海带多糖中重金属脱除工艺研究.pdf

齐鲁工业大学学报第 卷 第 期 年 月出版 .:./.【食品与生物工程】海带多糖中重金属脱除工艺研究盖雪蕾李 静张绵松陈伟峰刘 雪崔婷婷刘昌衡贾爱荣*.齐鲁工业大学(山东省科学院)生物研究所山东 济南.威海海日水产食品有限公司山东 威海.山东省海洋功能食品技术创新中心山东 威海.山东晟达菲尔生物科技发展有限公司山东 枣庄 摘要:为降低海带多糖中重金属铅、镉、铬的含量选用改性硅胶作为吸附剂以 种重金属的脱除率、多糖保留率为评价指标以、硅胶用量、温度和时间为因素进行了单因素试验在此基础上通过正交试验设计和综合评价指标优化了海带多糖中重金属脱除工艺条件 结果表明海带多糖中重金属脱除的最佳工艺条件为 、温度 、时间.对铅、镉、铬的脱除率分别可达到.、.、.此时的多糖保留率为.脱除后海带多糖中重金属含量均低于国家标准的限值且最大程度地保留了多糖提高了再加工原料品质为海带多糖在食品、保健食品和特医食品中的应用提供了高品质原料关键词:海带多糖重金属脱除正交试验工艺优化中图分类号:.文献标志码:文章编号:().().:.收稿日期:网络出版时间:基金项目:年度山东省重点扶持区域引进急需紧缺人才项目(贾爱荣)山东省重点研发计划(重大科技创新工程)()山东省科学院院地产学研协同创新基金项目()科教产融合试点工程基础研究类项目培新基金()作者简介:盖雪蕾硕士生研究方向:食品研究与开发通信作者:贾爱荣博士、研究员研究方向:食品研究与开发.齐鲁工业大学学报 年第 期 .:海带是我国重要的经济海藻之一来源广泛且价格低廉生产方式主要以初加工为主产品附加值低海带多糖是存在于海带中的一类天然生物大分子近几年的研究表明海带的诸多活性如抗氧化、抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗凝血、降血糖、改善肠道微生态、预防动脉粥样硬化、抗衰老、治疗肾病等与海带多糖有着密不可分的关系 海带多糖是海带深加工的主要产品之一具有很高的商业价值 研究表明海带多糖中的褐藻糖胶含有糖醛酸和硫酸基团能够吸附和结合有毒污染物和重金属离子(、等)使得海带易于富集环境中的重金属 张乾通对舟山渔场主要海产品进行分析检测发现受污染程度最严重的是海带类其中重金属铅、镉的单项污染指数值分别为.、.且污染还有逐年上升的趋势 长期食用重金属超标的海带系列产品会对人体健康带来巨大的风险目前国内外学者在水体、土壤、海产动物等方面对重金属脱除做了较多研究对于海藻(例如海带、裙带菜、紫菜等)中的重金属脱除问题也引起了人们的重视但关于海带多糖中重金属脱除的相关研究报道较少 目前存在的问题为:一是在重金属脱除过程中只关注某种元素的脱除效果不能达到同时有效脱除多种元素二是脱除过程可能导致原料有效成分的损失 海带多糖中重金属脱除常用的脱除剂有金属螯合剂、植酸、乙醇、乙酸和柠檬酸 本研究中采用的靶向硅胶是一种全新型过滤吸附材料糅合了活性炭的物理吸附、树脂的离子交换吸附、硅胶的螯合吸附改善了传统吸附材料官能团种类少、化学和热稳定性差、易于膨胀和收缩等问题本研究以海带多糖为研究对象采用硅胶吸附重金属单因素试验主要考察、硅胶用量、吸附温度、吸附时间对海带多糖中铅、镉、铬的脱除率和多糖保留率的影响采用正交试验优化脱除工艺达到同时降低海带多糖中铅、镉、铬含量的目的并最大程度保留海带多糖 通过有效降低海带多糖中重金属含量提高海带多糖产品的品质满足使用海带多糖开展精深加工的高端需求材料和方法.