铁氧体法降低贻贝蒸煮液中重金属镉含量的工艺优化

李思敏，梁 辉，陶美洁，戴志远，3*

（1 浙江工商大学海洋食品研究院 杭州310012 2 南京农林大学 南京210095 3 浙江省水产品加工技术研究联合重点实验室 杭州310012）

贻贝，俗称海虹[1]，味道可口，营养价值高，受到广大百姓的青睐。除了鲜销，贻贝大多加工成干贝或冻品，都需要蒸煮加工过程，贻贝蒸煮液也因丰富的风味物质[2-4]和营养价值[5-7]而引起广大研究人员的重视。如罗伟[8]通过酶解、美拉德反应等方式进一步提升贻贝蒸煮液的鲜味，将贻贝蒸煮液加工成为调味料，增加其商用价值；杨荣华等[9]提取并研究了蒸煮液的功能性多糖MJPs 系列物质的免疫活性；Pintado 等[10]将贻贝蒸煮液作为天然发酵底物，提高柠檬酸、乳酸等的发酵效果。

然而，贻贝是一类广泛分布、游动性低的海洋双壳贝类，其自身对重金属较强的富集特性[11-12]，加之环境的共同作用，可能使其体内含有对人体不利的重金属，尤其是对镉、铅[13-15]的富集。杨婷婷等[16]和程家丽等[17]对11 种常见的海洋生物进行调查研究，发现贝类对镉等重金属的富集能力强于鱼类。除去或者降低贻贝蒸煮液中的镉含量，不仅有利于消费者的身体健康，还能提高贻贝蒸煮液的再利用率和深度开发。科研人员对降低食品中镉含量的研究不断深入。例如：Wu 等[18]在加工糙米时加入柠檬酸，达到94.28%的降镉率；傅亚平等[19]探讨乳酸菌法脱去大米粉中所含镉的发酵工艺；梁辉[20]向贻贝蒸煮液中加入植酸或者壳聚糖，通过响应面试验得到减少贻贝蒸煮液中镉的最佳工艺条件。

铁氧体法（Ferrite method）是一种能有效除去液体中重金属离子的方法，在溶液中投加铁盐（硫酸亚铁），利用Fe（Ⅲ）的独特空间结构，调节工艺条件，让铁盐结合溶液里的游离态重金属形成稳定的不溶于水的共沉淀物，通过固液分离方法，达到除去重金属离子的效果[21]，大多被用于工业废水治理[22-25]、生物医学[26-29]等方面。本文以富含营养价值、独特风味物质的贻贝蒸煮液为试验材料，运用铁氧体法技术来降低蒸煮液中的重金属镉。通过控制反应温度、FeSO4添加量和溶液pH 值这3个因素，以镉含量的减少量、蛋白质残留量和总糖的残留量为判断贻贝蒸煮液品质的指标，探究降镉效果最佳，耗费较少，蒸煮液品质较为理想的铁氧体降镉工艺参数，为日后减少贻贝蒸煮液中重金属的研究提供参考，也为铁氧体法的应用拓宽领域。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

贻贝蒸煮液，浙江嵊泗华利水产公司。FeSO4、HNO3、H2O2、NaOH、CuSO4均为分析纯级，国药集团化学试剂有限公司；NaKC4H4O6（分析纯级），西陇化工股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Milli-Q 超纯水仪，美国MILLIPORE 公司；PB-10 pH 计，散多利斯科学仪器有限公司；K-370 自动凯氏定氮仪，瑞士BUCHI 公司；HETTICH 420R 冷冻离心机，德国HETTICH 公司；AA-3800 石墨炉原子吸收分光光度计，上海元析仪器有限公司；MARS 微波消解仪，美国CEM 公司；SX2-2.5-10N 箱式电阻炉，上海一恒科学仪器有限公司；AR224CN 精密电子天平，美国OHAUS公司。

