酸溶技术脱除大米粉中重金属镉的工艺优化

傅亚平廖卢艳王巨涛吴卫国（湖南农业大学食品科技学院，长沙 408）（长沙好韵味实业发展有限公司，长沙 409）

酸溶技术脱除大米粉中重金属镉的工艺优化

傅亚平1廖卢艳1王巨涛2吴卫国1
（湖南农业大学食品科技学院1，长沙 410128）
（长沙好韵味实业发展有限公司2，长沙 410129）

以镉含量0.647 9 mg／kg的大米为研究对象，研究利用酸液浸泡大米粉脱除大米粉中重金属镉的技术。探讨酸的种类、浸泡温度、浸泡时间、液料比和酸液浓度等因素对大米粉中镉脱除率的影响，确定选用乳酸为浸泡液，并采用三因素三水平Box-Behnken试验设计进一步优化了酸溶技术脱除大米粉中镉的技术参数。结果表明：浸泡温度、液料比和酸液浓度对镉脱除率的影响极显著（P＜0.01），浸泡时间影响不显著（P＞0.05）；影响因素的主次顺序为：液料比＞酸液浓度＞浸泡温度；优化得到的最佳工艺参数为浸泡温度44.4℃，酸液浓度40%（V／V），液料比10∶1（mL／g）。在此条件下，大米粉中镉的残留量为0.018 92 mg／kg，镉的脱除率达97.08%，与预测值之间有较好的拟合性。

镉 大米粉 酸溶技术 响应面法 脱除率

中国作为世界大米的主要生产国，大米产量约占全球总产量的30%，据不完全统计，中国60%以上的人口以大米为主食［1］。随着近几年“镉大米”事件的不断曝光，大米中重金属镉的污染已成为全世界面临的重大食品安全问题之一。2010年雷鸣等［2］对湖南省污染区和市场上的大米进行调查分析发现，36%的样品存在镉超标情况；有报道表明，中国1／5的耕地受到重金属污染，涉及11个省25个地区，主要以湖南、江西等长江以南的地区为主［3］。重金属镉被世界卫生组织定为优先研究的食品污染物，水稻对镉有较强的富集能力，重金属镉可以通过食物链积累于人体内，长期的积累作用会对肝肾、生殖系统、结蹄组织等造成一定的损伤，甚至产生“三致作用”［4-5］，因此开展大米中重金属镉消减技术的研究具有重要的现实意义。

目前，有关大米中重金属镉消减方法的研究主要集中在稻米加工技术方面，如砻谷、碾米、浸泡、大米淀粉或大米蛋白的提取技术等。由于重金属镉主要集中在大米胚乳中［6］，砻谷和碾米方法对镉的脱除效果不明显［7］；刘晶等［1］在大米浸泡过程中发现大米在30℃下浸泡30 h，镉的脱除率只有33.71%，说明水的浸泡作用对大米中镉的脱除有一定的效果，但效果不明显；田阳［7］利用碱法工艺提取大米淀粉产品，在最佳工艺条件下，镉的脱除率可达84.77%，但该方法制得的淀粉产品与原淀粉品质相差较大，且淀粉提取率较低。一些试验证明，有机酸可以与重金属镉结合形成可溶性络合物来增加镉的移动性［8-10］，基于有机酸的这一特性，本试验以镉含量0.647 9 mg／kg的大米为研究对象，采用酸液浸泡法消减大米粉中的重金属镉，在探讨酸的种类、浸泡温度、浸泡时间、液料比和酸液浓度等因素对大米粉中镉脱除率的影响基础上，确定浸泡用酸种类，同时利用响应面法对酸浸条件进行优化，以期提高大米粉中镉的脱除率，快速缓解镉超标大米的利用问题。

1 材料与方法

1.1 材料

早籼米（精米，含水量13.41%，镉含量0.647 9 mg／kg），2013年产于湖南省湘阴县。

乳酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乙酸、草酸均为食品级；盐酸（分析纯）、硝酸（优级纯）、高氯酸（优级纯）：国药集团化学试剂有限公司；1 000 μg／mL镉标准溶液：中国计量科学研究院；试验用水均为去离子水。

