庄远红, 费 鹏, 刘静娜, 庞 杰

(1.闽南师范大学生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002)

随着现代工业的不断发展与进步，铅、铬等使用日益广泛，在大气、土壤、水、食物和化妆品中普遍存在，极易通过消化道和呼吸道等被人体吸收.铅非人体必需元素，是一种不可降解的环境污染物，会对人体骨髓造血系统、免疫系统、神经系统和消化系统等产生毒害作用[1]；铬虽是人体不可缺少的微量元素，但过量摄入危害很大，特别是Cr6+，极易在体内蓄积且具有极高的致毒性、致突变性和致癌性[2-4].铅、铬中毒时有发生，因此防治慢性铅、铬中毒尤为重要.研究表明，通过金属硫蛋白的螯合作用[5-6]、多酚络合作用[7]、谷胱甘肽的电化学作用[8-9]和膳食纤维的吸附作用[9-11]都能有效去除体内残留的铅、铬，其中以膳食纤维吸附应用最广，副作用最小.花生壳[11]、油橄榄果渣[10]、香蕉皮[12]和豆渣[13]等膳食纤维体外吸附铅、铬等重金属已有报道，而柚皮膳食纤维对重金属的吸附尚未见报道.柚子作为我国的主要水果之一，分布较广，特别是在福建、湖南和广东等南方地区产量大.柚皮占整个柚子全重的43%～48%[14]，其中，柚皮中的纤维素具有较强的吸附性能.本试验从柚皮中提取柚皮纤维素，并对柚皮纤维素进行盐酸水解制得柚皮微晶纤维素，比较真空冷冻干燥并粉碎的柚子全皮(pomelo peel, PP)、柚子黄皮(yellow pomelo peel, YP)、柚子白皮(white pomelo peel, WP)、黄皮纤维素(yellow peel cellulose, YPC)、白皮纤维素(white peel cellulose, WPC)、柚皮微晶纤维素(pomelo peel microcrystalline cellulose, PMCC)和市售微晶纤维素(commercial microcrystalline cellulose, CMCC)在模拟胃环境下对Pb2+、Cr6+的吸附性能，旨在为柚皮制备物在保健品上的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜琯溪蜜柚皮由福建省漳州市平和县蜜柚种植基地提供；CMCC为郑州康本生物科技有限公司产品.

主要仪器与设备有FW-100高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)、EL-20实验室pH计(梅特勒—托利多上海有限公司)、RE-301旋转蒸发器(巩义市予华仪器有限责任公司)、EMS-8C加热磁力搅拌器(天津欧诺仪器有限公司)、JHBE-50S闪式提取器(西安太康生物科技有限公司)、HQY-C恒温振荡摇床(金坛市鸿科仪器厂)、1510 Multiskan GO全波长酶标仪(赛默飞世尔科技公司)、LG-0.2型真空冷冻干燥机(沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司).

1.2 样品的制备

1.2.1 PP的制备 将新鲜的柚子皮切成粒状，经真空冷冻干燥至含水量约3%，粉碎后过80目筛备用.

1.2.2 YP的制备 刮除新鲜柚皮白囊，得到1～1.5 mm厚的黄皮层，经真空冷冻干燥、粉碎后过筛备用.

1.2.3 WP的制备 将新鲜柚皮削去黄皮，取白囊切成粒状，经真空冷冻干燥、粉碎后过筛备用.

1.2.4 YPC的制备 取新鲜柚子黄皮，剪成大小约为8 mm×3 mm的块状，按5∶1的液料比(溶剂体积与制备物质量之比，mL·g-1)加入蒸馏水，在闪式提取器下破碎80 s，然后用水蒸气蒸馏40 min除去精油，300目滤布过滤后，滤渣按5∶1的液料比加入40%乙醇，在60 ℃水浴下回流浸提60 min，过滤后，用蒸馏水洗涤滤渣，经真空冷冻干燥即得黄皮纤维素，粉碎过筛后备用.

1.2.5 WPC的制备 取新鲜柚子白皮，切成1 cm3大小的粒状，按20∶1的液料比加入蒸馏水，在闪式提取器(100 V)下破碎100 s，用HCl调节pH至1.0，微波煮至微沸，于90 ℃水浴回流30 min，趁热用300目滤布过滤；滤渣用沸水洗至中性，抽滤，按20∶1的液料比加入蒸馏水，用8% NaOH调节pH至12，微波煮至微沸，于90 ℃水浴回流30 min，趁热用300目滤布过滤，沸水洗至中性，抽滤；滤渣加入等量的10% H2O2，并用50%乙酸调节pH至5.0，恒温静置30 min，趁热用300目滤布过滤；滤渣用沸水洗至中性，真空冷冻干燥，获得WPC，粉碎过筛后备用.

