乳酸強化自然發(fā)酵法消減大米中鎘的研究

朱鳳霞 甘平洋 劉博 陳渠玲 黃天柱 陳昌勇 莫韓御 周濤

[摘要]為研究大米中重金屬鎘的消減方法，本試驗以鎘超標(biāo)的早秈大米為原料，采用乳酸聯(lián)合大米自然發(fā)酵液進行降鎘技術(shù)研究，以降鎘率為評價指標(biāo)，通過單因素試驗和L9（34）正交試驗，確定了乳酸強化自然發(fā)酵降鎘的最優(yōu)工藝條件，即發(fā)酵液添加量為4%，乳酸濃度為4%，發(fā)酵時間為26h，發(fā)酵溫度為32℃，在此條件下，大米降鎘率達(dá)87.9%。本研究主要是為緩解大米鎘超標(biāo)問題及工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

[關(guān)鍵詞]自然發(fā)酵;乳酸;降鎘;大米

中圖分類號：TS201.3 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

稻米是我國大宗主糧，在我國糧食生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，我國有2/3以上的人以大米為主食。據(jù)統(tǒng)計，2018年全國稻谷播種面積為3.02×107hm2，總產(chǎn)量為2.12億t。湖南是我國水稻大省之一，每年水稻播種面積約4.13×106hm2，每年稻谷產(chǎn)量約2 600萬t，年播種面積和產(chǎn)量均居全國各省市首位[1]。2013年，湖南省銷往廣州的大米因重金屬鎘超標(biāo)問題，爆發(fā)了食品行業(yè)特別是主食大米行業(yè)存在的重金屬污染問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國鎘污染農(nóng)田面積已達(dá)2.0×104hm2，每年生產(chǎn)鎘含量超標(biāo)糧食1.46×1010kg[2]，市場在售大米的鎘超標(biāo)率高達(dá)10.3%[3]，大米鎘污染形勢嚴(yán)峻。

早秈米因其食用品質(zhì)欠佳，主要用于米粉、米線等大米深加工產(chǎn)品，有調(diào)查顯示，湖南、廣東兩省米粉的消費量超過500t/d，南方七省米粉年消費量高達(dá)200萬t左右[4]。而鎘污染制約了早秈米的綜合利用，給我國糧食產(chǎn)業(yè)帶來巨大損失。此外，鎘作為大米中污染最嚴(yán)重的重金屬元素，攝入過多會影響人體的呼吸系統(tǒng)和腎臟功能，可能導(dǎo)致蛋白尿、糖尿等腎臟疾病，以及軟骨癥、貧血、消化道疾病等[5]。因此，研究如何減緩中國稻米鎘污染狀況，提高鎘污染大米的用途，對于保障糧食安全和民生安全都具有重要意義。

當(dāng)前，我國稻米鎘污染修復(fù)治理措施主要是從土壤修復(fù)治理、新品種選育和產(chǎn)后稻米加工等方面著手[6]，其中，鎘超標(biāo)稻米的加工消減技術(shù)主要方法有以下三類[7]：第一類是物理脫除法，如大米精加工[8]、浸泡法[9]和吸附劑降鎘劑等，該方法操作簡單、成本低廉、不會造成化學(xué)污染，但鎘的脫除效果不明顯;第二類是化學(xué)脫除法，包括加酸[10]、加堿[11]和酶解等方法，這些方法相對復(fù)雜且成本較高，還有可能造成化學(xué)殘留，其脫鎘產(chǎn)品加工成的米制品風(fēng)味較差;第三類是生物脫除法，即優(yōu)選菌種進行微生物發(fā)酵，Halttunen T等[12-13]的系列研究發(fā)現(xiàn)包括鼠李糖乳桿菌、干酪乳桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌等在內(nèi)的10種乳酸菌對鎘有一定吸附能力，有學(xué)者采用植物乳桿菌和戊糖片球菌混合發(fā)酵，對大米粉脫鎘效果顯著。發(fā)酵可較大程度地改善大米粉食味品質(zhì)，表現(xiàn)為口感更加柔韌筋道，發(fā)酵過程中，微生物的產(chǎn)酸和酶對米粉品質(zhì)改善影響較大，有利于降鎘后產(chǎn)品的綜合利用。此外有研究表明，鎘在稻米中主要與蛋白質(zhì)以絡(luò)合物的形式存在，發(fā)酵可降低大米中蛋白質(zhì)及灰分的含量，利用乳酸將鎘與蛋白質(zhì)的結(jié)合鍵打開，可提高乳酸菌對鎘的吸附效率。因此，本試驗擬以重金屬鎘超標(biāo)的完整早秈米為原料，選取乳酸強化自然發(fā)酵消減大米中鎘，以研究出一種簡單、有效、適宜于工業(yè)化生產(chǎn)的大米降鎘工藝，為進一步利用鎘污染大米提供可行辦法及措施。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

