楊繼濤,陳林霞,王剛剛,劉 杰,楊 敏

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源化學(xué)與應(yīng)用研究所,甘肅蘭州 730070;)

TG酶、Pepsin酶、Papain酶交聯(lián)磁性微球?qū)λ沫h(huán)素吸附性研究

楊繼濤1,2,陳林霞1,王剛剛1,劉 杰1,楊 敏1,2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源化學(xué)與應(yīng)用研究所,甘肅蘭州 730070;)

利用戊二醛將谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG)、胃蛋白酶(Pepsin)、木瓜蛋白酶(Papain)交聯(lián)負(fù)載到氨基化磁性微球(AMM)上,制備出不同的固載酶的磁性吸附劑;使用掃描電子顯微鏡與紅外光譜分析其結(jié)構(gòu)特征,并研究酸度、初始濃度、吸附時(shí)間及溫度對(duì)水中四環(huán)素吸附性的影響。結(jié)果表明:三種材料的靜態(tài)吸附均為吸熱過(guò)程,符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程及Freundlich吸附等溫線,吸附機(jī)理為多層的化學(xué)吸附過(guò)程;在相同吸附溫度下,吸附速率順序?yàn)镻epsin-AMM>Papain-AMM>TG-AMM;當(dāng)吸附溫度為318 K時(shí),吸附均為自發(fā)過(guò)程,其最大吸附量分別為99.72、64.97和67.52 mg/g。

磁性微球,四環(huán)素,吸附等溫線,吸附動(dòng)力學(xué)

四環(huán)素(Tetracycline,簡(jiǎn)稱TC)是一種廣譜的抗生素,具有殺菌作用,用于治療和預(yù)防疾病,由于生產(chǎn)成本低廉,也用作飼料添加劑來(lái)提高養(yǎng)殖業(yè)禽畜的健康度[1-2]。四環(huán)素如同其它抗生素一樣不能完全被人類與動(dòng)物吸收,較大部分的攝入量是通過(guò)排泄物流入到環(huán)境中,由于其本身具有抑菌作用,微生物的降解過(guò)程不能將其有效地從環(huán)境中去除,如同重金屬一樣具有累積性,會(huì)造成水體、土壤的長(zhǎng)期污染[3-4]?？股亻L(zhǎng)期服用會(huì)使病菌產(chǎn)生很強(qiáng)的耐藥性,所以各國(guó)均對(duì)肉食品中四環(huán)素族抗生素的殘留情況加強(qiáng)了監(jiān)控和檢測(cè),我國(guó)在無(wú)公害畜禽肉安全要求中規(guī)定的最高限量為100 μg/kg[5-7]。肉類食品工業(yè)化的進(jìn)程,造成了四環(huán)素的排放問(wèn)題,水與土壤中四環(huán)素不經(jīng)處理又會(huì)回流到餐桌上,這種惡性循環(huán)產(chǎn)生的累積效應(yīng)日益顯著,已經(jīng)成為人們關(guān)心的食品安全問(wèn)題[8-9]。近些年來(lái),以生物質(zhì)材料作為吸附劑處理四環(huán)素污染受到了廣泛關(guān)注,已報(bào)道的研究中如杏果殼[10]、澳洲堅(jiān)果殼[11]、鳶尾[12]、玉米秸稈[13]等,這些原料經(jīng)過(guò)改性煅燒后,變?yōu)榛钚蕴啃臀絼?另一類如殼聚糖[14]、酵母菌[15]、花生殼[16]經(jīng)過(guò)化學(xué)改性修飾,加強(qiáng)了材料的吸附性,以上吸附劑均對(duì)水中的四環(huán)素具有較好的吸附作用,具有可降解性,且制備工藝簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。