1.2 仪器

Q-100AZ高速多功能粉碎机：上海冰都电器有限公司；SHZ-B水浴恒温振荡器：上海浦东物理光学仪器厂；TD5A台式低速离心机：湖南赫西仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酸浸脱除大米粉中镉的工艺

工艺流程：镉超标大米→粉碎过筛→酸液浸泡→离心分离→洗大米粉3次→干燥→低镉含量的大米粉样品。

取10 g镉含量0.647 9 mg／kg大米粉碎过60目筛，将过筛后的大米粉加入到离心管中，再加入酸液40 mL（酸液pH为1.93），将其摇匀后置于35℃水浴中振荡处理24 h（对照组不用酸液浸泡，在室温下用去离子水振荡浸泡24 h）（旋转振荡频率为175次／min）。酸液浸泡完后，将混合物离心（3 500 r／min，5 min），去除上清液，向离心脱水后的大米粉中加入3倍大米粉质量的去离子水，将其充分混匀后离心分离（3 500 r／min，5 min），重复水洗3次，再将离心脱水后的大米粉置于45℃热风干燥箱中干燥至恒质量（含水量为11%～13%），用自封袋密封后放置于4℃冰箱中保存备用［11］。

1.3.2 酸液种类的确定

在1.3.1工艺条件下，固定酸液浸泡温度为35℃，液料比为4∶1（mL／g），酸液pH为1.93（各酸的浓度根据此pH确定），浸泡时间为24 h，分别考察乳酸、乙酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、苹果酸、盐酸等有机酸和无机酸对大米粉中镉的脱除效果，从而确定最佳的酸液种类。

1.3.3 单因素试验

在1.3.1工艺条件下，以1.3.2确定的酸液种类为浸泡液，固定酸液浸泡温度为35℃，液料比为4∶1 （mL／g），酸液浓度为10%（V／V），浸泡时间为24 h，分别考察浸泡温度、酸液浓度、液料比和浸泡时间4个因素对镉脱除率的影响。

1.3.4 响应面法试验设计及验证性试验

由单因素试验确定影响镉脱除率的主要因素和最佳水平范围，设计Box-Behnken响应面法的3因素3水平试验，选择液料比（6∶1、8∶1、10∶1）（mL／g）、酸液浓度（20%、30%、40%）和浸泡温度（40、45、50℃），计算大米粉中镉的脱除率。利用Design-Expert 8.0.6软件分析获得最佳的工艺参数，在最优的工艺条件下进行验证性试验。所有试验均重复3次，所有数据均平行测定3次，用SPSS软件进行方差分析。

1.3.5 镉含量的测定配制镉标准溶液→上机测定→制定标准曲线称样→湿法消解→赶酸→定容→上机测定→计算镉含量

本试验采用的消解液为：硝酸+高氯酸（8.5 mL+ 1.5 mL），并利用石墨炉原子吸收光谱法对重金属镉元素进行测定［11-12］。

1.3.6 标准曲线的绘制

参照国标方法并作改进，在以2 μL（20 g／L）磷酸二氢铵溶液作为基改剂的条件下，绘制吸光值与镉浓度的标准曲线，得到一元线性回归方程为：Abs=0.153 55Conc+0.014 705，r=0.999 4。式中：Conc表示试样中镉的质量浓度／ng／mL；Abs表示试样的吸光值［11-12］。

大米粉试样中的镉含量计算如下：

X=（A1-A2）×V×1 000／（m×1 000×1 000）

式中：X为试样中镉含量／mg／kg；A1为试样消化液中镉的质量浓度／ng／mL；A2为空白液中镉的质量浓度／ng／mL；V为试样消化液总体积／mL；m为试样质量／g。

2 结果与分析

2.1 酸液种类的确定

根据1.3.2确定的试验条件，分别考察乳酸、乙酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、苹果酸和盐酸等7种酸对大米粉中镉的脱除率的影响，酸液种类与镉脱除率之间的关系见图1。

