

在实际样品溶液中，样品可能对目标金属离子存在物理吸附作用，其与吸附剂可能存在竞争性吸附，从而降低吸附剂对目标金属离子的吸附能力。因此，为了评估吸附剂在实际应用中效果，本文以本实验室制备的藻蓝蛋白提取液（Pb（II）含量68.54 mg/L）为样品，用于探究改性前后的CPB 及其吸附解析5 次后对藻蓝蛋白溶液中Pb（II）的去除能力，其实际应用效果如图9 所示，结果表明，三种吸附剂对Pb（II）的去除能力均有所降低，其可能是由于藻蓝蛋白与吸附剂存在竞争性吸附。其中，CMC-CPB 对藻蓝蛋白中Pb（II）去除率达到78.29%，显著高于Gel-CPB（65.38%）和CPB（55.69%）（P<0.05）。在利用吸附解析5 次后三种吸附剂对藻蓝蛋白中Pb（II）的吸附能力均有明显下降，但CMC-CPB 对Pb（II）去除率仍可达到70.55%。综上所述，CMC-CPB 具有较好的实际应用效果和稳定性，可广泛用于食品中的Pb（II）去除。

图9 改性前后的CPB 对藻蓝蛋白中Pb（II）的去除效果Fig.9 Removal of Pb(II) from C-phycocyanin by CPB before and after modification

3 结论

本文采用明胶（Gel）及羧甲基纤维素钠（CMC）对壳聚糖-果胶凝胶珠（CPB）进行化学改性有效提高了吸附金属离子能力及其解析再生利用率。改性后的CPB 中羧基、羟基及氨基数量均有所提高，吸附位点和网孔隙结构增多，比表面积和热稳定性提高，Zeta 电位明显降低，有效提高了吸附Pb（II）能力和解析利用率，其中以CMC-CPB 最佳，吸附最适pH值和温度为6.0 和60 ℃。此外，改性前后的CPB对Pb（II）的吸附过程均符合Langmuir 吸附等温模型和准二级动力学模型，属于单分子层且吸附过程由羧基、羟基、胺和酰胺与Pb（II）之间的络合作用为主导。根据Langmuir 模型曲线评估，CMC-CPB 和Gel-CPB 对Pb（II）的最大吸附容量qmax分别为69.37和62.50 mg/g，明显高于CPB（55.86 mg/g）。此外，CMC-CPB 及其吸附解析后均具有较好的实际应用效果，可更好地用于去除藻蓝蛋白及藻类中的Pb（II）。