整米中重金屬鎘的酸法消減工藝優化

李克強，王 韌，馮 偉，羅小虎，王 莉，李 娟，李亞男，陳正行

（糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江南大學，江蘇 無錫 214122）

大米作為全球超過30億人口的主糧，是食用人群最廣的三大谷物品種之一。然而，在中國、印度、泰國和日本等地區，隨著現代農業和工業的迅速發展，濫用農藥化肥、采礦等人類活動引起的鎘、鉛、砷、汞等重金屬污染已經嚴重影響到農業生產和人類健康。在中國，超過1.30×105km2的農業土壤受到鎘污染，每年超過1.46×108kg農產品受到鎘污染[1]。中國糧食衛生標準規定大米中重金屬鎘的限量為0.20 mg/kg，而國內市場上銷售大米重金屬鎘超標率高達10%[2]，存在嚴重的食品安全隱患。毒理學研究表明鎘元素是一種生物蓄積性強、毒性持久、具有“三致”作用的劇毒元素。重金屬鎘的過量攝入會引起腎臟、肝臟、肺部、骨骼、生殖器官的損傷，對免疫系統、心血管系統等具有毒性效應[3]，進而引發多種疾病，如痛痛病等[4]。

隨著鎘污染大米問題日趨嚴重，國內外有關鎘超標大米中鎘消減的研究已有一些報道[5-7]。劉晶等[8]研究表明大米浸泡過程中重金屬發生了遷移。許艷霞等[9]采用檸檬酸和氯化鈉作為混合溶劑浸泡大米，結果表明檸檬酸濃度和浸提時間能顯著影響大米的除鎘率，最佳條件下的大米除鎘率達到82.20%。劉也嘉等[10]研究了乳酸菌發酵對大米重金屬鎘的脫除效果，優化條件下的降鎘率約為79.24%。不少學者研究了鎘在稻米中的分布和存在狀態，其中查燕等[11]通過物理剝離的方法研究鎘在稻谷中的分布，結果顯示，鎘在以皮層和胚為主的糠層中含量最高，穎殼中最低，這與LIU等[12]的研究結果一致。田陽等[13]、楊居榮等[14-15]的研究結果同樣證明了稻谷中鎘的分布具有不均勻性，適當提高碾米精度可降低大米的鎘含量，而精米中鎘主要富集在蛋白中，淀粉中積累較少。魏帥等[16]研究發現稻米蛋白中鎘含量與蛋氨酸和半胱氨酸呈顯著正相關關系。可見，鎘可能主要與蛋白中的巰基形成絡合物并穩定存在大米胚乳中[17]。基于重金屬鎘主要富集在大米蛋白中，陳露等[17]采用檸檬酸洗滌分離得到的大米蛋白，能夠去除大部分鎘。綜上所述，目前大多數除鎘方法要求將大米粉碎，以米粉的形式進行除鎘處理[18]，而米粉喪失了整米可蒸煮食用的功能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鎘超標早秈米：湖南糧食集團提供，其鎘含量及主要理化指標如表1所示；鹽酸、氫氧化鈉等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

表1 鎘超標早秈米主要理化指標Table 1 Physicochemical indexes of Cd-contaminated indica rice

恒溫水浴鍋：江蘇省金臺市榮華儀器制造有限公司；pH計：sartorius PB-10，德國賽多利斯科學儀器有限公司；微波消解爐：WX-6000，上海屹堯儀器科技發展有限公司；陽極溶出伏安法檢測重金屬儀器：HM-3000P，江蘇天瑞儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 整米除鎘反應 準確稱取20.00 g大米于250 mL具塞錐形瓶內，將0.06 mol/L的鹽酸溶液置于30℃的水浴鍋內預熱后，以1∶1的料液比加入到錐形瓶內，搖勻保證大米與酸浸泡液充分接觸，將錐形瓶置于上述水浴鍋內靜置反應120 min。棄去浸泡液，向錐形瓶內加入去離子水浸泡，促進米粒中的鹽酸溶出，并用0.1 mol/L的NaOH溶液調節米水混合體系的pH為7.0，中和后大米用去離子水洗滌3次，瀝水，置于溫度為28℃，濕度為70%的恒溫恒濕箱緩慢干燥8 h，樣品留待鎘含量測定。