图1 酸种类与镉脱除率的关系图

如图1所示，7种酸对大米粉中的重金属镉均具有一定的脱除能力。其中，乳酸的脱镉效果最好，而草酸的脱镉效果最差。除草酸脱镉率为49.78%以外，其余有机酸（乳酸、柠檬酸、乙酸、苹果酸、酒石酸）处理的大米粉中镉的脱除率均在82%以上，其脱镉效果明显优于无机酸盐酸（P＜0.05），且这7种酸的pH相同，说明大米粉中镉的溶出不主要为酸中氢离子的作用，7种酸脱镉效果的差异还与酸的分子结构有关［13-14］。由图1可知，大米粉在一定条件下经乳酸溶液浸泡后，重金属镉的脱除效果最好，脱镉率为86.15%，这可能是因为乳酸是具有α-羟基结构的羧酸，有报道称大米中的镉元素主要以蛋白质结合态的形式存在，乳酸中的羧基与大米蛋白多肽链上的氢形成氢键以及α-羟基中的氢与多肽链上的氧形成氢键是促进蛋白质溶出的原因［14-15］。后续试验选择乳酸溶液作为酸浸泡液。

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 酸液浓度对镉脱除率的影响

在1.3.3的试验条件下，以乳酸为酸浸泡液，分别考察1%、10%、20%、30%、40%和50%（V／V）乳酸溶液的浓度对大米粉中重金属镉的脱除率的影响，结果如图2所示。

由图2可以看出，乳酸浓度对镉脱除率的影响显著（P＜0.05），镉脱除率随乳酸浓度的变化趋势是先增大后减小，当乳酸溶液的浓度为30%时，镉的脱除率最大，且明显高于其它水平（P＜0.05）。乳酸浓度过小时，浸泡液中的乳酸分子少，有机酸对蛋白质和镉的溶出作用小，因此，镉的溶出量少［8，14］；当乳酸浓度过大时，浸泡液的黏度也随之增大，导致溶质的扩散速度减小，阻碍了大米粉中镉元素的迁移［16］。所以选取乳酸浓度的优化范围为20%～40%。

2.2.2 浸泡温度对镉脱除率的影响

在1.3.3的试验条件下，以10%乳酸（V／V，酸液pH为1.93）为酸浸泡液，分别考察不同酸浸温度（25、30、35、40、45和50℃）对大米粉中重金属镉的脱除率的影响，结果如图3所示。

酸浸温度对镉脱除率的影响显著（P＜0.05），当浸泡温度为45℃时，镉的脱除率最大，且显著高于其它水平（P＜0.05）。在酸浸温度为25～45℃时，镉的脱除率随着温度的增加而增加，酸液温度的升高能加快溶质的扩散速度，使酸对蛋白质和镉的溶出作用增强，镉的溶出量也随之增多［16］；当浸泡温度高于45℃时，镉的脱除率反而降低，这可能是因为温度过高导致大米粉中部分淀粉糊化，糊化的淀粉会使浸泡液黏度增加且将部分蛋白质和镉元素包埋起来，从而使镉的溶出量降低［14］。因此，选择浸泡温度的优化范围为40～50℃为宜。

图3 浸泡温度对镉脱除率的影响

2.2.3 浸泡时间对镉脱除率的影响

在1.3.3的试验条件下，以10%乳酸（V／V，酸液pH为1.93）为酸浸泡液，分别考察不同酸浸时间（6、12、18、24、30和36 h）对大米粉中重金属镉的脱除率的影响，酸浸时间与镉脱除率之间的关系见图4。

图4 浸泡时间对镉脱除率的影响

通过图4可以看出，大米粉在乳酸溶液中浸泡时间越长，镉的脱除率则越高，但酸浸时间对镉脱除率的影响不显著（P＞0.05）。当浸泡时间达到24 h时，镉的溶出速率降低，随着浸泡时间的进一步增加，镉的脱除率并没有显著增加（P＞0.05），说明此时的乳酸溶液中镉的溶出量接近饱和。所以从效率和能耗的角度出发，在后续试验中选取浸泡时间为24 h为宜。

2.2.4 液料比对镉脱除率的影响

在1.3.3的试验条件下，以10%乳酸（V／V，酸液pH为1.93）为酸浸泡液，分别考察液料比（1∶1、2∶1、4∶1、6∶1、8∶1和10∶1）（mL／g）对大米粉中重金属镉的脱除率的影响，液料比与镉脱除率之间的关系见图5。