材料与仪器干海带购于济南七里堡市场(产自山东荣成)未去头、尾未经过化学处理纤维素酶(/南宁东恒华道生物科技有限责任公司)果胶酶(/南宁东恒华道生物科技有限责任公司)硅胶(浅黄色粉末、粒径 、水分含量.、型号 无锡定象改性硅胶材料有限公司)多元素(铅、镉、铬)标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)葡萄糖、氢氧化钠、盐酸、浓硫酸、苯酚(分析纯国药集团化学试剂有限公司)型恒温振荡器(常州国华电器有限公司)型台式离心机(上海安亭科学仪器厂)型冷冻干燥机(东京理化器械株式会社)型多功能酶标仪(帝肯(上海)实验器材有限公司)型实验室 计(梅特勒托利多仪器(上海)有限公司)/型电子天平(奥豪斯仪器(常州)有限公司)型高功率数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)型电热恒温水浴锅(上海精宏实验设备有限公司)型电磁炉(广东美的生活电器制造有限公司)型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)极光 微波消解仪(上海屹尧仪器科技发展有限公司)电感耦合等离子体质谱仪(美国安捷伦公司).实验方法.海带预处理购买的干海带搓掉泥沙和海盐剪碎后放入鼓风干燥箱中进一步烘干、粉碎过 目筛(孔径.)即得到海带粉末阴凉干燥处保存备用 年第 期盖雪蕾等:海带多糖中重金属脱除工艺研究.海带多糖提取称取适量海带粉末按照料液比 (/)加入去离子水溶解混匀在 功率下超声处理 加入质量分数 纤维素酶和质量浓度 果胶酶 调至 酶解 后于 加热灭酶 冷却至室温纱布过滤后 /离心 收集上清液并浓缩加入 倍体积的乙醇过夜 /离心 收集沉淀即为海带粗多糖 烘箱中干燥粉碎并研磨成粉末阴凉干燥处保存备用.单因素试验 对海带多糖中重金属脱除效果的影响 称取.海带多糖置于烧杯中加入 去离子水在 恒温振荡器中振荡至海带多糖完全溶解 使用 或 调节溶液 分别设置为、硅胶用量为.在温度为 振荡转速为 /的恒温振荡器中孵育 考察不同 对海带多糖中重金属脱除效果的影响硅胶用量对海带多糖中重金属脱除效果的影响 称取.海带多糖置于烧杯中加入 去离子水在 恒温振荡器中振荡至海带多糖完全溶解 设置为 硅胶用量分别为.、.、.、.、.、.在温度为 振荡转速为 /的恒温振荡器中孵育 考察不同硅胶用量对海带多糖中重金属脱除效果的影响温度对海带多糖中重金属脱除效果的影响 称取.海带多糖置于烧杯中加入 去离子水在 恒温振荡器中振荡至海带多糖完全溶解 设置为 硅胶用量为.在温度分别为、振荡转速为 /的恒温振荡器中孵育 考察不同温度对海带多糖中重金属脱除效果的影响时间对海带多糖中重金属脱除效果的影响 称取.海带多糖置于烧杯中加入 去离子水在 恒温振荡器中振荡至海带多糖完全溶解 设置为 硅胶用量为.在温度为 振荡转速为/的恒温振荡器中分别孵育、考察不同时间对海带多糖中重金属脱除效果的影响.正交试验根据单因素试验结果进行、温度、时间 个因素的正交试验设计水平设置见表采用正交表()进行试验根据重金属的脱除率和海带多糖的保留率确定硅胶吸附海带多糖中重金属的最佳条件表 正交试验因素及水平表水平 温度/时间/.