四氧化三鐵是具有生物相容性的磁性材料,其制備簡(jiǎn)單并且具有磁力響應(yīng)的特質(zhì),為多學(xué)科熱點(diǎn)研究方向[17]。利用共沉淀與水熱法來(lái)制備四氧化三鐵磁性微球,后將酶蛋白固載到磁性微球上,開(kāi)發(fā)出具有磁特性的復(fù)合酶材料在食品工業(yè)已有廣泛的研究[18-19]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(Transglutaminase,簡(jiǎn)稱TG)是一種交聯(lián)性的酶,可通過(guò)分子交聯(lián)及脫氨反應(yīng),使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,胃蛋白酶(Pepsin)與木瓜蛋白酶(Papain)是一種水解性酶,可以將蛋白質(zhì)分解為小的肽段,以上三種酶是食品工業(yè)中使用廣泛的酶制劑[20]。Pepsin酶和Papain酶固載于功能化磁性微球的研究報(bào)道較多,吳文兵等[21]利用Fe3O4磁性微球固載Papain酶,優(yōu)化了固載條件,應(yīng)用于啤酒蛋白質(zhì)的水解;周冉等[22]利用Fe3O4磁性微球交聯(lián)Papain酶,并外層包裹了二氧化硅,測(cè)定了其酶的活力變化;趙良忠等[23]利用反相懸浮交聯(lián)法制備殼聚糖微球,利用化學(xué)共轉(zhuǎn)化法制備出磁性殼聚糖微球,對(duì)Pepsin酶吸附性進(jìn)行了比較。固載交聯(lián)TG酶、Pepsin酶和Papain酶的磁性材料對(duì)水中四環(huán)素吸附研究未見(jiàn)報(bào)道。

本研究利用共沉淀法制備氨基化Fe3O4磁性微球(amination magnetic microsphere,簡(jiǎn)稱AMM),使用戊二醛將TG酶、Pepsin酶和Papain酶分別交聯(lián)在AMM上,制備出TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM三種磁性蛋白復(fù)合材料作為吸附劑,考察吸附時(shí)間、吸附濃度、吸附溫度及pH等因素對(duì)水中四環(huán)素的吸附能力的影響,計(jì)算吸附等溫線、熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù),為吸附機(jī)理深入研究奠定基礎(chǔ),以期擴(kuò)展酶交聯(lián)磁性微球的應(yīng)用方向并提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

氯化鐵(FeCl3·6H2O)、氯化亞鐵(FeCl2·4H2O)、戊二醛、濃鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇 上述試劑均為分析純;3-氨基丙基三乙氧基硅烷 薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司;四環(huán)素 純度>98% 阿拉丁化學(xué)試劑;谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(3000 U/g)、胃蛋白酶(100000 U/g)、木瓜蛋白酶(200000 U/g) 食品級(jí),深圳恒生生物科技公司。

JA2003型精密電子天平 上海良平儀器儀表有限公司;酸度計(jì)PHS-3C 上海精密科學(xué)儀器有限公司;TU-1901雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;SHZ-A型水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;傅立葉紅外光譜儀 美國(guó)Digilab FTS3000型;日立 S-4800掃描電鏡 日本Hitachi公司;SB-25-12DT超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酶交聯(lián)磁性材料的制備

1.2.1.1 共沉淀法制備AMM 稱取6.0 g氯化鐵和2.85 g氯化亞鐵加入500 mL蒸餾水溶解,在機(jī)械攪拌氮?dú)獗Ｗo(hù)下,向溶液中緩慢滴加0.1 mol/L NaOH溶液,調(diào)節(jié)pH至10,油浴60 ℃加熱反應(yīng)40 min,即有Fe3O4磁性顆粒生成,利用磁鐵沉降棄去上清液,沉降物用蒸餾水洗滌兩次后,再加入10.0 mL 3-氨基三乙氧基硅烷,50%乙醇溶液100 mL,油浴加熱回流反應(yīng)12 h,磁鐵沉降出磁性顆粒,蒸餾水洗滌兩次,無(wú)水乙醇洗滌一次后烘干待用,即得AMM[18]。