1.3 样液的制备

首先称量70 mL 蒸煮液，加入一定质量（210，350，490 mg）的FeSO4，调节蒸煮液pH 值（8.0，9.0，10.0），其次将容器置于一定温度（70，80，90℃）下水浴加热，每隔5 min 充氧5 min，使其充分反应40 min。反应完成后，4 000 r/min 离心15 min。最后将所得上层溶液定容至100 mL，备用。

1.4 测定方法

镉的测定：准确称取样液 （0.5000±0.0001）g放入消解罐内，倒入7 mL HNO3，1 mL 30%H2O2，摇晃均匀，加盖组装完成将消化罐放在微波消化仪中消化。待消化完毕后，在25 ℃室温环境下静置30 min 使其冷却，将所得消化液移至比色管中，定容至50 mL。采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。

蛋白质含量采用半微量凯氏定氮法[30]测定，总糖含量采用斐林试剂法进行测定。

1.5 试验设计和数据分析

打开SAS 软件包，选择其中的RSREG 程序用于试验结果的二次响应面的回归分析，即由加工操作条件（自变量Xi）的试验组合以及测得的试验结果 （因变量Y），求出二次多项式得到最优工艺条件。响应面和等高线图使用OriginPro7.5 进行绘制。

2 结果与分析

根据预试验和相关文献[31]～[35]选择pH 值梯度为8.0，9.0，10.0，FeSO4加入量梯度为210，350，490 mg/70 mL，温度梯度为70，80，90 ℃作为二次正交反应的范围。

2.1 试验因素和试验结果

表1为二次回归正交组合试验的因素编码值，表2为试验结果。

表1 因素编码的水平范围Table 1 Experimental range and levels of the independent variables

表2 响应面试验中镉降低率、蛋白质存留率和总糖存留率的结果Table 2 Experiment design used in RSM showing the values of cadmium decreased ratios，protein and total-sugar residual contents

（续表2）

从表2正交试验结果可知，铁氧体法降低贻贝蒸煮液中镉含量的作用受到pH 值、FeSO4添加量和温度的影响。一般来说，在一定的pH 值范围内，pH 值越低，降镉效果越差，而蛋白质存留率和总糖存留率越高；在一定FeSO4添加量范围内，FeSO4添加量越少，降镉效果、蛋白质存留率和总糖存留率越低；在一定温度范围内，温度越低，降镉效果越差，而总糖存留率和蛋白质存留率越高。

2.2 模型方差分析和回归方程的确定

由表2的结果进行响应面分析得到回归模型的方差分析（表3）、回归模型中的参数估计与显著性检验（表4）。

从表3回归模型的方差分析得出3 个模型的决定系数R2分别是0.9052，0.9709，0.9766（P＜0.05），说明模型的拟合检测高度显著；而失拟项的F 值均不显著（P＞0.05），这说明响应面回归模型可以用来分析本研究的反应效果。

将表4得到的参数带入二次多项式Y 中得到Y1，Y2，Y3。

Y1=2043.4375-488.975X1-0.373006X2+3.711042X3+29.154167X12-0.000504X22-0.009427X32+0.0275X1X2-0.3875X1X3+0.006705X2X3

Y2=-297.01875+104.375X1+0.121012X2-1.317708X3-6.383333X12-0.000106X22+0.009354X32-0.003571X1X2-0.01125X1X3-0.000205X2X3

Y3=-326.99375+107.875X1+0.027619X2-0 .222708X3-6.458333X12-0.000030187X22+0.005542X32-0.002143X1X2-0.06375X1X3-0.000384X2X3

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance in regression model

表4 回归模型中的参数估计及显著性检验Table 4 Parameter estimation and significance testin regression model

2.3 响应面和等高线图分析

由表3的反应因素方差分析表明：pH 值（X1）和温度（X3）对镉降低率有显著影响，由大到小依次为：温度（X3）＞pH 值（X1）＞FeSO4添加量（X2）；pH 值（X1）对蛋白质存留率具有显著影响，影响由强到弱依次为：pH 值（X1）＞温度（X3）＞FeSO4添加量（X2）；pH 值（X1）能显著影响总糖存留率，从大到小依次为：pH 值（X1）＞温度（X3）＞FeSO4添加量（X2）。