1.2.6 PMCC的制备 取WPC，按50∶1的液料比加入4% HCl，于80 ℃水浴回流50 min，趁热用300目滤布过滤，滤渣用沸水洗至中性，真空冷冻干燥，即得PMCC，粉碎过筛后备用.

1.3 人工胃液的配制

按照文献[15-16]的方法，取16.4 mL 1 mol·L-1盐酸和10 g胃蛋白酶(酶活性3 000 U·mg-1)，摇匀后加水稀释成1 000 mL即得.

1.4 试验设计

1.4.1 几种柚皮制备物在模拟胃环境下对Pb2+的吸附 设置制备物分别为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 ℃环境下以100 r·min-1恒温振荡，用Pb(Ⅱ)-XO-CTMAB分光光度法[17]测定处理1、2、3和4 h后溶液中剩余Pb2+的含量，计算吸附量和去除率，筛选吸附Pb2+能力最强的制备物.

1.4.2 几种柚皮制备物在模拟胃环境下对Cr6+的吸附 设置制备物分别为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 ℃环境下以100 r·min-1恒温振荡，用二苯碳酰二肼分光光度法[18]测定处理1、2、3和4 h后溶液中剩余Cr6+的含量，计算吸附量和去除率，筛选吸附Cr6+能力最强的制备物.

1.4.3 Pb2+、Cr6+初始含量对吸附效果的影响 以对Pb2+、Cr6+吸附效果最强的制备物为对象，研究在模拟胃环境下Pb2+、Cr6+初始含量变化对吸附效果的影响，获得最适宜的初始含量.

制备物按2 g·L-1的比例加入含Pb2+或Cr6+的人工胃液，设置初始Pb2+含量分别为5、10、15、20和25 mg·L-1，初始Cr6+含量分别为1、3、5、10和15 mg·L-1，于37 ℃环境下以100 r·min-1恒温振荡，分别测定处理3 h后Pb2+或Cr6+的残留量，计算吸附量和去除率.

1.4.4 制备物用量对Pb2+、Cr6+吸附效果的影响 在最适宜的Pb2+、Cr6+初始含量下，以吸附效果最强的制备物为对象，研究模拟胃环境下制备物用量对Pb2+、Cr6+吸附效果的影响，获得最佳的制备物用量.

设置制备物用量分别为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 ℃环境下以100 r·min-1恒温振荡，分别测定处理3 h后Pb2+或Cr6+的残留量，计算吸附量和去除率.

1.4.5 指标的计算 吸附量/(mg·g-1)=(C0-Ce)×V/w；去除率/%=(C0-Ce)/C0×100.式中：C0、Ce分别为吸附前、吸附后某时刻溶液中金属离子含量(mg·L-1)；V为溶液体积(L)；w为制备物用量(g).

1.5 数据分析

采用SPSS统计软件对试验数据进行方差分析.

2 结果与分析

2.1 最佳柚皮制备物吸附剂的选择

2.1.1 几种柚皮制备物在模拟胃环境下对Pb2+的吸附 柚皮制备物对Pb2+的吸附量和去除率(图1、2)显示：7种制备物对Pb2+的吸附效果大致表现为：YPC>YP>PP>WP>WPC>PMCC>CMCC，YPC对Pb2+的吸附能力明显高于其他6种制备物；且随着吸附时间的延长，YPC对Pb2+的吸附量和去除率均呈缓慢升高的趋势，吸附3 h时，Pb2+的吸附量为5.62 mg·g-1，去除率达75.6%，后趋于稳定.这是因为纤维素类物质具有多孔性，其结构中含有酚羟基、醇羟基、羰基和甲氧基等多种活性基团，是金属离子的活性吸附位点，具有良好的吸附作用[19].Pb2+在多孔吸附剂上的吸附主要发生在吸附剂表面层，与表层的活性基团发生反应，吸附速率逐渐加快，当表层吸附逐渐饱和时，Pb2+沿吸附剂表层孔径向内部扩散，吸附量增大放缓，最后达到吸附平衡[20].从表1的Duncan检验可知，仅WPC与PMCC对Pb2+的吸附量差异不显著(P>0.05)，其余各处理之间的差异极显著(P<0.01).由表2可知，吸附3 h后的Pb2+吸附量与4 h的差异显著(P<0.05)，其余各处理之间的差异极显著(P<0.01).