1.2.1.2 TG酶、Pepsin酶和Papain酶交聯(lián)AMM 稱取4 g TG酶溶解于100 mL蒸餾水中,后加入4 g AMM,超聲分散30 min,頻率為40 KHz,轉(zhuǎn)移至三口燒瓶中,在機(jī)械攪拌氮?dú)獗Ｗo(hù)下,低速滴加2.5%戊二醛水溶液10 mL,滴加完畢后,油浴50 ℃加熱反應(yīng)6 h,利用磁鐵沉降分離出磁性材料,再用蒸餾水洗滌三次后真空干燥待用,即得TG-AMM;Pepsin-AMM及Papain-AMM制備方法同上。

1.2.2 吸附劑的性狀表征 利用掃描電鏡對(duì)AMM、TG-AMM、Pepsin-AMM、Papain-AMM四種材料表面形態(tài)進(jìn)行掃描觀察;使用傅立葉紅外光譜儀,對(duì)四種材料進(jìn)行紅外光譜比對(duì)分析,KBr壓片,掃描波數(shù)范圍400～4000 cm-1。

1.2.3 TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)水中四環(huán)素吸附性研究

1.2.3.1 四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 配制梯度濃度(5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 mg/L)四環(huán)素溶液,使用紫外分光光度計(jì)(波長(zhǎng)λ=360 nm),測(cè)其對(duì)應(yīng)濃度的吸光度值,繪制出線性標(biāo)準(zhǔn)曲線,并將TG酶、Pepsin酶、Papain酶分別配置成50 mg/L水溶液,相同條件下測(cè)定其吸光度,同比于50 mg/L四環(huán)素水溶液[11,24]。

1.2.3.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件 使用0.1 mol/LHCl和NaOH溶液來(lái)調(diào)節(jié)酸度,實(shí)驗(yàn)過(guò)程在避光或者弱光條件下進(jìn)行;四環(huán)素水溶液每次準(zhǔn)確移取50 mL放入到100 mL具塞的錐形瓶中,加入吸附劑后,置于水浴恒溫?fù)u床中進(jìn)行吸附,搖床速率設(shè)定為100 r/min;每次吸附實(shí)驗(yàn)吸附劑均為TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM平行操作,質(zhì)量均為50 mg;吸附完畢后,用磁鐵沉降吸附劑后取上清液測(cè)定殘留的濃度,計(jì)算不同吸附劑的吸附量,吸附量的計(jì)算公式如下:

吸附量=(C0-Ce)×V/M

式中,C0為初始濃度,mg/L;Ce為吸附平衡后離子的濃度,mg/L;V為吸附溶液的體積,L;M為吸附劑質(zhì)量,g。

1.2.3.3 酸度對(duì)吸附性影響 在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件下,配制梯度pH為3、4、5、6、7、8、9、10,濃度為50 mg/L四環(huán)素水溶液,吸附時(shí)間為24 h,吸附溫度設(shè)為303 K,實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定三次,考察不同pH條件下吸附劑對(duì)水溶液中四環(huán)素的吸附量。

1.2.3.4 吸附時(shí)間對(duì)吸附性的影響 在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件下,吸附濃度為50 mg/L,pH為7.0±0.1,吸附時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、120、180、240、300、360、720、1440 min,吸附溫度設(shè)為303 K,實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定三次,計(jì)算不同吸附時(shí)間的吸附量并擬合準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程,準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程,內(nèi)擴(kuò)散方程,表述如下:

準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程:ln(qe-qt)=lnqe-k1t

內(nèi)擴(kuò)散方程:qt=kit0.5+I

以上公式中,qt為t時(shí)刻的吸附量(mg/g);qe為平衡吸附量(mg/g);k1為準(zhǔn)一級(jí)速率常數(shù)(min);k2為準(zhǔn)二級(jí)速率常數(shù)(g/mg·min);ki為內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)(mg/g·min);I為內(nèi)擴(kuò)散方程參數(shù)(mg/g)。

