超标稻米打磨降镉技术及工艺参数优化研究

庞 敏 郭晋琦 陶湘林,3 吴跃辉,3 魏颖娟,3 唐汉军,3

(湖南大学隆平分院1，长沙 410125) (湖南省农业科学院作物淀粉化学与代谢组学创新团队2，长沙 410125) (湖南省农业科学院农产品加工研究所3，长沙 410125)

近年来，随着我国工业的快速发展，农药、化肥、除草剂等的不合理施用，农田土壤中镉污染日趋严重[1-2]。目前，国内外专家提出了许多污染治理的技术手段，主要有生物修复[3]、客土换土法[4]、施用改良剂[5-8]、培育或选育低镉富集能力的水稻新品种等，这些技术手段存在稳定性差、成本高、时间长等问题，在可预见的相当长时间里镉等重金属超标稻谷的产出不可避免。产后镉超标稻米加工处置技术主要有水浸泡[9]、酸浸泡[10]、大米淀粉[11]以及大米蛋白[12]的提取纯化及其它非食用化利用。然而这些加工技术不仅处理能力有限，还存在废水排放等二次污染问题。

大量研究表明镉主要是结合在稻谷的蛋白质上[13-15]，查燕等[16-17]采用组织化学分析法对农作物籽实中镉等重金属的分布，及其加工过程重金属去除效率的初步研究，稻谷在加工成精米后镉的去除率达到24.1%。还有研究显示谷物类子实的打磨分级粉成分差异显著[18-20]，蛋白质含量从外及内呈递减趋势。田阳[11]对12个稻谷样品通过实验打磨表明精白度与镉去除率呈正相关。这些成果表明具有大量快速处理优势的物理加工方法也许是镉超标稻谷的一条有效降镉技术途径。但是，针对不同粒型及组织结构特性的稻谷品种，在不同工作原理的现有工程机械上的实际镉去除效率、工艺参数等还鲜有可行性应用研究报道。

因此，本研究针对南方籼稻镉超标稻谷，采用现有精米机械研究稻米在打磨过程中其镉含量的动态变化，明确其应用可行性、工艺参数等，为镉超标稻谷的物理处置技术模式提供实践参考，以及构建技术规程积累科学数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2014年至2016年从湖南长株潭水稻产区随机取样，获取了29个籼稻品种共计60份样本，通过稻谷镉快速检测以及糙米消解-原子吸收石墨炉法的镉含量精确分析，选取了糙米镉含量在0.1～0.6 mg/kg区间的9个品种，其中7个长粒型品种、2个短粒型品种作为材料(编号XD1～9)，经过精选去杂和去壳后在0～5 ℃下储藏备用。

硝酸(优级纯)、高氯酸(优级纯):国药集团化学试剂有限公司；镉标准溶液:国家钢铁材料测试中心。

1.2 仪器设备

JLG-1实验室电动砻谷机、JMNJ-3实验室小型砂轮精米机:台州市新恩精密粮仪有限公司；多功能精选机(产能500 kg/h):莱州市郭家店镇永兴机械厂；竖式精米机VP-32T(竖辊钢辊，产能30 kg/h)：株式会社山本制作所；卧式合盛营养精米机6N-4.8型(卧辊钢辊，产能120 kg/h)：重庆合盛工业有限公司；XJS20-42智能消解仪：天津莱伯特公司；A3AFG-12原子吸收光度计：北京普析公司；X7800土壤、粮油重金属及有毒有害物质快速检测仪：天津博智伟业科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 稻谷组织的镉含量分析

稻谷组织分析样本的制备：采用电动砻谷机去壳，分别收集稻壳和糙米，稻壳经水洗3次后，70 ℃烘干后作为分析样本；将糙米表面粉尘等异物用软毛刷与吹风机清理干净后作为糙米分析样本；每次取糙米样本20 g用小型砂轮精米机打磨减重到10%，分别收集精米与米糠，将精米表面粉尘等异物用软毛刷清理干净后作为精米分析样本；收集米糠通过40～60目钢筛以及目选等方法去除干净碎米，分离出胚芽和糠(表皮和糊粉层)作为分析样本。

镉含量分析[21]：稻壳、糙米、精米、胚芽和糠等样本分布充分混匀后随机取样经过硝酸和高氯酸消解后，采用原子吸收石墨炉法分析镉含量。各样本随机取样在105 ℃下烘干测量含水量，修正镉含量检测数据后作为样本的镉含量值。