海带多糖中重金属元素的测定按 .食品安全国家标准 食品中多元素的测定对铅、镉、铬进行检测重金属脱除率的计算:重金属脱除率()其中、分别表示硅胶吸附前、吸附后海带多糖中铅、镉、铬的含量单位/海带多糖保留率的计算:首先葡萄糖标准曲线的绘制 参考李琪等的实验方法拟合得到线性回归方程 .其次海带多糖含量的测定及保留率的计算 海带多糖含量的测定采用苯酚硫酸法 多糖的保留率计算公式如下:多糖保留率()其中、分别表示硅胶吸附海带多糖中重金属前后多糖的含量单位/.数据处理实验数据采用“平均值标准偏差”的形式表示所有实验设置 个平行 采用 、.、齐鲁工业大学学报 年第 期 等软件进行数据处理分析和图表绘制结果与分析.海带多糖中重金属元素的测定对重金属脱除前的海带多糖进行铅、镉、铬含量测定含量分别为(.)/、(.)/、(.)/其中铅和镉的含量与文献中铅和镉的含量相近 根据食品安全国家标准规定对于铅元素的限量要求为./测定结果显示海带多糖中铅的含量并未超出国家标准限值对于镉、铬元素并无关于海藻类的相关限定 根据樊林等的研究方法海藻类镉、铬的限量标准可参考食品安全国家标准规定中蔬菜及其制品镉、铬的限量要求和水产动物及其制品镉、铬的限量要求 镉的含量限值为./铬的含量限值为./本研究的测定结果显示海带多糖中镉和铬的含量超出上述限值 有效脱除海带多糖中的重金属镉和铬对海带多糖的产业化应用具有重要意义.单因素试验.对海带多糖中重金属脱除效果的影响不同 条件可能会影响硅胶的吸附位点从而影响对重金属的吸附效果 同时酸碱条件还会影响重金属离子的化学状态如图()所示在 范围内铅脱除率随着 的增加而增加当 时铅脱除率达到最大值 大于 后铅脱除率下降 这是由于在酸性溶液中溶液中的 易于与硅胶中的配位原子 和 结合使得螯合配体处于质子化状态从而降低了硅胶与铅离子的螯合能力 随着 的升高硅胶中配位原子的质子化状态减弱硅胶与铅离子的螯合能力增强从而吸附量也升高可以提高铅脱除率 但是当 大于 时铅离子易形成亚铅酸盐沉淀物从而又使硅胶对铅离子的吸附量降低 因此出现了铅脱除率随着 的增加先增加后降低的现象 综上所述脱除铅的适宜 为 如图()所示当 时硅胶对于镉的吸附效果达到最佳 这与苏国钧等研究结果一致材料中的氨基在 范围内对镉离子有良好的吸附作用 因此脱除镉的适宜 为 如图()所示铬脱除率随着 的升高而增加该规律与其他活性炭类物质吸附铬的规律相类似当 时铬脱除率最高 因此脱除铬的适宜 为 多糖保留率检测结果表明(图()时多糖保留率最高 已有研究表明多糖在高温和酸性环境中具有良好的化学稳定性而在碱性环境中稳定性较差这可能会影响其生物活性因此综合考虑脱除铅、镉、铬和多糖保留率的适宜 范围 为 时是最佳条件正交试验中将选用 为 年第 期盖雪蕾等:海带多糖中重金属脱除工艺研究注:()铅脱除率()镉脱除率()铬脱除率()多糖保留率图 图 同 不同字母标识表示不同实验组间具有显著性差异(.)因此.硅胶用量为最佳条件硅胶对镉的脱除效果比较明显如图()所示镉的脱除率随着硅胶用量的增加而上升当硅胶用量为.和.时镉脱除率均达到 以上如图()所示随着硅胶用量的增加铬的脱除率呈现先下降后上升的趋势然后稳定在 左右当硅胶用量为.