1.1.1 主要材料試劑

早秈米（精米，鎘含量0.57mg/kg，含水量13.2%）：市售;發(fā)酵液：自制;乳酸（食品級）：河南金丹乳酸科技股份有限公司;硝酸（優(yōu)級純）、氯化鈉（分析純）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司;白糖;水（實驗用水為超純水）。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

原子吸收光譜儀（ZEENIT700P）：德國耶拿分析儀器股份公司;微波消解儀（COOLPEX）：上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司;電子分析天平（LE204E/02）：梅特勒-托利多儀器有限公司;恒溫恒濕箱：上海一恒儀器有限公司;pH計（PHS-3C）：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-1AB）：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 乳酸強化自然發(fā)酵降鎘工藝

發(fā)酵液+乳酸

↓

鎘超標(biāo)大米→浸泡→恒溫發(fā)酵（20～28h）→排水→清洗→烘干→成品

取一定量鎘含量0.57mg/kg的早秈米，按1∶1.2加水浸泡，再加入酸液和自然發(fā)酵液，攪拌均勻后置于恒溫箱中發(fā)酵，待發(fā)酵完全后取出排水，清洗3～5遍，置于45℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥，用自封袋密封后放置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 大米自然發(fā)酵液的制備

選取鎘含量≤0.2mg/kg的大米，按1∶1.1～1∶1.5料液比加入水浸泡，置于25℃～35℃，自然發(fā)酵20～30h。所得大米自然發(fā)酵液中，乳酸菌總數(shù)為107～109cfu/mL，pH值為3.2～3.7。

1.2.3 鎘檢測方法

參考《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》（GB 5009.15-2014）采用石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS）。

降鎘率（%）=（原料大米鎘含量-脫鎘后大米鎘含量）÷原料大米鎘含量×100%。

1.2.4 單因素試驗

添加大米自然發(fā)酵液、乳酸和營養(yǎng)底物進行發(fā)酵，脫除大米中的重金屬鎘，以降鎘率為指標(biāo)，選取發(fā)酵液添加量、乳酸濃度、營養(yǎng)底物添加量、發(fā)酵時間和發(fā)酵溫度五個因素進行單因素試驗，探究各因素對大米中鎘脫除率的影響。

1.2.5 正交試驗

為了確定最優(yōu)工藝參數(shù)，通過分析單因素試驗結(jié)果，確定影響大米中鎘的脫除率的主要因素和最佳水平范圍，根據(jù)正交試驗設(shè)計原則，采用L9（34）正交試驗對工藝條件進一步優(yōu)化。其因素水平分布情況如表1 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 自然發(fā)酵液添加量對降鎘效果的影響

在乳酸濃度2%、營養(yǎng)底物添加量1%、發(fā)酵時間24h和發(fā)酵溫度30℃的固定試驗條件下，添加不同比例的自然發(fā)酵液（2%、4%、6%、8%、10%），觀察發(fā)酵液添加量對鎘消減效果的影響。如圖1所示，發(fā)酵液的添加比例對鎘的消減有明顯的影響，隨著發(fā)酵液添加量的增高，大米降鎘率先增高后降低。可能由于接種量過小時，發(fā)酵產(chǎn)酸降鎘效果不明顯;接種量過大時，菌體之間會因營養(yǎng)物質(zhì)有限而產(chǎn)生競爭性作用，反而使得優(yōu)勢菌的生長繁殖受到抑制，代謝產(chǎn)酸能力降低，鎘的脫除率也相應(yīng)下降。綜合試驗結(jié)果，選擇4%、6%、8%的發(fā)酵液添加量作為正交試驗設(shè)計的梯度水平。