1.3.2 稻米打磨降镉实验

采用分级打磨法[18]，在实验室小型砂轮精米机制取分级米粒。取糙米样本(长粒型XD1～XD4、短粒型XD5)300 g用小型砂轮精米机打磨减重10%，收集米粒在10目钢筛上用软毛刷与吹风机清理干净作为Ⅰ级精米；同样以上级精米为原料用小型砂轮精米机打磨减重10%，通过筛分清理依次获得Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级精米。为获得同样的打磨效率和避免交叉污染，每级精米制备前清理清洗干净轮砂和各仓室，并调整适当的砂轮间隙。总打磨度(精白度)计算公式：总打磨度=(BR-BM-SM)/BR×100%，式中BM为打磨后质量；SM为糠中碎米质量；BR为糙米质量。根据计算，Ⅰ～Ⅳ级精米的总打磨度分别约为10%、19%、27%、34%，以各级精米中最完整米粒为基准，达到最完整米粒的三分之二以上的作为整米，计算其重量百分比作为该级米的整米率。米粒表面粉尘清除方法和镉含量分析方法相同。

1.3.3 现有机械的打磨工艺参数研究

采用日本进口竖式钢辊精米机，根据该机型可调节档位，设计了25个流量与精白度变量组合水平(表1)，以短粒型DX6和长粒型DX7的Ⅰ级精米样品(打磨度10.0)为初始原料进行打磨实验。按照表1从1流量水平组合开始连续打磨，每个流量水平组合的样品初始质量为5 000.0 g，记录入料和出料完毕所需时间(打磨时间)，并在打磨过程的中间时段取出约300.0 g过10目(短粒)和12目筛(长粒)后作为该级白度水平的分析样本，收集余下精米过10或12目筛并称重后，继续下一级白度水平的打磨，以此依次获得1～5级白度水平的分析样本，以及打磨减重、打磨时间等数据。通过打磨室容积和打磨时间计算出各个变量组合的打磨室内单位米粒流量，以及单次打磨度、单位打磨减重效率等变量数据，并进一步通过数学统计处理，最终得到针对Ⅰ级精米进行打磨处理时的单位米粒流量、单次打磨度、单位减重效率的最佳参数组合。

单位米粒流量(kg/m/L)=初始米质量(kg)/打磨时间(min)/打磨室容积(L)

单次打磨度=(初始米质量-打磨后米质量+碎米质量)/初始米质量×100%)

单位减重效率=(初始米质量-打磨后米质量+碎米质量)/打磨时间(min)/打磨室体积(L)×100%

表1 流量与精白度变量组合

1.3.4 生产型精米机的打磨降镉实验

选取镉超标糙米XD8(长粒型，镉0.505 mg/kg)和XD9(长粒型，0.558 mg/kg)为材料，采用产能120 kg/h的卧辊精米机，参照最佳工艺参数调整流量与精白度水平进行打磨降镉实验，样品初始质量为5 000.0 g，3个平行，分别连续打磨2次，并在打磨过程的中间时段取出约300.0 g分析样本，所有米粒用20目去碎米以及60目钢筛清除粉体，打磨度计算方法相同。米粒表面粉尘清除方法和镉含量分析方法相同。

1.3.5 数据分析

所有数据均采用Excel 2007和SPSS 8.0进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 稻谷组织的镉含量分析

从表2可以观察到，5个品种的稻谷组织镉含量依次是糠>胚>胚乳>稻壳，与陈义芳等[22]利用X射线显微技术测定稻米各部位的镉含量结论相一致，也支持查燕等[11]、田阳等[16]通过碾米加工可有效降低稻米镉含量的结论。这是由于稻米中镉主要以络合物的形式与蛋白质结合，与淀粉、脂肪、纤维等成分结合较少[16-17]。但稻谷品种不同，相同的打磨程度其降镉效率差异显著，且以现有的稻米加工精白度，只能使轻度超标稻谷达到降镉达标的目的。

表2 稻谷组织的镉含量分布特性/mg/kg

注：不同字母表示该列数据之间有显著性差异(P<0.05)。

2.2 稻米打磨降镉实验

针对5个品种的精米采用相同的小型砂轮精米机，通过调节砂轮间隙，以达到单次打磨减重10%的指标，进行3次连续打磨，获得4级米粒。从米粒的消减形态看(图1)，打磨度27%左右，所有样本仍然有部分米粒能够保持与初始米粒相类似的形态，与其他谷物类打磨的效果相似[18-20]，说明打磨技术在稻米加工上的应用可行性较高。

