乳酸强化自然发酵法消减大米中镉的研究

朱凤霞 甘平洋 刘博 陈渠玲 黄天柱 陈昌勇 莫韩御 周涛

[摘要]为研究大米中重金属镉的消减方法，本试验以镉超标的早籼大米为原料，采用乳酸联合大米自然发酵液进行降镉技术研究，以降镉率为评价指标，通过单因素试验和L9（34）正交试验，确定了乳酸强化自然发酵降镉的最优工艺条件，即发酵液添加量为4%，乳酸浓度为4%，发酵时间为26h，发酵温度为32℃，在此条件下，大米降镉率达87.9%。本研究主要是为缓解大米镉超标问题及工业化应用提供参考。

[关键词]自然发酵;乳酸;降镉;大米

中图分类号：TS201.3 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

稻米是我国大宗主粮，在我国粮食生产中具有举足轻重的地位，我国有2/3以上的人以大米为主食。据统计，2018年全国稻谷播种面积为3.02×107hm2，总产量为2.12亿t。湖南是我国水稻大省之一，每年水稻播种面积约4.13×106hm2，每年稻谷产量约2 600万t，年播种面积和产量均居全国各省市首位[1]。2013年，湖南省销往广州的大米因重金属镉超标问题，爆发了食品行业特别是主食大米行业存在的重金属污染问题。据不完全统计，中国镉污染农田面积已达2.0×104hm2，每年生产镉含量超标粮食1.46×1010kg[2]，市场在售大米的镉超标率高达10.3%[3]，大米镉污染形势严峻。

早籼米因其食用品质欠佳，主要用于米粉、米线等大米深加工产品，有调查显示，湖南、广东两省米粉的消费量超过500t/d，南方七省米粉年消费量高达200万t左右[4]。而镉污染制约了早籼米的综合利用，给我国粮食产业带来巨大损失。此外，镉作为大米中污染最严重的重金属元素，摄入过多会影响人体的呼吸系统和肾脏功能，可能导致蛋白尿、糖尿等肾脏疾病，以及软骨症、贫血、消化道疾病等[5]。因此，研究如何减缓中国稻米镉污染状况，提高镉污染大米的用途，对于保障粮食安全和民生安全都具有重要意義。

当前，我国稻米镉污染修复治理措施主要是从土壤修复治理、新品种选育和产后稻米加工等方面着手[6]，其中，镉超标稻米的加工消减技术主要方法有以下三类[7]：第一类是物理脱除法，如大米精加工[8]、浸泡法[9]和吸附剂降镉剂等，该方法操作简单、成本低廉、不会造成化学污染，但镉的脱除效果不明显;第二类是化学脱除法，包括加酸[10]、加碱[11]和酶解等方法，这些方法相对复杂且成本较高，还有可能造成化学残留，其脱镉产品加工成的米制品风味较差;第三类是生物脱除法，即优选菌种进行微生物发酵，Halttunen T等[12-13]的系列研究发现包括鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌等在内的10种乳酸菌对镉有一定吸附能力，有学者采用植物乳杆菌和戊糖片球菌混合发酵，对大米粉脱镉效果显著。发酵可较大程度地改善大米粉食味品质，表现为口感更加柔韧筋道，发酵过程中，微生物的产酸和酶对米粉品质改善影响较大，有利于降镉后产品的综合利用。此外有研究表明，镉在稻米中主要与蛋白质以络合物的形式存在，发酵可降低大米中蛋白质及灰分的含量，利用乳酸将镉与蛋白质的结合键打开，可提高乳酸菌对镉的吸附效率。因此，本试验拟以重金属镉超标的完整早籼米为原料，选取乳酸强化自然发酵消减大米中镉，以研究出一种简单、有效、适宜于工业化生产的大米降镉工艺，为进一步利用镉污染大米提供可行办法及措施。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

1.1.1 主要材料试剂

早籼米（精米，镉含量0.57mg/kg，含水量13.2%）：市售;发酵液：自制;乳酸（食品级）：河南金丹乳酸科技股份有限公司;硝酸（优级纯）、氯化钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司;白糖;水（实验用水为超纯水）。

