陳衛(wèi)林，閻曉菲，高 蕾，尹明遠，王小標，苗 森，董新平，武 運*

（1.新疆農業(yè)大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業(yè)大學 科學技術學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆中信國安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆 瑪納斯 832200）

隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為當今最重要的環(huán)境問題之一，生物吸附（biosorption）利用生物體或其衍生物吸附水中的金屬離子，再經(jīng)固液分離，可以達到水體凈化目的，是一種可大量處理低濃度重金屬廢水的理想方法[1]。研究表明，許多藻類、細菌、真菌以及酵母等微生物都能有效地吸附水溶液中重金屬離子[2-6]。我國是啤酒生產(chǎn)大國，廢酵母的生成量非常可觀，但我國對廢酵母的利用還不是很充分，大多是經(jīng)過簡單加工制成粗蛋白飼料，甚至不加利用直接排入江河，造成了資源的極大浪費或環(huán)境污染[7-8]，將這些大量易于獲取的廉價的生物材料制備成生物吸附劑，不僅可以減輕這些行業(yè)處理廢棄菌體的負擔，還可達到“以廢治廢”的目的[9]。另外，對吸附重金屬后的釀酒廢酵母進行洗脫，不但洗脫后的酵母可以對重金屬進行再次吸附，洗脫液中的重金屬也可以進行回收利用，變害為寶。

生物吸附主要是由于細胞壁上的官能團——蛋白質、肽、羧基、磺酸基等與金屬離子的相互作用[10-11]，啤酒酵母細胞壁厚度為25～70nm，重量約占細胞干重的25%，主要成分為葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質和幾丁質，另有少量脂質[12-14]。為了提高其對重金屬的吸附效率可對其進行簡單的化學改性，常用的改性劑主要有酸、堿、鹽等。一般而言，酸處理作用不明顯，有時還會降低吸附性能，但劉恒等[15]發(fā)現(xiàn)酸處理過的啤酒酵母其吸附量增大；堿處理的主要作用是使吸附劑表面去質子化，減少重金屬離子與氫根產(chǎn)生的斥力。張云松等[16]發(fā)現(xiàn)NaOH修飾菌表面的羧基、氨基、羥基、酰胺基和磷?；炔煌潭鹊貐⑴c了吸附反應，NaOH修飾菌具有較高的Cu2+吸附能力。

本實驗以釀酒廢酵母作為生物吸附劑，用HCl和NaOH作為改性劑探討釀酒廢酵母改性特性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

釀酒廢酵母：新疆烏蘇啤酒廠。

硝酸鉛（分析純）：天津市福晨化學試劑廠；鹽酸（分析純）、氫氧化鈉（分析純）：天津市盛奧化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技儀器有限公司；MAS9000系列原子吸收光譜儀：北京盈安美誠科學儀器有限公司；THZ-82型氣浴恒溫振蕩器：常州市國立試驗設備研究所；TD5A-WS臺式低速離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；AR2130/C型電子精密天平：奧豪斯國際貿易（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 釀酒廢酵母改性工藝

釀酒廢酵母菌體的制備：用蒸餾水將釀酒廢酵母洗滌、離心數(shù)次，至上清液澄清，棄去上清液，收集菌體，在烘箱中80℃烘至質量恒定，冷卻后粉碎成粉，過60目篩，干燥保存?zhèn)溆肹17]。

改性釀酒廢酵母菌體的制備：將獲得的釀酒廢酵母菌體用不同的改性劑，在不同的改性溫度、液料比、改性時間以及改性劑濃度條件下對菌體進行改性，用蒸餾水將改性后的酵母洗滌、離心數(shù)次，至上清液呈中性，棄去上清液，收集菌體，在烘箱中80℃烘至質量恒定，冷卻后粉碎成粉，過60目篩，干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 重金屬溶液的配制

精密稱取0.159 8g硝酸鉛，用蒸餾水于100mL容量瓶中定容至刻度，制得1 000μg/mL的Pb2+溶液，將其作為母液。按試驗需要的重金屬濃度對母液進行稀釋。

1.3.3 改性釀酒廢酵母對Pb2+吸附率的測定方法

改性釀酒廢酵母對Pb2+的吸附：移取20mL Pb2+（30μg/mL）溶液于三角瓶中，在水浴鍋中預熱至30℃，加入0.02g干燥改性酵母，于氣浴恒溫振蕩器中30℃恒溫振蕩60min，取樣過濾，用原子吸收光譜儀測定濾液中Pb2+濃度。Pb2+吸附率計算方法如下：