图5 料液比对镉脱除率的影响

由图5可知，随着液料比的不断增大，镉的脱除率也逐渐增加，且液料比对镉脱除率的影响显著（P ＜0.05）。当液料比过小时，浸泡酸液的体积小，部分大米粉颗粒未能与乳酸溶液充分接触，溶质的扩散速度也小，导致镉的溶出量有限，镉的脱除效果较差；当液料比为8∶1 mL／g时，镉脱除率达到90%以上，随着液料比的进一步增加，镉的脱除率并没有明显提高（P＞0.05），这说明当酸浸条件和大米粉质量一定时，8倍大米粉质量的乳酸溶液已足够将其中大部分的镉元素溶出，10倍大米粉质量的乳酸溶液并没有使镉的溶出量显著增加。因此，综合考虑能耗问题，选择液料比的优化范围为6∶1～10∶1（mL／g）。

2.3 响应面优化试验

2.3.1 Box-Behnken设计

根据单因素试验结果，选择浸泡温度、酸液浓度和液料比为自变量，由于浸泡温度对镉脱除率的影响不显著（P＞0.05），所以响应面优化试验中固定浸泡时间为24 h。浸泡液固定为乳酸溶液，以大米中镉的脱除率为响应值，采用响应面法优化酸溶脱镉工艺。试验设计方案与结果如表1所示。

表1 Box-Behnken试验设计方案与结果

2.3.2 回归方程的建立及方差分析

应用Design-Expert8.0.6软件对表1中的数据进行多元回归拟合，得到镉脱除率（Y，%）对浸泡温度（A，℃）、酸液浓度（B，%）和液料比（C，mL／g）的回归方程为：

Y=96.27-0.24A+0.57B+1.07C-0.51AB+ 0.96AC+0.038BC-0.52A2-0.18B2-0.51C2

对拟合的回归模型进行方差分析，其结果见表2。由表2可知，该回归模型P值＜0.000 1，表明该回归模型极显著；失拟项P=0.071 9＞0.05，即模型的失拟项不显著，且模型决定系数R2=0.998 4，校正决定系数Adj R2=0.996 4，说明该模型的拟合度较好，不存在其他影响试验结果的不可忽略的因素［17］，预测值与试验值较接近。因此，该模型是合理可靠的，可以用此方程对镉的脱除率进行分析和预测。

表2 回归模型的方差分析

对回归系数进行显著性检验，其结果如表3所示。

表3 回归系数的显著性检验

通过表3可以看出，模型的一次项A、B、C、交互项AB、AC及二次项A2、B2、C2对响应值Y的影响极显著（P＜0.01），表明该响应值的变化较为复杂，各个因素对响应值的影响不是呈简单的线性关系，而是二次关系，且3个因素之间存在交互关系［18］。根据表3中F值的排序，可知3个因素对镉脱除率影响主次顺序为：液料比＞酸液浓度＞浸泡温度。

2.3.3 模型交互作用分析

从回归系数的显著性检验结果（表3）中得知，浸泡温度（A）和酸液浓度（B）的交互作用以及浸泡温度（A）和液料比（C）的交互作用对镉脱除率的影响极显著（P＜0.01），利用Design-Expert 8.0.6软件对其作等高线图和响应曲面图，结果见图6。

图6 试验因素交互影响镉脱除率的等高线图和响应曲面图

由于等高线的形状可以反映交互作用的强弱［19］，从图6a和图6c中的等高线可以直观地看出，浸泡温度与液料比的交互作用比乳酸浓度与浸泡温度的交互作用对镉脱除率的影响更显著。响应曲面坡度的陡峭情况反映了响应值对处理条件改变的敏感程度［19］，从图6b和图6d中的响应曲面图可知，镉脱除率对两两因素交互作用的改变比较敏感。液料比是影响大米粉中重金属镉脱除的主要因素，较大的液料比可以获取较高的镉脱除率。由图6a、图6b可知，在一定的试验条件下，固定浸泡温度为45℃，随着乳酸浓度的增加，镉脱除率呈现先升高后下降的趋势，这可能与乳酸分子的数量以及溶液黏度有关；当乳酸体积分数固定为30%时，随着浸泡温度的升高，镉脱除率也呈现先上升后下降的趋势，当浸泡温度为40℃，乳酸体积分数在40%左右时，镉的脱除率出现最大值。由图6c和6d可知，在设定的试验条件范围内，固定液料比为8∶1（mL／g），随着浸泡温度的升高，镉的脱除率先升高后下降；当浸泡温度固定为45℃时，镉的脱除率随液料比的增加而增加，在液料比为10∶1（mL／g），浸泡温度为50℃时，镉的脱除率有最大值。