1.1.2 主要仪器设备

原子吸收光谱仪（ZEENIT700P）：德国耶拿分析仪器股份公司;微波消解仪（COOLPEX）：上海屹尧仪器科技发展有限公司;电子分析天平（LE204E/02）：梅特勒-托利多仪器有限公司;恒温恒湿箱：上海一恒仪器有限公司;pH计（PHS-3C）：上海仪电科学仪器股份有限公司;电热鼓风干燥箱（101-1AB）：天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乳酸强化自然发酵降镉工艺

发酵液+乳酸

↓

镉超标大米→浸泡→恒温发酵（20～28h）→排水→清洗→烘干→成品

取一定量镉含量0.57mg/kg的早籼米，按1∶1.2加水浸泡，再加入酸液和自然发酵液，搅拌均匀后置于恒温箱中发酵，待发酵完全后取出排水，清洗3～5遍，置于45℃鼓风干燥箱中干燥，用自封袋密封后放置于4℃冰箱中保存备用。

1.2.2 大米自然发酵液的制备

选取镉含量≤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℃，自然发酵20～30h。所得大米自然发酵液中，乳酸菌总数为107～109cfu/mL，pH值为3.2～3.7。

1.2.3 镉检测方法

参考《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB 5009.15-2014）采用石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）。

降镉率（%）=（原料大米镉含量-脱镉后大米镉含量）÷原料大米镉含量×100%。

1.2.4 单因素试验

添加大米自然发酵液、乳酸和营养底物进行发酵，脱除大米中的重金属镉，以降镉率为指标，选取发酵液添加量、乳酸浓度、营养底物添加量、发酵时间和发酵温度五个因素进行单因素试验，探究各因素对大米中镉脱除率的影响。

1.2.5 正交试验

为了确定最优工艺参数，通过分析单因素试验结果，确定影响大米中镉的脱除率的主要因素和最佳水平范围，根据正交试验设计原则，采用L9（34）正交试验对工艺条件进一步优化。其因素水平分布情况如表1 所示。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 自然发酵液添加量对降镉效果的影响

在乳酸浓度2%、营养底物添加量1%、发酵时间24h和发酵温度30℃的固定试验条件下，添加不同比例的自然发酵液（2%、4%、6%、8%、10%），观察发酵液添加量对镉消减效果的影响。如图1所示，发酵液的添加比例对镉的消减有明显的影响，随着发酵液添加量的增高，大米降镉率先增高后降低。可能由于接种量过小时，发酵产酸降镉效果不明显;接种量过大时，菌体之间会因营养物质有限而产生竞争性作用，反而使得优势菌的生长繁殖受到抑制，代谢产酸能力降低，镉的脱除率也相应下降。综合试验结果，选择4%、6%、8%的发酵液添加量作为正交试验设计的梯度水平。

2.1.2 乳酸浓度对降镉效果的影响

在发酵液添加量4%、营养底物添加量1%、发酵时间24h和发酵温度32℃的固定试验条件下，添加不同浓度的乳酸（1%、2%、3%、4%、5%），观察乳酸对镉消减效果的影响，结果如图2所示。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。此外，大米发酵前期，产生有机酸的浓度很低，发酵过程时间较长，且大米发酵优势菌（主要是乳酸菌和酵母菌）在有机酸等含量较低时没有生长优势，其他杂菌易大量增殖，致使发酵结果不稳定，前期乳酸的加入有利于为优势微生物发酵提供适宜pH，加速发酵反应进程。如图2所示，乳酸浓度对镉的消减影响显著，大米降镉率随乳酸浓度的增加先逐渐增高而后缓慢下降，可能浸泡液的黏度随乳酸浓度增加而增大，导致溶质的扩散速度减小，阻碍了大米粉中镉元素的迁移。同时，由于发酵中后期微生物发酵将产生大量有机酸，前期乳酸所加浓度无需过大，并考虑到生产成本、溶剂去除及对后续产品影响等问题，选择乳酸添加浓度为2%～4%。

2.1.3 營养底物添加量对降镉效果的影响

在发酵液添加量4%、乳酸浓度为2%、发酵时间24h和发酵温度30℃的固定试验条件下，添加不同比例的营养底物（0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2%），观察营养底物添加量对镉消减效果的影响，结果如图3所示。营养底物的添加对酸性环境中镉的消减有较好的促进作用，且能为微生物发酵提供碳源和无机盐。如图3所示，随着营养底物添加比例逐渐增加，镉的消减率逐渐增加，但是增加效果并不明显，另外，添加量过多可能影响后续加工产品的口感和品质，同时还会使成本增加，故后续研究以1.2%为营养底物添加量。