因此选择pH 值（X1）和温度（X3）作为分析的2 个变量因子。将FeSO4添加量（X2）的0 水平代进回归方程Y1中，得到二次多项式Y11，绘制得图1。

Y11=1851.145-479.35X1+6.057792X3+29.154167X12-0.009427X32-0.3875X1X3

选择pH 值（X1）和温度（X3）作为分析的2 个变量因子。将FeSO4添加量（X2）的0 水平代进回归方程Y2中，得到二次多项式Y21，绘制得图2。

Y21=-267.64955+103.1252X1-1.389458X3-6.383333X12+0.009354X32-0.01125X1X3

选择pH 值（X1）和温度（X3）作为分析的2 个变量因子。将FeSO4添加量（X2）的0 水平代进回归方程Y3中，得到二次多项式Y31，绘制得图3。

Y31=-313.629193+107.125X1-0.357108X3-6.458333X12+0.005542X32-0.06375X1X3

由图1可知，当pH 值和温度上升时，镉降低率明显增加。由图2和图3可知，图型均为鞍形图，pH 值在8 附近，蛋白质和总糖存留率达到最大，而温度的适用范围较广。

2.4 综合评定确定最佳加工条件

由于本试验以镉含量超过0.1 mg/kg 的贻贝蒸煮汁为研究对象，并且在加工的同时主要影响蒸煮液风味的因素是多糖和蛋白质，故综合考虑选择pH 值为8.0。温度对镉降低率的作用强度从图1可知，故将温度设定为90 ℃，带入Y1的方程：Y1=-0.000504X22+0.450444X2-23.8607，由Y1′=0.450444-0.001008X2，求得FeSO4添加量为447 mg/70 mL。因此当pH 值为8.0，温度为90 ℃，FeSO4添加量为447 mg/70 mL 时，求得：镉降低率Y1=76.8%，蛋白质存留率Y2=90.4%，总糖存留率Y3=96.9%。为了验证响应面分析的准确性和可靠性，根据分析结果做3 次平行验证试验，当溶液pH 值为8.0，反应温度为90 ℃，FeSO4添加量为447 mg/70 mL 时，经铁氧体法处理后测得贻贝蒸煮液镉降低率Y1=75.4%，蛋白质存留率Y2=89.0%，总糖存留率Y3=95.2%，与响应面分析所得的理论数据相接近，因此响应面分析所得结论可行有效。

图1 pH 值和温度的镉降低率响应面和等高线图Fig.1 Response surface and contour plots for the cadmium reduced ratio of pH value and temperature

图2 pH 值和温度的蛋白质存留率响应面和等高线图Fig.2 Response surface and contour plots for the protein residual ratio of pH value and temperature

图3 pH 值和温度的总糖存留率响应面和等高线图Fig.3 Response surface and contour plots for the total-sugar residual ratio of pH value and temperature

3 结论

本试验采用铁氧体法降低贻贝蒸煮液中含有的超量重金属镉，调节溶液的pH 值、反应温度、FeSO4添加量这3 个因素，以镉含量的减少量、蛋白质残留量和总糖的残留量为判断指标，通过二次回归正交组合试验，对铁氧体法减少贻贝蒸煮液中重金属镉的作用和工艺条件进行探究。试验结果表明，在降低镉的效果方面，pH 值和温度的影响要显著大于FeSO4添加量，对于总糖存留率与蛋白质存留率来说，pH 值是显著影响因素。经过SAS 的响应面分析并验证得到，当溶液pH 值为8.0，反应温度为90 ℃，FeSO4添加量为447 mg/70 mL 时，铁氧体法技术能有效降低贻贝蒸煮液中重金属镉的含量。本试验采用铁氧体法降低贻贝蒸煮液的镉含量，不仅提高贻贝蒸煮液的副产物利用价值，开拓了销售通路，为降低水产品及其副产物中的重金属超标提供可行的思路和方法。