2.3.4 工艺参数优化及模型验证

由模型预测的最佳工艺条件为：浸泡温度44.40℃，酸液体积分数39.60%，液料比9.72∶1 （mL／g），此时，理论的镉脱除率为97.20%。考虑到实际的试验条件和可操作性，将优化的工艺参数调整为：浸泡温度44.4℃，酸液体积分数40%，料液比10∶1（mL／g），进行3次重复验证试验，可得到镉的平均脱除率为97.08%，相对标准偏差为1.48%，且实际值与理论值基本接近，说明优化后的工艺参数和回归模型是合理可靠的。

3 结论

3.1 本研究采用酸溶技术脱除大米粉中的重金属镉，通过比较试验选定乳酸溶液作为浸泡液，在单因素试验的基础上，固定酸浸时间为24 h，利用响应面法进一步优化了酸溶技术脱镉的工艺条件，分析得到的最佳工艺参数为：浸泡温度44.4℃，酸液体积分数40%（V／V），液料比10∶1（mL／g）。在该条件下，镉含量0.647 9 mg／kg的大米粉经过乳酸溶液浸泡处理后，大米粉中镉的脱除率可达97.08%，与模型预测值97.20%相近，且RSD值为1.48%，说明该回归模型合理可靠。

3.2 在最佳工艺条件下处理镉超标的大米，大米粉中镉的残留量为0.018 92 mg／kg，低于国家限量标准（0.2 mg／kg）；而对照组的大米粉在常温下用去离子水浸泡24 h，镉的脱除率仅为28.06%，说明乳酸能有效地溶出大米粉中大部分蛋白质结合态的镉元素，但其作用机理还有待进一步研究。利用乳酸溶液浸泡大米粉以脱除其中的重金属镉，脱镉后的大米粉可用作饲料等，且该技术操作简单、成本低、效果好，具有较为广阔的市场应用前景。

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Process Optimization of Cadmium Removal in Rice Powder with Acid Soluble Technology

Fu Yaping1Liao Luyan1Wang Jutao2Wu Weiguo1
（Food Science and Technology College，Hunan Agricultural University1，Changsha 410128）
（Changsha Haoyunwei Industrial Development Co.Ltd2，Changsha 410129）

Taking the rice with the Cd content of 0.647 9 mg／kg as research object，the technology that the Cd was removed from the rice power by using the acid liquor to soak the rice power was researched.Base on the effects of acid species，soaking temperature，soaking time，liquid-to-solid ratio and acid concentration.on the removal rate of Cd in rice powder，lactic acid was selected as soak solution，and the technical parameters that the acid soluble technology removed the Cd in the rice power was further optimized by using a three elements and three level Box-Benhnken test design.The results showed that soaking temperature，liquid-to-solid ratio and acid concentration could significantly affect the removal rate of Cd（P＜0.01），and the effect of soaking time（6～36 h）was not significant（P＞0.05）.Then，the main orders of the influence factors were liquid-to-solid ratio＞acid concentration＞soaking temperature.The soaking temperature of 44.4℃，acid concentration of 40%（V／V）and liquid-to-solid ratio of 10∶1（mL／g）were gained from the optimum technology parameter optimized，Under this condition，the residual content of Cd in rice powder was 0.018 92 mg／kg and the removal rate of Cd in rice was 97.08%，which was consistent with the predicted value.

cadmium，rice powder，acid soluble technology，response surface method（RSM），removal rate

TS210.4

A

1003-0174（2017）03-0103-07

农业部财政部重金属污染治理专项（农办财函〔2015〕38号），长沙市科技重大专项（K404036-21）

2015-08-04

傅亚平，女，1990年出生，硕士，食品科学

吴卫国，男，1968年出生，教授，粮食深加工及开发利用