式中：ρ0為吸附前溶液中Pb2+濃度，mg/L；ρ1為吸附后溶液中Pb2+濃度，mg/L。

1.3.4 改性試驗

改性劑的選擇：將釀酒廢酵母分別置于濃度為0.1mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L的NaOH溶液和HCl溶液中，在改性溫度30℃、改性時間60min、液料比為20∶1（mL∶g）條件下進行改性，用蒸餾水將改性后的酵母洗滌、離心數(shù)次，至上清液呈中性，棄去上清液，收集菌體，在烘箱中80℃烘至質量恒定，冷卻后粉碎成粉，過60目篩，用改性后的釀酒廢酵母粉吸附Pb2+并計算吸附率。

單因素試驗：

（1）液料比對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響：改性劑由改性劑的選擇試驗確定，濃度為0.3mol/L，液料比分別為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1（mL∶g），其他條件同1.3.4 進行改性并計算其對Pb2+的吸附率。

（2）改性溫度對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響：料液比由（1）確定，改性溫度分別為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃其他條件同（1）進行改性并計算其對Pb2+的吸附率。

（3）改性時間對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響：改性溫度由（2）確定，改性時間分別為30min、90min、150min、210min、270min、330min，其他條件同（2）進行改性并計算其對Pb2+的吸附率。

（4）改性劑濃度對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響：改性時間由（3）確定，改性劑濃度分別為0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L、0.8mol/L、1.1mol/L，其他條件同（3）進行改性并計算其對Pb2+的吸附率。

響應面優(yōu)化試驗：在單因素試驗的基礎上，綜合考慮各單因素對釀酒廢酵母對Pb2+吸附的影響，采用統(tǒng)計分析軟件建立4因素3水平的Box-Behnken模型，確定最優(yōu)改性工藝。以釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率為響應值，改性時間、改性溫度、料液比及改性劑濃度為自變量，變量因素編碼及水平見表1。

表1 Box-Behnken設計因素水平及編碼Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 改性劑的選擇

表2 不同改性劑對吸附率的影響Table 2 Effect of different modifier on adsorption rate

由表2可知用NaOH改性可以提高釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率，用HCl改性可以降低釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率，因此選擇NaOH作為最優(yōu)改性劑。用NaOH改性可以提高釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率可能是由于酵母細胞壁中的酰胺鍵及酯鍵在堿性條件下水解出氨基、羥基和羧基等，從而提高了其吸附能力[18]。

2.1.2 液料比對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響

圖1 液料比對吸附率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on adsorption rate

由圖1可知，釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率隨著液料比的增加而逐漸提高，當液料比為40∶1（mL∶g）時吸附率達到最大值，此后隨著液料比的增加釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率反而降低。這可能是由于吸附率在未達到最大值之前，改性劑的相對量不夠，釀酒廢酵母表面吸附位點沒有完全暴露，隨著液料比的增加而逐漸暴露，吸附率也隨之提高，吸附率達到最大值之后，隨著液料比的增加，改性劑的量相對過剩，反而破壞了能夠與Pb2+結合的官能團，從而降低了吸附率。因此確定最佳液料比為40∶1（mL∶g）。

2.1.3 改性溫度對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響

圖2 改性溫度對吸附率的影響Fig.2 Effect of modification temperature on adsorption rate

由圖2可知，釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率隨著改性溫度的增高而逐漸提高，當改性溫度為40℃時吸附率達到最大值，此后隨著改性溫度的升高釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率反而降低。這可能是由于過高的溫度破壞了能夠與Pb2+結合的官能團，從而降低了吸附率。因此確定最佳改性溫度為40℃。

2.1.4 改性時間對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響

由圖3可知，改性時間在30～150min期間釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率變化不大，在150～270min期間吸附率隨著改性時間的延長而逐漸提高，當改性時間為270min時吸附率達到最大值，此后隨著改性時間的延長釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率降低。這可能是由于改性時間過長，能夠與Pb2+結合的官能團被破壞而造成的。因此確定最佳改性時間為270min。