1.2.2 鎘的測定 將大米樣品粉碎并過80目篩。樣品消解采用微波消解：稱取過80目篩的干樣品粉末0.3～0.5 g（精確至0.000 1 g）放入微波消解罐中，加5 mL硝酸和2 mL過氧化氫。微波消解程序如下：第一階段，溫度100℃，時間1 min，壓力1.5×106Pa；第二階段，溫度 120℃，時間 1 min，壓力2.5×106Pa；第三階段，溫度 160 ℃，時間 2 min，壓力3.0×106Pa；第四階段，溫度 190 ℃，時間 12 min，壓力3.5×106Pa；消解完畢后，將消解物定容至10 mL。

陽極溶出伏安法測定鎘含量[19]：1）電極預處理。檢測鎘使用鍍汞膜玻碳電極。分別在砂紙和絨布上打磨拋光清洗玻碳電極后放入超純水浸泡5 min；并向參比電極內管灌入3 mol/L的KCl溶液；鉑對電極用超純水沖洗。將以上3種電極分別插入裝置的相應位置。2）電極維護階段。將鍍汞液倒入“維護液”分析杯，進行鍍汞膜操作。3）制備空白樣、標準樣及待測樣。依次制備空白樣 （10 mL超純水＋10 mL電解液）、標準樣 （50 μL鎘標樣＋10 mL超純水）、待測樣（10 mL 待測樣＋10 mL 電解液）。4）儀器校準。選擇待測金屬（鎘）及量程檔，依次測定空白樣、標準樣校準儀器后，開始測定待測樣。大米的除鎘率可按式（1）計算

式中：C0為原料大米初始鎘質量分數 （mg/kg，干基）；C1為除鎘后大米最終鎘質量分數 （mg/kg，干基）。

1.2.3 蛋白質含量的測定 參照《GB 50095—2016食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[20]。

1.2.4 單因素實驗 在上述除鎘反應中，保持其他反應條件不變，分別改變鹽酸濃度（0.02、0.04、0.06、0.08 和 0.12 mol/L）、溫度（30、35、40 和 45 ℃）、料液比 （1∶1、1∶2、1∶3 和 1∶4）、 浸提時間（10、20、40、60、120和240 min），考察各因素對大米除鎘率和蛋白質含量的影響。

其中T2=1.73×σk，σk為鄰域內方差[5]。T2的作用在于將噪聲分類，若判斷為高斯噪聲采用均值濾波，判斷為脈沖噪聲則用中值濾波。閾值T1的選取是針對圖像出現類似只有一個象素寬的細微紋理。T1一般取6～10之間的整數，本文中取8。

1.2.5 響應面實驗 采用響應曲面實驗優化除鎘工藝，根據Box-Benhnken中心組合實驗設計原理，選擇大米除鎘率為響應值R，酸濃度、浸提時間、液固比、浸提溫度為影響因素。實驗因素水平設計如表2所示。

表2 因素水平設計表Table 2 Design of factors and levels

1.2.6 數據分析 單因素及響應面實驗均進行3次平行實驗，實驗結果取3次平行結果的平均值。采用origin 8.6作圖，SPSS 21.0進行ANOVA方差分析，并采用Design Expert 8.0.6.1進行響應面設計和分析。

2 結果與討論

2.1 浸提時間對大米除鎘率和蛋白質含量的影響

圖1結果顯示，隨著浸提時間的延長，除鎘率呈現先顯著增加后趨于平緩的趨勢。浸提120 min時的除鎘率顯著增大，繼續延長浸提時間，除鎘率變化不明顯，且除鎘率與蛋白質損失呈顯著正相關，這與傅亞平等[21]的實驗結論一致。鹽酸溶液中的游離H+作用于鎘與大米蛋白的結合位點，與Cd2+形成競爭吸附，從而達到脫除重金屬鎘的效果。鎘溶出時間包括H+進入米粒內部及Cd2+游離到浸泡液中的傳質時間。根據傳質動力學分析，在不同溫度及酸濃度條件下，鎘解離平衡所需要的時間也有所不同，升高溫度并增加酸濃度能明顯增大傳質動力，縮短浸提平衡時間[7]。而在0.06 mol/L的鹽酸溶液，反應溫度30℃的實驗條件下，結果顯示米粒的除鎘率在120 min達到最大值54.30%。因此，選定120 min作為后續實驗的最適浸提時間。