2.1.2 几种柚皮制备物在模拟胃环境下对Cr6+的吸附 柚皮制备物对Cr6+的吸附量和去除率(图3、4)显示，7种制备物对Cr6+的吸附效果表现为：YP>PP>WP>YPC>WPC>PMCC>CMCC.随着吸附时间的延长，7种制备物对Cr6+的去除率和吸附量均逐渐增大，3 h的吸附量最大，而后去除率和吸附量趋于稳定.YP对Cr6+的吸附效果最佳，吸附初期，柚子黄皮表层位点较多，吸附速率较快，吸附量急剧上升，3 h的去除率达到94.36%，吸附量达到1.95 mg·g-1，此时达到吸附饱和；随着吸附时间的延长，更多的吸附位点被占用，吸附速率逐渐降低，即曲线逐渐平缓[21]，继续吸附则Cr6+的吸附量和去除率变化不大.从表1、2的Duncan检验可知，仅CMCC对Cr6+的吸附量与PMCC差异不显著(P>0.05)，其余各处理之间的差异极显著(P<0.01)，而吸附时间对Cr6+的吸附量差异极显著(P<0.01).

图1 柚皮制备物对Pb2+吸附量的影响Fig.1 The effect of pomelo peel preparations on the adsorption capacity of Pb2+

2.2 Pb2+、Cr6+初始含量对吸附效果的影响

表1 柚皮制备物对Pb2+、Cr6+吸附量差异的Duncan检验1)Table 1 Duncan test for the adsorption capacity of Pb2+ and Cr6+on pomelo peel preparations

1)数据为平均值±标准偏差；同列数据后附不同大写字母者表示差异极显著(P<0.01)，附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，附相同小写字母者表示差异不显著(P>0.05).

表2 吸附时间对Pb2+、Cr6+吸附量影响的Duncan检验1)Table 2 Duncan test for the effect of adsorption time on Pb2+ and Cr6+ adsorption capacity

1)同列数据后附不同大写字母者表示差异极显著(P<0.01)，附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05).

2.2.1 模拟胃环境下Pb2+初始含量对YPC吸附效果的影响 在YPC用量2 g·L-1、振荡温度37 ℃、振荡速度100 r·min-1、吸附时间3 h的条件下，设置Pb2+的初始含量分别为5、10、15、20和25 mg·L-1，研究Pb2+初始含量对YPC吸附效果的影响.结果(图5)显示，随着Pb2+初始含量的升高，YPC对Pb2+的吸附量呈递增趋势，去除率呈下降趋势.Pb2+初始含量为20 mg·L-1时，YPC对Pb2+具有较高的吸附量及较好的去除率，此时的吸附量为5.08 mg·g-1，去除率为80.7%.

2.2.2 模拟胃环境下Cr6+初始含量对YP吸附效果的影响 在YP用量2 g·L-1、振荡温度37 ℃、振荡速度100 r·min-1、吸附时间3 h的条件下，设置Cr6+的初始含量分别为1、3、5、10和15 mg·L-1，研究Cr6+初始含量对YP吸附效果的影响.结果(图6)显示，YP对Cr6+的吸附量整体呈上升趋势.当Cr6+初始含量从1 mg·L-1升高到5 mg·L-1时，吸附量从0.22 mg·g-1急剧上升到2.46 mg·g-1，而去除率变化不大；当Cr6+含量大于5 mg·L-1时，吸附量的增加幅度减缓，而去除率则急剧下降.Cr6+初始含量为5 mg·L-1时，YP对Cr6+具有较高的吸附量及较好的去除率.

图3 柚皮制备物对Cr6+吸附量的影响Fig.3 The effect of pomelo peel preparations on the adsorption of Cr6+

图5 Pb2+初始含量对YPC吸附效果的影响Fig.5 Effect of initial content of Pb2+ ontheadsorptionof YPC

2.3 制备物用量对Pb2+、Cr6+吸附效果的影响

2.3.1 模拟胃环境下YPC用量对Pb2+吸附效果的影响 在Pb2+初始含量20 mg·L-1、振荡温度37 ℃、振荡速度100 r·min-1、吸附时间3 h的条件下，设置YPC用量分别为1、2、3.5、5、6.5和7.5 g·L-1，研究YPC用量对Pb2+吸附效果的影响.结果(图7)显示，随着YPC用量的增加，对Pb2+的去除率逐渐上升.当YPC用量为5 g·L-1时，去除率达到100%，即使增加YPC的用量，也没有过多的Pb2+被吸附，吸附量迅速下降；当YPC的用量为3.5 g·L-1时，YPC对Pb2+具有较高的吸附量及较好的去除率，此时的去除率达95.5%，吸附量为3.86 mg·g-1.