2.1.4 发酵时间对降镉效果的影响

在发酵液添加量4%、乳酸浓度为2%、营养底物添加量1%和发酵温度30℃的固定试验条件下，探究不同发酵时间（20h、22h、24h、26h、28h）对镉消减效果的影响。如图4所示，镉的脱除率随发酵时间的增加而增加，当发酵时间达到24h时，随着发酵的继续进行，镉的脱除率增加缓慢，可能由于发酵时间过长，浸泡液逐渐浑浊黏稠，乳酸菌的活菌数量逐渐减少，镉的溶出速率降低，溶出量趋于饱和。另外，发酵时间过长，对发酵产品气味和品质有一定影响，因此，综合考虑产品品质与降镉效率，选择发酵时间范围以22～26h为宜。

2.1.5 发酵温度对降镉效果的影响

在发酵液添加量4%、乳酸浓度为2%、营养底物添加量1%和发酵时间24h的固定试验条件下，探究不同发酵温度（28℃、30℃、32℃、34℃、36℃）对镉消减效果的影响，结果如图5所示。温度是微生物发酵的重要影响因素，大米发酵降镉的主要优势菌群为植物乳杆菌，而植物乳杆菌的最适发酵温度为30℃～35℃，在最适温度条件下，植物乳杆菌活性最强，对镉的脱除效果也可能达到最佳。当温度过低时，菌种生长缓慢，代谢产酸能力较弱，镉的脱除率较低;当温度升高时，能加速酸液溶质的扩散速度，使乳酸对蛋白质和镉的溶出作用增强，降镉效果提升;但当温度过高时，菌体生长繁殖受到抑制，发酵产酸能力也较弱，镉的脱除率也会降低。因此，发酵温度选取30℃～34℃为宜。

2.2 正交试验结果

为了得到大米降镉效果最佳的工艺条件，在单因素试验的基础上设计正交试验，选取发酵液添加量、乳酸浓度、发酵时间和发酵温度4个影响因素，选用L9（34）正交表对工艺的主要因素做正交设计试验，结果如表2所示。

由表2可知，影响大米降镉效果的因素主次顺序是发酵液添加量（A）>乳酸浓度（B）>发酵时间（C）>发酵温度（D）。乳酸强化自然发酵消减大米中镉含量的最佳工艺条件为：A1B3C3D2，即发酵液添加量为4%，乳酸浓度为4%，发酵时间为26h，发酵温度为32℃。同时由正交试验表可知：发酵液添加量为4%，乳酸浓度为3%，发酵时间为24h，发酵温度为32℃时，正交试验9组数据中的降镉率最大，因此需针对两组方案进行验证试验。经试验验证，最优组合A1B3C3D2条件下大米降镉率为87.9%，优于正交试验组。同时，固定此条件其他参数，分别对发酵液添加量为0%和乳酸浓度为0%的条件进行空白对照试验，所得降镉率分别为70.7%和56.6%，由此可见，乳酸强化自然发酵法能更有效消减大米中镉含量。

3 结 论

本试验以镉超标的早籼大米为原料，对影响乳酸强化大米自然发酵液降镉效果的多个影响因素进行优化，根据单因素及正交试验结果，得出最佳脱镉工艺条件为：发酵液添加量为4%，乳酸浓度为4%，发酵时间为26h，发酵温度为32℃。验证试验及品质指标分析表明，在此条件下，大米降镉率达87.9%，制得脱镉后大米镉含量<0.2mg/kg，符合国家食品安全标准的要求;经检测发现脱镉后大米中蛋白质和灰分含量略有降低，淀粉含量变化很小，且大米成品米粒完整，有利于后续深加工利用。

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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：湖南创新型省份建设专项经费资助（2019NK2121）;2018年长株潭国家自主创新示范区专项（2018XK2007）;2018年粮油千亿产业专项（湘财建二指[2018]5号）;2019年“优质粮食工程”专项（湘财建一指[2019]63号）。

作者简介：朱凤霞，女，硕士，工程师，研究方向为粮油食品加工。

通信作者：甘平洋，男，硕士，研究方向为谷物科学与工程。