表3列出了分级米粒的降镉率。结果表明，打磨度约10%时，Ⅰ级精米的降镉率为10.6%～29.2%，平均降镉率为21.4%；打磨度约34%时，Ⅳ级精米的降镉率为26.2%～59.1%，平均降镉率为45.2%。Ⅰ、Ⅱ级精米的单次打磨降镉效率平均达到2倍左右，Ⅲ、Ⅳ级精米的降镉效率显著减小。

每个品种的打磨度与降镉率之间均呈线性正相关关系(P<0.000 1,r=0.958)。从线性回归方程得出低于0.26 mg/kg的超标糙米在打磨度10%左右可生产达标精米。同时，对打磨降镉效率较差的超标品种，当总打磨度达到34%时，镉含量也可达到0.2 mg/kg水平以下。以图1所示米粒为基准测量各级精米的整米率，结果显示品种间整米率的差异显著，总打磨度达到34%时，所有品种均找不到与Ⅰ、Ⅱ级精米相似的米粒，可以认为全部是碎米。综合这些结果总打磨度在19%以内降镉效率高，对整米率影响较小。

图1 糙米与打磨分级米粒的照片

2.3 现有机械的打磨工艺参数研究

采用处理能力30 kg/h的竖式钢辊精米机进行最佳打磨工艺参数研究。设计了25个流量与精白度变量组合水平，分别对短粒型和长粒型的普通精米进行打磨处理，根据打磨室容积，及获得的进料速度、打磨时间、减重率、打磨度等变量数据计算的各变量组合对应的单位米粒流量、单次打磨度、单位减重效率数据列如表4和表5所示。这些数据经过数学统计处理，得到在精米基础上进行打磨处理时的单位米粒流量、单次打磨度、单位减重效率的最佳参数组合，短粒型的最佳工艺参数组合分别为11.6 kg/min/L、3.3和363.0 g/min/L，长粒型的分别为11.0 kg/min/L、2.3和226.4 g/min/L。短粒型与长粒型比较，最佳单位米粒流量几乎相同，但单位减重效率与单次打磨度相对较高。

表3 糙米打磨技术的降镉效率

注：不同字母表示该列数据之间有显著性差异(P<0.05)；Y为降镉率，X为总打磨度。

表4 短粒型打磨参数

表5 长粒型打磨参数

2.4 生产型精米机的打磨降镉实验

为了验证优化参数在生产型卧辊钢辊精米机上应用的可行性，参照优化打磨技术参数，调整到合适的精白度与流量组合，对糙米镉含量分别为0.505 mg/kg(XD8)和0.558 mg/kg(XD9)的长粒型优良品种进行了打磨降镉实验。图2为无筛分打磨米粒的形态观察。结果表明，2个样品均获得很好的降镉效果，打磨度15%左右，降镉率均达到50%左右。根据1次回归直线的延长预测(图3)，如要实现降镉率达到80%或90%时，XD8的打磨度分别为22.5%和25.3%，而XD9的打磨度分别为24.3%和27.3%。但是，现有精米机在打磨度超过15%以上，打磨效率达不到优化实验模型。原因在于现有精米机械的打磨室等参数是固定的、不可调节的，或可调范围较窄。因此，为实现0.2～0.6 mg/kg区间超标糙米的高效打磨降镉目的，需要对现有精米机的打磨室等硬件参数进行适当的改良和优化，并形成机组。

图2 长粒型糙米与打磨分解米照片

图3 长粒型超标糙米的打磨度与降镉率的关系

3 结论

在精米基础上进行打磨处理时，短粒型的最佳平均单位流量、单次打磨度、单位减重效率的最佳打磨工艺参数组合分别为11.6 kg/min/L、3.3和363.0 g/min/L，长粒型的分别为11.0 kg/min/L、2.3和226.4 g/min/L。

采用现有精米机械打磨是镉0.2～0.6 mg/kg区间超标糙米的有效降技术途径，但是，要将所有稻米品种的镉含量从0.6 mg/kg降至0.2 mg/kg水平以下，现有精米机械存在一定的局限性，在总打磨度超过15%时，单位减重效率将会显著降低，总打磨度超过19%时，碎米率显著增加。同时品种特性的影响很大。今后应着重针对现有精米机械的打磨室、辊轮等关键硬件进行改良研究，形成高效率的打磨机组，并需要进一步积累和充实品种的成分分布、米粒组织结构等特性的数据库。