2.3.2 模拟胃环境下YP用量对Cr6+吸附效果的影响 在Cr6+初始含量5 mg·L-1、振荡温度37 ℃、振荡速度100 r·min-1、吸附时间3 h的条件下，设置YP用量分别为1、2、3.5、5、6.5和7.5 g·L-1，研究YP用量对Cr6+吸附效果的影响.结果(图8)显示，随着YP用量的增加，对Cr6+的吸附量呈下降趋势，而去除率则逐渐上升.当YP用量为5 g·L-1时，YP对Cr6+具有较高的吸附量及较好的去除率，此时的去除率为88.3%，吸附量达2.35 mg·g-1.

图7 YPC用量对Pb2+吸附效果的影响Fig.7 Effect of YPC dosage on the adsorption of Pb2+

3 讨论与结论

本试验比较了PP、YP、WP、YPC、WPC、PMCC和CMCC 7种柚皮制备物在模拟胃环境下对Pb2+、Cr6+的吸附性能.结果表明：(1)无论是对Pb2+还是对Cr6+的吸附，PMCC和CMCC的吸附量都是最低，这应该与其结构有关.微晶纤维素是经稀酸水解的部分解聚的纤维素，纤维网络结构被破坏，活性基团减少[22]，对Pb2+、Cr6+的吸附性能下降；而WPC在结构上较接近于微晶纤维素，其对Pb2+、Cr6+的吸附量仅高于PMCC和CMCC，且与PMCC对Pb2+的吸附量差异不显著(P>0.05).(2)对Cr6+的吸附量总体表现为：柚皮干粉>柚皮纤维素>微晶纤维素，以YP最高.这可能是由于柚皮的纤维组织结构非常紧凑，内部含有大量孔隙，呈蜂窝状，具有较大的存储容量[23]，且其组成成分——纤维素、半纤维素、木质素和果胶中含有大量金属离子的活性吸附位点，如酚羟基、醇羟基、羰基和甲氧基等[19]，对Cr6+的吸附性能较强；而当柚皮干粉水解成为纤维素后，大量的羰基和甲氧基等活性基团损失了，对Cr6+的吸附性能也随之下降.(3)YPC对Pb2+的吸附量最高，且与其他制备物对Pb2+的吸附量差异达到了极显著水平(P<0.01).这可能是由于柚皮干粉水解成为纤维素后，在损失了大量的羰基和甲氧基等活性基团的同时，其组织结构更加疏松且羟基密度显著增大了，虽然对Cr6+的吸附量显著降低，但却更容易吸附Pb2+.

本试验结果还表明，Pb2+、Cr6+初始含量不同，YPC对Pb2+，YP对Cr6+的吸附均表现出随着初始含量的增加呈吸附量增大、去除率下降的趋势.这是因为YPC、YP用量一定时，其饱和吸附量也是一定的.Pb2+、Cr6+初始含量越大，越多的Pb2+、Cr6+竞争吸附剂表面的吸附位点，未被吸附的Pb2+、Cr6+也越多，去除率下降；同时随着Pb2+、Cr6+初始含量的增加，吸附剂内外的浓度差增大，产生的传质推动力也较大，因此吸附量上升[24].而当Pb2+、Cr6+初始含量不变，YPC和YP用量增加时则比表面积增大，造成吸附位点竞争吸附为数不多的Pb2+、Cr6+，吸附剂的吸附位点没有完全被利用，就出现去除率上升而吸附量下降的现象[25].在模拟胃环境下，吸附温度为37 ℃，吸附时间为3 h，YPC用量为3.5 g·L-1，Pb2+初始含量为20 mg·L-1时，YPC对Pb2+的吸附量为3.86 mg·g-1，去除率为95.5%；当YP用量为5 g·L-1，Cr6+初始含量为5 mg·L-1时，YP对Cr6+的吸附量为2.35 mg·g-1，去除率为88.3%，均达到了理想的吸附效果.