时铬的脱除率较低可能因为硅胶中的活性基团不稳定使得吸附量骤减但随着硅胶用量的增加硅胶中的结合位点越来越多对铬离子吸附量也逐渐增加 当硅胶用量为.时对铬的脱除达到较好的效果当硅胶用量为.时多糖保留率最高在硅胶用量为.范围内多糖保留率在 之间变化趋势不大综合考虑硅胶对铅、镉、铬的脱除率及多糖保留率的影响硅胶用量为.时效果较好因而正交试验中硅胶使用量为.齐鲁工业大学学报 年第 期图 硅胶用量对海带酶解多糖中重金属脱除效果的影响.温度对海带多糖中重金属脱除效果的影响在 温度范围内检测硅胶对重金属的吸附能力及海带多糖保留率如图()所示不同温度下无显著性差异(.)所以最适温度范围为 如图()所示随着温度的升高镉脱除率也随之升高在温度为 时硅胶吸附海带多糖中的镉离子达到最佳效果如图()所示当温度在 时铬离子脱除率在之间硅胶吸附铬离子的效果无显著性差异(.)多糖保留率检测结果表明(图()温度对海带多糖保留率影响不显著(.)因此当温度为 时可以达到脱除海带多糖中铅、镉、铬的最佳效果且能最大程度的保留多糖 根据实验结果综合考虑在正交试验中选定较适宜的温度范围是 图 温度对海带酶解多糖中重金属脱除效果的影响 年第 期盖雪蕾等:海带多糖中重金属脱除工艺研究.时间对海带多糖中重金属脱除效果的影响不同时间对海带多糖中重金属脱除率及海带多糖保留率的影响如图()所示当吸附时间在 硅胶对铅的吸附相对稳定当吸附时间为 时硅胶吸附铅离子达到最佳效果但是在吸附时间大于 后硅胶对铅的吸附量降低 因此对铅的吸附时间应该控制在 镉脱除率随着吸附时间的增加而升高(图()当吸附时间为 、时镉离子脱除率最高 所以硅胶吸附镉离子的最佳时间为 如图()所示不同吸附时间下硅胶对铬离子脱除率无显著性差异(.)所以对于铬的脱除时间选择为 根据图()当吸附时间为 、时能最大程度的保留海带多糖基于硅胶能同时兼顾吸附海带多糖中的 种重金属离子且有效保留海带多糖的目的在正交试验中选择吸附时间为 进行条件优化图 时间对海带酶解多糖中重金属脱除效果的影响.正交试验在单因素试验基础上采用()正交试验设计研究、温度、时间三因素对硅胶吸附海带多糖中重金属效果及海带多糖保留率的影响正交试验结果见表 根据硅胶对各重金属的吸附效果和海带多糖保留率的影响采用综合指标分析法对铅脱除率、镉脱除率、铬脱除率、多糖保留率权重比例分别设置为、综合评分(铅脱除率/铅脱除率最大值镉脱除率/镉脱除率最大值铬脱除率/铬脱除率最大值多糖保留率/多糖保留率最大值)综合评分值越大表示有效脱除效果越佳根据计算得到的综合评分对试验结果进行直观分析和极差分析结果见表 由表 可知极差 的波动幅度代表了各实验因素对硅胶吸附重金属效果的影响程度各实验因素中海带多糖中重金属有效脱除的最大影响因素是 其次是时间影响最小的是温度齐鲁工业大学学报 年第 期表 正交试验设计及评分结果实验编号脱除率/铅镉铬多糖保留率/综合评分/.优水平优组合主次因素.验证实验经极差分析得到最佳组合 但极差分析中吸附温度对硅胶吸附海带多糖中重金属及多糖保留率影响很小 值为.从节约能源的角度出发吸附温度确定为 为了检验正交试验的可行性对组合 进行海带多糖中重金属脱除的验证实验平行处理 次 结果表明该工艺经 次平行实验后得到的铅、镉、铬质量分数分别为.、.、./多糖的质量浓度为./海带多糖中的铅、镉、铬的脱除率分别可达到(.)、(.)、(.)多糖保留率为(.)综合评分为.