1.2.3.5 不同初始濃度和吸附溫度對(duì)吸附性的影響 在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件下,配制梯度濃度(10、20、30、40、50、60、70、80 mg/L)四環(huán)素溶液三組,pH為7.0±0.1,分別在吸附溫度為288、303、318 K進(jìn)行吸附,吸附時(shí)間為24 h,實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定三次,計(jì)算不同初始濃度及不同吸附溫度下的吸附量,計(jì)算并擬合Langmuir、Freundlich、Temkin吸附等溫線,其方程表述如下:

Langmuir吸附等溫線方程:1/qe=1/(qmbCe)+1/qm

Freundlich吸附等溫線方程:lnqe=lnKF+(1/n)lnCe

Temkin吸附等溫線方程:qe=Bln(kTCe)

以上公式中,Ce為平衡吸附濃度(mg/L);qe為平衡時(shí)吸附量(mg/g);qm為理論飽和吸附量(mg/g);b為L(zhǎng)angmuir常數(shù);KF和n為Freundlich吸附常數(shù);kT和B為Temkin吸附常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 掃描電鏡 AMM,TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM掃描電鏡圖如圖1所示。

圖1 AMM,TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM掃描電鏡圖(10000×)Fig.1 SEM pictures of AMM,TG-AMM,Pepsin-AMM and Papain-AMM(10000×)

從AMM掃描電鏡圖可以看出,材料表面排布有序,由規(guī)則球體形狀的顆粒相互聚集形成,其顆粒直徑為20～30 nm;從TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM掃描電鏡圖可以看出,磁性微球結(jié)構(gòu)在交聯(lián)前后發(fā)生了較大的變化,磁性微球之間發(fā)生了團(tuán)聚,形成了形狀不規(guī)則的顆粒,顆粒直徑變大,說(shuō)明材料外層包裹了酶蛋白材料;TG-AMM其材料表面比較平滑,而Pepsin-AMM和Papain-AMM材料表面比較粗糙,部分截面形成一定的層狀特征,以上吸附劑與四環(huán)素水溶液接觸時(shí),TG-AMM接觸面積少于Pepsin-AMM和Papain-AMM,表明TG-AMM吸附速度相比較慢。

2.1.2 紅外光譜 Fe3O4磁性微球及吸附劑的紅外光譜如圖2所示。

圖2 AMM,TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM紅外光譜圖Fig.2 The infrared spectra of AMM,TG-AMM, Pepsin-AMM and Papain-AMM

從圖2可以看出,AMM、TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM紅外譜圖比對(duì)具有較好的相似性,均具有Fe3O4材料的特征吸收峰,其中在586 cm-1處的吸收峰,為Fe-O鍵的振動(dòng)峰,在3438 cm-1處的吸收峰,為Fe3O4表面結(jié)構(gòu)中的-OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)吸收峰,可證明在交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程里,Fe3O4內(nèi)磁核未發(fā)生其它的化學(xué)變化;其中TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM在1633 cm-1左右均出現(xiàn)吸收峰,是酰胺鍵中C=O的特征吸收峰,說(shuō)明幾種酶蛋白均通過(guò)戊二醛交聯(lián)固載到了磁核材料表面[25]。

2.2 吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線 濃度為50 mg/L TG酶、Pepsin酶、Papain酶水溶液,在波長(zhǎng)λ=360 nm測(cè)得吸光度分別為0.001、0、0,同濃度四環(huán)素水溶液吸光度為1.620,說(shuō)明TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM三種吸附材料,不會(huì)影響到四環(huán)素濃度測(cè)定的準(zhǔn)確度;四環(huán)素線性回歸方程為Y=0.0326X-0.00973,其中X為四環(huán)素的濃度,mg/L,Y為吸光度,其擬合系數(shù)為R2=0.9991。