圖1 浸提時間對大米除鎘率和蛋白質含量的影響Fig.1 Effect of extraction time on Cadmium removal efficiency and concentration of rice protein

2.2 料液比對大米除鎘率和蛋白質含量的影響

在45℃恒溫水浴浸提120 min，考察料液比對大米除鎘率的影響。從圖2中可以看出，隨著料液比增大至 1∶2，大米除鎘率顯著增大（P＜0.05）并逐漸趨于平緩。其中，料液比為1∶4條件下大米除鎘率達到71.72%，除鎘率變化不顯著（P＞0.05）。增大料液比能夠保證酸液與米粒充分接觸，鎘溶出量增大，但料液比在 1∶2～1∶4 范圍內，除鎘率無顯著差異，表明料液比在此范圍內對大米除鎘率無顯著影響，這與許艷霞等[9]研究結果一致。而蛋白損失由6.44%升高至10.61%，說明氫離子水解部分蛋白質，造成蛋白損失增大。因此0.06 mol/L的鹽酸溶液，在料液比1∶2條件下能夠滿足鎘的溶出要求，且控制溶劑用量，因此選定料液比為1∶2。

圖2 料液比對大米除鎘率和蛋白質含量的影響Fig.2 Effect of solid-solvent ratio on Cadmium removal efficiency and concentration of rice protein

2.3 溫度對大米除鎘率和蛋白質含量的影響

實驗結果如圖3顯示，在鹽酸濃度為0.06 mol/L，料液比1∶2條件下，隨著浸泡溫度的升高，除鎘率逐漸提高，殘留鎘含量降至0.2 mg/kg左右。因為升高溫度能夠增大傳質動力，引起部分大米蛋白結構發生改變，使得鎘與蛋白結合位點暴露于質子環境中，促進了酸性條件下鎘離子的溶出。這與Veeken等[22]認為在較高溫度下金屬離子具有更高的擴散系數和提取率相一致。

此外，由圖3可知，在25～50℃范圍內，隨著浸提溫度升高，大米的蛋白質含量由7.96%降低至6.56%，溫度對大米蛋白質的損失影響顯著 （P＜0.05）。考慮加工能耗及減少蛋白質損失，選定溫度45℃較適宜。

圖3 浸提溫度對大米除鎘率和蛋白質含量的影響Fig.3 Effect of temperature on Cadmium removal efficiency and concentration of rice protein

2.4 鹽酸濃度對大米除鎘率和蛋白質含量的影響

由圖4（a）可以看出，鹽酸濃度對大米鎘消減影響極為顯著（P＜0.05）。隨著鹽酸濃度的不斷增大，鎘含量明顯降低，除鎘率顯著上升，可見酸對大米中鎘的溶出具有明顯促進作用。部分學者同樣認為[7，21]，酸法消減大米中重金屬鎘過程中，鎘的溶出效果主要是酸中氫離子的作用。

鹽酸濃度對大米蛋白質含量的影響結果如圖4（b）所示。隨著鹽酸濃度增大，蛋白溶解損失先增加后趨于平緩。當鹽酸濃度由0.02增大至0.06 mol/L時，蛋白質含量由8.14%降低至7.25%，除鎘率從31.66%增加至 65.83%，變化顯著（P＜0.05）；當鹽酸濃度大于0.06 mol/L時，除鎘率從65.83%增加至77.51%，變化顯著（P＜0.05）（圖 4（a）），蛋白質含量變化不顯著（P＞0.05），這可能在于隨著易酸水解的蛋白溶解后，高濃度鹽酸溶液難以溶解不易酸解的蛋白，從而造成蛋白質溶解損失變得平緩。這可以得出鹽酸溶液與大米反應過程中，部分二硫鍵被破壞，肽鏈結構發生變化，引起部分蛋白易溶于水[20]。而鎘的溶出一部分是隨蛋白一同水解溶出，另一部分是因為鎘離子與蛋白結合被打斷，鎘離子解離至鹽酸溶液中而洗脫。因此考慮到鹽酸濃度對大米品質的影響，控制鹽酸濃度在0.12 mol/L左右為宜。