2.1.2 乳酸濃度對降鎘效果的影響

在發(fā)酵液添加量4%、營養(yǎng)底物添加量1%、發(fā)酵時間24h和發(fā)酵溫度32℃的固定試驗條件下，添加不同濃度的乳酸（1%、2%、3%、4%、5%），觀察乳酸對鎘消減效果的影響，結(jié)果如圖2所示。大米中的鎘元素主要以蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)的形式存在，乳酸中的羧基與大米蛋白多肽鏈上的氫形成氫鍵以及α-羥基中的氫與多肽鏈上的氧形成氫鍵是促進蛋白質(zhì)溶出的原因。此外，大米發(fā)酵前期，產(chǎn)生有機酸的濃度很低，發(fā)酵過程時間較長，且大米發(fā)酵優(yōu)勢菌（主要是乳酸菌和酵母菌）在有機酸等含量較低時沒有生長優(yōu)勢，其他雜菌易大量增殖，致使發(fā)酵結(jié)果不穩(wěn)定，前期乳酸的加入有利于為優(yōu)勢微生物發(fā)酵提供適宜pH，加速發(fā)酵反應(yīng)進程。如圖2所示，乳酸濃度對鎘的消減影響顯著，大米降鎘率隨乳酸濃度的增加先逐漸增高而后緩慢下降，可能浸泡液的黏度隨乳酸濃度增加而增大，導(dǎo)致溶質(zhì)的擴散速度減小，阻礙了大米粉中鎘元素的遷移。同時，由于發(fā)酵中后期微生物發(fā)酵將產(chǎn)生大量有機酸，前期乳酸所加濃度無需過大，并考慮到生產(chǎn)成本、溶劑去除及對后續(xù)產(chǎn)品影響等問題，選擇乳酸添加濃度為2%～4%。

2.1.3 營養(yǎng)底物添加量對降鎘效果的影響

在發(fā)酵液添加量4%、乳酸濃度為2%、發(fā)酵時間24h和發(fā)酵溫度30℃的固定試驗條件下，添加不同比例的營養(yǎng)底物（0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2%），觀察營養(yǎng)底物添加量對鎘消減效果的影響，結(jié)果如圖3所示。營養(yǎng)底物的添加對酸性環(huán)境中鎘的消減有較好的促進作用，且能為微生物發(fā)酵提供碳源和無機鹽。如圖3所示，隨著營養(yǎng)底物添加比例逐漸增加，鎘的消減率逐漸增加，但是增加效果并不明顯，另外，添加量過多可能影響后續(xù)加工產(chǎn)品的口感和品質(zhì)，同時還會使成本增加，故后續(xù)研究以1.2%為營養(yǎng)底物添加量。

2.1.4 發(fā)酵時間對降鎘效果的影響

在發(fā)酵液添加量4%、乳酸濃度為2%、營養(yǎng)底物添加量1%和發(fā)酵溫度30℃的固定試驗條件下，探究不同發(fā)酵時間（20h、22h、24h、26h、28h）對鎘消減效果的影響。如圖4所示，鎘的脫除率隨發(fā)酵時間的增加而增加，當(dāng)發(fā)酵時間達(dá)到24h時，隨著發(fā)酵的繼續(xù)進行，鎘的脫除率增加緩慢，可能由于發(fā)酵時間過長，浸泡液逐漸渾濁黏稠，乳酸菌的活菌數(shù)量逐漸減少，鎘的溶出速率降低，溶出量趨于飽和。另外，發(fā)酵時間過長，對發(fā)酵產(chǎn)品氣味和品質(zhì)有一定影響，因此，綜合考慮產(chǎn)品品質(zhì)與降鎘效率，選擇發(fā)酵時間范圍以22～26h為宜。

2.1.5 發(fā)酵溫度對降鎘效果的影響

在發(fā)酵液添加量4%、乳酸濃度為2%、營養(yǎng)底物添加量1%和發(fā)酵時間24h的固定試驗條件下，探究不同發(fā)酵溫度（28℃、30℃、32℃、34℃、36℃）對鎘消減效果的影響，結(jié)果如圖5所示。溫度是微生物發(fā)酵的重要影響因素，大米發(fā)酵降鎘的主要優(yōu)勢菌群為植物乳桿菌，而植物乳桿菌的最適發(fā)酵溫度為30℃～35℃，在最適溫度條件下，植物乳桿菌活性最強，對鎘的脫除效果也可能達(dá)到最佳。當(dāng)溫度過低時，菌種生長緩慢，代謝產(chǎn)酸能力較弱，鎘的脫除率較低;當(dāng)溫度升高時，能加速酸液溶質(zhì)的擴散速度，使乳酸對蛋白質(zhì)和鎘的溶出作用增強，降鎘效果提升;但當(dāng)溫度過高時，菌體生長繁殖受到抑制，發(fā)酵產(chǎn)酸能力也較弱，鎘的脫除率也會降低。因此，發(fā)酵溫度選取30℃～34℃為宜。