2.2.2 pH對(duì)四環(huán)素吸附性的影響 pH對(duì)吸附性的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH對(duì)四環(huán)素吸附性的影響Fig.3 Effect of solution pH on adsorption of TC onto TG-AMM,Pepsin-AMM and Papain-AMM

2.2.3 吸附動(dòng)力學(xué) 不同吸附時(shí)間對(duì)四環(huán)素吸附量的影響如圖4所示。

圖4 吸附時(shí)間對(duì)吸附量影響Fig.4 Effect of contract time for TC adsorption onto TG-AMM,Pepsin-AMM and Papain-AMM

從圖4可以看出,三種吸附劑在0～120 min之間均為快速吸附,吸附量接近于線性遞增;在120～360 min之間時(shí),三種吸附劑吸附速率開(kāi)始降低,但是Pepsin-AMM吸附速率降低較小,依舊接近于快速吸附,而TG-AMM與Papain-AMM吸附速率降低幅度較大;在360～1440 min時(shí),三種吸附劑速率降為慢吸附過(guò)程,吸附緩慢接近于吸附的飽和峰值,其擬合相關(guān)的動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合Fig.5 Pseudo-first-order kinetics for TC adsorption onto TG-AMM, Pepsin-AMM and Papain-AMM

圖6 準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合Fig.6 Pseudo-second-order kinetics for TC adsorption onto TG-AMM, Pepsin-AMM and Papain-AMM

圖7 內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程擬合Fig.7 Intraparticle diffusion kinetics for TC adsorption onto TG-AMM,Pepsin-AMM and Papain-AMM

從圖5～圖7可以看出,從吸附動(dòng)力學(xué)的線性關(guān)系相比較來(lái)看,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合程度高,說(shuō)明三種吸附劑均以化學(xué)吸附為主,相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[27]。

表1 吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表2 吸附劑對(duì)四環(huán)素的吸附等溫線擬合參數(shù)

TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM的吸附均滿足準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,其擬合系數(shù)R2分別達(dá)到0.9999、0.9901與0.999,擬合度非常高;實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的平衡吸附量(qe,exp),TG-AMM為19.53 mg/g,Pepsin-AMM為30.57 mg/g,Papain-AMM為25.94 mg/g,而準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算推導(dǎo)出的平衡吸附量(qe,cal),TG-AMM為15.55 mg/g,Pepsin-AMM為29.72 mg/g,Papain-AMM為24.64 mg/g,Pepsin-AMM和Papain-AMM平衡吸附量實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之間偏差很小,更加驗(yàn)證了準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的合理性,而TG-AMM的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差較大,說(shuō)明了TG-AMM吸附為慢吸附過(guò)程,達(dá)到飽和吸附時(shí)間大于24 h。

2.2.4 吸附等溫線 不同溫度條件下吸附等溫線實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 TG-AMM在不同溫度下對(duì)四環(huán)素吸附等溫線Fig.7 Adsorption isotherms for TC adsorption onto TG-AMM at different temperatures

圖8 Pepsin-AMM在不同溫度下對(duì)四環(huán)素吸附等溫線Fig.8 Adsorption isotherms for TC adsorption onto Pepsin-AMM at different temperatures

圖9 Papain-AMM在不同溫度下對(duì)四環(huán)素吸附等溫線Fig.9 Adsorption isotherms for TC adsorption onto Papain-AMM at different temperatures

從圖7～圖9可以看出,在同一吸附溫度下,吸附量與平衡濃度隨著初始濃度的增大而增加,最終接近到最大吸附量,體現(xiàn)了典型的吸附變化趨勢(shì),故Langmuir,Freundlichr及Temkin等溫吸附線相關(guān)擬合性較高,其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

從表2可以統(tǒng)計(jì)出,TG-AMM在吸附溫度288、303和318 K,Langmuir、Freundlich及Temkin吸附等溫線平均擬合系數(shù)(R2分別為0.9611、0.9604、0.9323,Pepsin-AMM平均擬合系數(shù)(R2分別為0.9577、0.9840、0.9381,Papain-AMM平均擬合系數(shù)(R2分別為0.9624、0.9847、0.9234;TG-AMM,Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)于Freundlich及Langmuir吸附等溫線擬合程度較高,相比之下Temkin吸附等溫線擬合程度低不適用說(shuō)明吸附過(guò)程。