圖3 改性時間對吸附率的影響Fig.3 Effect of modification time on adsorption rate

2.1.5 改性劑濃度對釀酒廢酵母吸附Pb2+能力的影響

圖4 改性劑濃度對吸附率的影響Fig.4 Effect of modifier concentration on adsorption rate

由圖4可知，釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率隨著改性劑濃度的增大而逐漸提高，當改性劑濃度為0.3mol/L時吸附率達到最大值，此后隨著改性劑濃度的增大釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率降低。這可能是由于過高的改性劑濃度破壞了能夠與Pb2+結合的官能團，從而降低了吸附率。因此確定最佳改性劑濃度為0.3mol/L。

2.2 響應面法優(yōu)化釀酒廢酵母改性條件

2.2.1 Box-Benhnken 的中心組合設計試驗

對釀酒廢酵母改性工藝進行響應面分析，具體試驗方案及結果見表3。

利用Design Expert軟件對各因素進行二次多元回歸擬合，得到二次多項回歸方程：

表4為回歸模型方差分析結果，回歸方差分析顯著性檢驗表明該回歸模型極顯著（P=0.000 8＜0.01），失擬項不顯著（P=0.104 7＞0.05），并且該模型R2=0.862 1，R2adj=0.724 2，模型信噪比（adeq precision=8.961）大于臨界值4，說明該模型與試驗擬合情況良好，可以用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析和預測。

表3 響應面試驗方案與試驗結果Table 3 Experimental design and result of response surface methodology

由表4方差分析結果可知，對方程影響程度由大到小依次為改性溫度、液料比、改性劑濃度和改性時間，改性溫度對方程影響最顯著，說明改性溫度直接關系釀酒廢酵母對Pb2+吸附率的大小，而液料比、改性劑濃度和改性時間對釀酒廢酵母吸附Pb2+的吸附率影響不顯著。A、A2對模型的影響極顯著（P＜0.001），B2和C2項對模型的影響高度顯著（P＜0.01）；交互項BC對模型的影響也達到了顯著水平（P＜0.05），表明各因素之間不是簡單的線性關系，而是二次關系。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

2.2.2 響應面結果分析

由圖5的響應曲面可以看出，在所選參數(shù)范圍內存在響應面最高點及極值，說明參數(shù)所選范圍合理；吸附率隨著改性溫度的變化其變化率最大，液料比次之，改性劑濃度和改性時間不明顯，說明改性溫度對吸附率的改變貢獻最大，直接關系釀酒廢酵母對Pb2+吸附率的大小。

2.2.3 響應面結果驗證試驗

由模型方程計算可得，最優(yōu)改性方案為改性溫度43.09℃，液料比40.62∶1（mL∶g），改性時間270.02min，改性劑濃度0.32mol/L，理論最大吸附率為90.24%。根據(jù)操作的可行性將以上條件調整為改性溫度43℃，液料比41∶1（mL∶g），改性時間270min，改性劑濃度0.32mol/L，重復3次試驗，平均Pb2+吸附率為89.96%，與預測值基本一致。

3 結論

為提高釀酒廢酵母對重金屬的吸附能力，對釀酒廢酵母進行改性，通過改性劑的選擇試驗發(fā)現(xiàn)，用NaOH作為改性劑可以提高釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率，HCl反而降低釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率，因此選擇NaOH作為最優(yōu)改性劑。

以NaOH作為最優(yōu)改性劑，通過單因素試驗和響應面試驗對釀酒廢酵母改性工藝條件進行優(yōu)化，研究結果表明改性溫度對改性效果影響最大，并且料液比與改性時間存在交互作用。得到二次多項式回歸模型為：吸附率=89.49+4.51A+1.18B-0.14C+0.19D-2.12AB-0.46AC+0.93AD+3.72BC+60.27BD+0.6CD-7.23A2-4.49B2-4.77C2-2.4D2。最佳改性條件為改性溫度43℃，液料比41∶1(mL∶g)，改性時間270min，改性劑濃度0.32mol/L。經(jīng)過驗證試驗可知在此條件下制得的改性釀酒廢酵母對Pb2+的吸附率可達89.96%，與預測值基本一致，可為以后的酵母改性提供理論指導。

圖5 各因素相互作用對吸附率影響的響應曲面及等高線圖Fig.5 Response surface plot and contour line of interaction among each factors on adsorption rate

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