圖4 鹽酸濃度對大米除鎘率及大米蛋白質含量的影響Fig.4 Effect of HCl concentration on Cadmium removal efficiency and concentration of rice protein

2.5 響應面分析及優化

2.5.1 響應面實驗結果分析 依據Box-Behnken實驗設計原理，在對大米中重金屬鎘脫除率的單因素實驗分析基礎上，以除鎘率作為響應值，設計四因素三水平響應面實驗來優化大米除鎘工藝條件，利用軟件Design-Expert 8.0對結果數據進行處理。響應面實驗結果見表3。

表3 Box-Behnken實驗設計與結果Table 3 Result and design of Box-Behnken experiments

方差分析結果見表4。從表4可知，模擬項P值小于0.05，表明模擬項顯著，具有統計學意義。R2=0.948 2表明數值方程對實驗具有良好的擬合效果，自變量與響應值呈顯著相關性，可充分反映各因素之間的關系并用此模型對酸浸泡大米脫除重金屬鎘的脫除效率進行預測。由F值檢驗可以得到各因子的影響顯著水平為：A＞C＞D＞B，即鹽酸濃度＞料液比＞反應溫度＞反應時間。一次項A、C、D及二次項AC、A2對除鎘率的影響極顯著（P＜0.01），一次項B及二次項C2影響顯著 （P＜0.05），其余項均不顯著（P＞0.05）。根據實驗結果，建立的數值模型方程為：R=84.45+6.68A+1.75B+4.63C+2.46D-1.02AB-4.33AC-0.84AD+0.53BC-0.41BD+0.15CD-4.97A2+0.96B2-2.46C2-1.09D2。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

2.5.2 響應曲面圖分析 鹽酸濃度、反應時間、液固比以及反應溫度之間的交互作用對大米除鎘率的影響見圖5。響應面的形狀直觀反映了各因素對大米除鎘率的影響，曲面曲度越大，該因素對大米除鎘率的影響越顯著。 由圖 5（a～f）可知，AB、AC、AD對大米除鎘率的影響較為顯著，即酸濃度與時間、酸濃度與液固比、酸濃度與溫度對大米中重金屬鎘的脫除率影響較為顯著。此外，等高線的形狀可以反映因素間的交互作用是否明顯。圖中顯示AD因素間交互作用較為明顯。

2.5.3 最佳工藝條件的驗證 使用Design-Expert 8.0.6.1軟件對數據進行分析，得到模型的最優工藝參數和預測值：鹽酸濃度0.12 mol/L，時間120 min，料液比1∶2，溫度45℃，預測此條件下的除鎘率為90.97%。根據實際操作要求，選定除鎘條件為鹽酸濃度 0.12 mol/L，時間 120 min，料液比 1∶2，溫度45℃。最優條件下重復3次實驗，所得到的大米鎘消減率的平均值為87.21%，此條件下所得到的大米除鎘率為預測值的95.86%，與回歸方程估計值吻合良好，說明響應面優化得到的除鎘條件可用。

圖5 兩因素交互作用對大米除鎘率影響的響應面圖Fig.5 Effect of interactions between two factors on response surface of cadmium removal efficiency

3 結語

本研究選出鹽酸濃度、料液比、反應溫度和反應時間等4種顯著影響大米除鎘率和蛋白質含量的因素，采用單因素實驗、響應面優化實驗得出最佳大米除鎘工藝條件為：當鹽酸濃度0.12 mol/L，時間 120 min，料液比 1∶2，溫度 45℃時，除鎘率提高至87.21%，蛋白損失僅為16.5%。鎘含量在0.2～1.0 mg/kg的鎘污染大米經處理后均能降至國家限量標準0.2 mg/kg以下。此方法相較于其他微生物發酵等除鎘方法，工藝操作簡單、成本低、效率更高。