表3 吸附劑對(duì)四環(huán)素吸附的熱力學(xué)參數(shù)

Langmuir吸附等溫線建立在單分子層吸附基礎(chǔ)上,Freundlich吸附等溫線建立在多分子層吸附基礎(chǔ)上[27]。Pepsin-AMM和Papain-AMM吸附過(guò)程更符合Freundlich吸附等溫線,偏向于多分子層吸附。在Langmuir吸附等溫線中,Pepsin-AMM的最大理論吸附量為64.97 mg/g,吸附溫度為318 K;Papain-AMM的最大理論吸附量為67.52 mg/g,吸附溫度為318 K;TG-AMM的最大理論吸附量為201.7 mg/g,吸附溫度為288 K,溫度降低使得最大吸附量上升,主要原因應(yīng)是TG-AMM吸附速率過(guò)慢造成的,擬合其最大理論吸附量出現(xiàn)了偏差,故其吸附過(guò)程不適用于Langmuir吸附等溫線,更適用于Freundlich吸附等溫線,偏向于多分子層吸附。

Freundlich吸附等溫線系數(shù)1/n在0.1～0.5范圍內(nèi),屬于吸附容易發(fā)生,其值越大,表明吸附越困難,當(dāng)1/n≥2時(shí),屬于吸附難以發(fā)生[28]。Pepsin-AMM和Papain-AMM的1/n為0.4～0.6之間,說(shuō)明其吸附是相對(duì)容易進(jìn)行的,而TG-AMM的1/n為0.75～1之間,說(shuō)明吸附相對(duì)較難進(jìn)行。

2.2.5 吸附熱力學(xué) 將吸附等溫線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用熱力學(xué)公式lnKc=ΔS0/R-ΔH0/RT以及ΔG0=-RTlnKc,計(jì)算出吸附熱力學(xué)參數(shù),其中Kc為吸附熱力學(xué)平衡常數(shù);ΔG0為吸附標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變值,kJ/mol;R為氣體摩爾常數(shù)8.314 J/(mol·K);T為吸附溫度,K;ΔH0為吸附標(biāo)準(zhǔn)焓變,kJ/mol;ΔS0為吸附標(biāo)準(zhǔn)熵變值,kJ/(mol·K)[29]。TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)四環(huán)素吸附的熱力學(xué)參數(shù)如表3所示。

分析表3可知,在靜態(tài)吸附條件下,TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)四環(huán)素吸附ΔHo均大于0,說(shuō)明吸附過(guò)程整體是吸熱過(guò)程;ΔGo隨著溫度的升高,其值變小,說(shuō)明升溫有助于吸附,符合吸熱型吸附過(guò)程的特點(diǎn),當(dāng)吸附溫度不斷升高時(shí),三種吸附劑的ΔGo先后出現(xiàn)了負(fù)值,說(shuō)明吸附過(guò)程具有了自發(fā)性,吸附速率均變快,當(dāng)吸附溫度變化時(shí),ΔGo變化幅度較大,說(shuō)明吸附溫度對(duì)吸附影響是比較顯著的。三種吸附劑的ΔSo大于0,說(shuō)明四環(huán)素吸附到吸附劑上后,與酶蛋白材料之間結(jié)合點(diǎn)增多,故吸附劑的混亂度在增大,也說(shuō)明了吸附劑外層的酶蛋白的酰胺鍵與水中四環(huán)素中極性基團(tuán)由于電荷吸引而發(fā)生了化學(xué)吸附。

2.2.6 不同生物質(zhì)吸附劑的最大吸附量比較 吸附溫度為318 K時(shí),相比于其它生物質(zhì)吸附劑最大吸附量如圖10所示[11,14-16]。