验证试验表明优化后的提取工艺稳定、合理、可行 通过实验得到的优化条件既可以达到最佳的脱除效果又能最大程度的保留海带多糖证明该工艺具有可行性结果本研究通过单因素实验和正交试验多指标综合优化了海带多糖中重金属脱除工艺条件由各指标加权得到综合评分 在 为、温度 、时间.的条件下对铅、镉、铬的脱除率分别可达到.、.、.多糖保留率为.脱除后铅、镉、铬的含量分别为.、.、./海带粗多糖品质得到提升 经过脱除工艺的优化镉、铬的含量达到较低的含量且较好的保留了海带多糖 此工艺条件简单、易于操作使海带多糖品质得到了良好的保证为海带多糖的高效利用和高品质开发提供重要的参考价值为开发基于海带多糖的新型功能食品提供理论依据参考文献:谷怡静.海带生物脱腥及多糖提取、抗氧化应用.无锡:江南大学.王玉涵魏溢姜胤秀等./法修饰海带多糖及抗肿瘤活性研究.黑龙江医药():.:.():.年第 期盖雪蕾等:海带多糖中重金属脱除工艺研究 .:.:.():.():.():.():.:.吴金辉.海带膳食纤维和多糖的制备、理化性质及生物活性研究.秦皇岛:河北科技师范学院.程晓芳袁丹丹张余慧等.海带多糖的生理活性及其在食品中的应用研究进展.食品工业科技():.:.():.陈露郑丽杰金佳颖等.铜藻中有害元素的脱除工艺优化及脱除前后砷形态的变化.食品工业科技():.张乾通.舟山渔场主要海产品重金属污染现状分析与评价.杭州:浙江大学.().:.().():.容琦袁利娜.水产品中重金属脱除技术的研究进展.食品研究与开发():.刘翼翔刘宗林籍保平等.岩藻聚糖中重金属元素脱除方法的研究.食品科学():.贾冬英郑洪彬汤华剑.纸型海带食品的生产工艺研究.食品研究与开发():.江洁陈兴才.即食海带的脱腥与杀菌工艺.福建农林大学学报(自然科学版)():.姜玉花.水产品酶解液中重金属脱除技术研究进展.化工管理():.张晓文邵柳逸连宾.种太湖水产品体内重金属富集特征及食用安全性评价.食品科学():.宋杨刘雨霏汤梦瑶等.贝壳基吸附材料对四种重金属吸附性能研究.食品工业科技():.俞静芬凌建刚周安渊等.海带脱腥工艺的研究.农产品加工(创新版)():.杨南超.靶向硅胶材料吸附剂及其应用:.国家卫生和计划生育委员会国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准 食品中多元素的测定:.北京:中国标准出版社.李琪王琤韡.柠檬酸提取法中液料比对海带多糖提取率的影响及其保湿性研究.粮油与饲料科技():.孔庆龙余汪平郭冬梅等.苯酚硫酸法测定三七枸杞酒中多糖含量.食品安全质量检测学报():.姜雪刘楠孙永等.荣成鲜海带及其干、盐制品的营养成分分析.食品安全质量检测学报():.国家卫生和计划生育委员会国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准 食品中污染物限量:.北京:中国标准出版社.樊琳娄永江陈小芳等.响应面法优化海带中重金属的脱除工艺.食品与生物技术学报():.白蓝刘媛李俊玲等.硅胶螯合吸附剂制备及其铅离子吸附综合实验.实验室科学():.苏国钧张高剑王千里.氨基修饰桥联介孔材料的制备及其吸附性能研究.湘潭大学自然科学学报():.何粉霞聂小伟陈志兵等.海带多糖酶解辅助提取工艺的响应面优化及其稳定性研究.保鲜与加工():.(责任编辑:徐学友校 对:孙洪清)