2.2 正交試驗結(jié)果

為了得到大米降鎘效果最佳的工藝條件，在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗，選取發(fā)酵液添加量、乳酸濃度、發(fā)酵時間和發(fā)酵溫度4個影響因素，選用L9（34）正交表對工藝的主要因素做正交設(shè)計試驗，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，影響大米降鎘效果的因素主次順序是發(fā)酵液添加量（A）>乳酸濃度（B）>發(fā)酵時間（C）>發(fā)酵溫度（D）。乳酸強化自然發(fā)酵消減大米中鎘含量的最佳工藝條件為：A1B3C3D2，即發(fā)酵液添加量為4%，乳酸濃度為4%，發(fā)酵時間為26h，發(fā)酵溫度為32℃。同時由正交試驗表可知：發(fā)酵液添加量為4%，乳酸濃度為3%，發(fā)酵時間為24h，發(fā)酵溫度為32℃時，正交試驗9組數(shù)據(jù)中的降鎘率最大，因此需針對兩組方案進行驗證試驗。經(jīng)試驗驗證，最優(yōu)組合A1B3C3D2條件下大米降鎘率為87.9%，優(yōu)于正交試驗組。同時，固定此條件其他參數(shù)，分別對發(fā)酵液添加量為0%和乳酸濃度為0%的條件進行空白對照試驗，所得降鎘率分別為70.7%和56.6%，由此可見，乳酸強化自然發(fā)酵法能更有效消減大米中鎘含量。

3 結(jié) 論

本試驗以鎘超標(biāo)的早秈大米為原料，對影響乳酸強化大米自然發(fā)酵液降鎘效果的多個影響因素進行優(yōu)化，根據(jù)單因素及正交試驗結(jié)果，得出最佳脫鎘工藝條件為：發(fā)酵液添加量為4%，乳酸濃度為4%，發(fā)酵時間為26h，發(fā)酵溫度為32℃。驗證試驗及品質(zhì)指標(biāo)分析表明，在此條件下，大米降鎘率達(dá)87.9%，制得脫鎘后大米鎘含量<0.2mg/kg，符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的要求;經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)脫鎘后大米中蛋白質(zhì)和灰分含量略有降低，淀粉含量變化很小，且大米成品米粒完整，有利于后續(xù)深加工利用。

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The Research of Cadmium Reduction in Rice by Natural Fermentation with Lactic Acid

Zhu Fengxia1，Gan Pingyang1，Liu Bo1，Chen Quling1，Huang Tianzhu2，Chen Changyong2，Mo Hanyu2，Zhou Tao2

（1.Hunan Grain Group Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410008;

2.Central South Grain and Oil Food Science Research Institute Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410008）

Abstract： In order to study the method of reducing heavy metal cadmium in rice， the experiment used early indica rice with excessive cadmium as raw material to reduce cadmium by lactic acid combined with natural fermentation liquid. Taking the rate of cadmium removal as the evaluation index， the optimum technological conditions were determined by single factor test and L9 （34） orthogonal test. Under the condition with 4% of fermentation liquid， 4% of lactate concentration， 26 hours of fermentation time and 32℃ of fermentation temperature， the cadmium reduction rate of rice was 87.9%. The results of this study provide a reference for alleviating the problem of excessive cadmium in rice and its industrial application.

Key Words：natural fermentation，lactic acid，cadmium reduction，rice

收稿日期：2019-12-18

基金項目：湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專項經(jīng)費資助（2019NK2121）;2018年長株潭國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項（2018XK2007）;2018年糧油千億產(chǎn)業(yè)專項（湘財建二指[2018]5號）;2019年“優(yōu)質(zhì)糧食工程”專項（湘財建一指[2019]63號）。

作者簡介：朱鳳霞，女，碩士，工程師，研究方向為糧油食品加工。

通信作者：甘平洋，男，碩士，研究方向為谷物科學(xué)與工程。