圖10 不同吸附劑對(duì)四環(huán)素最大吸附量比較Fig.10 Comparison of maximum adsorption capacity of various adsorbents for TC

從圖10可以看出,TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)四環(huán)素最大吸附量均高于殼聚糖及磁性酵母菌,而低于活性炭(澳洲堅(jiān)果殼)與改性花生殼;澳洲堅(jiān)果殼與花生殼為生物質(zhì)材料,雖然吸附容量較高,但是上述吸附劑均無(wú)磁特性,不具有磁性材料的分離便捷性;磁性吸附菌為吸附菌固載在Fe3O4的復(fù)合型材料,雖然具有與三種酶材料相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),但是其最大吸附容量較低,相比來(lái)看TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM為使用便捷,吸附容量較高的吸附材料。

3 結(jié)論

利用共沉淀法制備出氨基化Fe3O4磁性微球,使用戊二醛交聯(lián)劑,將TG酶、Pepsin酶、Papain酶分別交聯(lián)在磁性微球上,使用掃描電鏡和紅外光譜比對(duì)分析了交聯(lián)前后磁性材料的表面形貌變化及分子結(jié)構(gòu)中基團(tuán)特征,證明三種酶均交聯(lián)固載在磁性材料上,其材料外層基團(tuán)主要為酶蛋白的酰胺基,通過(guò)對(duì)水中四環(huán)素的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明:TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM對(duì)四環(huán)素吸附是一種吸熱過(guò)程,吸附溫度的提升有助于吸附,吸附過(guò)程均是以多層次的化學(xué)吸附為主,并滿足準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程及Freundlich吸附等溫線,當(dāng)吸附溫度為318 K時(shí),三種吸附材料均為自主吸附,TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM在pH為5～7吸附量較高,在pH=7時(shí),其吸附速率的順序?yàn)?Pepsin-AMM>Papain-AMM>TG-AMM。TG-AMM、Pepsin-AMM和Papain-AMM均對(duì)水中四環(huán)素具有較好的去除效果,綜合比較而言,Pepsin-AMM具有較好的吸附性能,可以應(yīng)用為水處理材料來(lái)降低水中四環(huán)素的含量及對(duì)食品中四環(huán)素殘留物的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了酶材料的拓展應(yīng)用。

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Study on adsorption of tetracycline by magnetic microsphere crosslinked with TG,Pepsin and Papain

YANG Ji-tao1,2CHEN Lin-xia1，WANG Gang-gang1，LIU Jie1，YANG Min1,2

(1.College of Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou,Gansu,China 730070; 2.Institute of Agricultural Resources Chemistry and Application, Gansu Agricultural University Lanzhou,Gansu,China 730070)

Different enzyme-immobilized magnetic adsorbents were prepared by using glutaraldehyde to crosslink TG,Pepsin and Papain on amination magnetic microspheres. The adsorbents structure characteristics were analyzed by scanning electron microscope and infrared spectroscopy. The effect of initial concentration,adsorbent temperature,time and acidity on the adsorption of tetracycline in aqueous solution was investigated. Experimental results showed that the static adsorption accorded with the Pseudo-second-order kinetic and Freundlich adsorption isotherm,adsorption mechanism was not only multilayer chemical adsorption process but also endothermic process. Under the same adsorption temperature,the adsorption rate of order was Pepsin-AMM>Papain-AMM>TG-AMM. In the adsorption temperature was 318 K,adsorption process was spontaneous,the maximum adsorption capacities were 99.72,64.97 and 67.52 mg/g.

magnetic microsphere;tetracycline;adsorption isotherm;adsorption kinetics

2016-06-30

楊繼濤(1981-)，男，理學(xué)碩士，講師，研究方向：食品化學(xué)與生物質(zhì)村料開(kāi)發(fā)，E-mail:

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20151073303)。

TS201.6

A

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000