酸溶聯(lián)用發(fā)酵技術(shù)脫除大米中鎘的工藝優(yōu)化

傅亞平，劉　陽，吳衛(wèi)國*，王巨濤

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128；2.長沙好韻味實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，湖南長沙410129）

酸溶聯(lián)用發(fā)酵技術(shù)脫除大米中鎘的工藝優(yōu)化

傅亞平1，劉陽1，吳衛(wèi)國1*，王巨濤2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128；2.長沙好韻味實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，湖南長沙410129）

為了進(jìn)一步提高大米中重金屬鎘的脫除率，快速緩解鎘超標(biāo)大米的利用問題，該文采用酸溶-發(fā)酵技術(shù)脫除大米中的重金屬鎘，在前期研究的基礎(chǔ)上，固定發(fā)酵技術(shù)參數(shù)，研究酸浸條件對鎘脫除率的影響。結(jié)果表明：乳酸溶液為大米粉浸泡液，浸泡時間12 h，響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳工藝條件為浸泡溫度44.2℃，酸液體積分?jǐn)?shù)48%，液料比9∶1（mL∶g）；在最佳工藝條件下處理鎘含量為0.647 9 mg/kg的大米，鎘的脫除率可達(dá)98.01%，與模型預(yù)測值相近，且大米粉中鎘的殘留量遠(yuǎn)低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)。因此，該方法不僅能有效提高大米中重金屬鎘的脫除率，還能為解決鎘超標(biāo)大米的利用問題提供一定的技術(shù)支持。

酸溶技術(shù)；鎘；大米；發(fā)酵；響應(yīng)面法

中國不僅是稻米的生產(chǎn)大國，更是稻米的消費(fèi)大國，全國2/3的人口以大米為主食［1］。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，重金屬鎘正通過污染土壤侵入大米，大米中鎘的污染問題日益嚴(yán)重。由于稻米對鎘的富集能力較強(qiáng)，重金屬鎘可以通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，從而對人體產(chǎn)生急性或慢性毒害作用［2］。所以研究如何脫除大米中的重金屬鎘亟待解決。目前，有關(guān)于治理大米中重金屬鎘污染的報(bào)道和技術(shù)成果頗多，但主要集中在大米的加工技術(shù)方面，如浸泡、蒸煮、礱谷、碾米、大米淀粉的提取和大米蛋白的提取等。一些學(xué)者通過試驗(yàn)證明礱谷、碾米、浸泡、淘洗、加熱處理都能在一定程度上降低大米中的鎘含量，但重金屬鎘的脫除率較低［1，3-5］。利用堿法或酶法制得大米淀粉和大米蛋白產(chǎn)品后，重金屬鎘的脫除率雖然可達(dá)80%以上，但該方法操作復(fù)雜，成本相對較高，且大米淀粉和蛋白產(chǎn)品的品質(zhì)較差［4］。很多研究認(rèn)為［6-8］，有機(jī)酸可以與重金屬鎘結(jié)合形成可溶性絡(luò)合物來增加鎘的移動性。因此，該研究在前期研究的基礎(chǔ)上，固定最佳發(fā)酵工藝參數(shù)［9］，在進(jìn)行乳酸菌發(fā)酵處理之前，將鎘超標(biāo)的精米先經(jīng)過酸液浸泡的預(yù)處理，研究酸溶聯(lián)用發(fā)酵技術(shù)對大米中鎘的脫除效果，考察酸浸條件對鎘脫除率的影響，并對酸液浸泡條件進(jìn)行優(yōu)化，以期進(jìn)一步提高大米中鎘的脫除率。脫鎘后的大米粉可以用作飼料工業(yè)的糧食原料，為“鎘大米”的安全轉(zhuǎn)化提供一定的技術(shù)支持。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

早秈米（精米，含水率13.41%，鎘含量0.647 9 mg/kg）：2013年產(chǎn)于湖南省湘陰縣。

戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）（編號：CCC 22737）和植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）（編號：CICC 21805）：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

乳酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、乙酸、草酸均為食品級，鹽酸（分析純）、硝酸（優(yōu)級純）、高氯酸（優(yōu)級純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；MRS肉湯：廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；1 000 μg/mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液：中國計(jì)量科學(xué)研究院；試驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2儀器與設(shè)備

Q-100AZ高速多功能粉碎機(jī)：上海冰都電器有限公司；SHZ-B水浴恒溫振蕩器：上海浦東物理光學(xué)儀器廠；TD5A臺式低速離心機(jī)：湖南赫西儀器設(shè)備有限公司；AUY220電子天平、AA-7000原子吸收分光光度計(jì)：日本島津公司；SPX-250BS-Ⅱ生化培養(yǎng)箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；101A-3ET電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；DK電砂浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；LDZX-50FBS立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；明澈-D24UV超純水機(jī)：美國Milipore公司。

1.3方法

1.3.1酸溶-發(fā)酵脫除大米中鎘的工藝流程及操作要點(diǎn)

鎘超標(biāo)大米→粉碎過篩→酸液浸泡→離心分離→洗米3次→加菌種發(fā)酵→離心分離→洗米3次→干燥→低鎘含量的大米粉樣品

粉碎過篩：在前期優(yōu)化發(fā)酵試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，取10 g鎘含量0.647 9 mg/kg大米粉碎過60目篩。

酸液浸泡：將過篩后的大米粉加入到離心管中，再加入酸液40 mL（pH為1.93），將其搖勻后置于35℃水浴中振蕩處理24 h（對照組不進(jìn)行酸液浸泡處理，直接在相同的條件下接種乳酸菌發(fā)酵）（旋轉(zhuǎn)振蕩頻率為175次/min）。

離心分離：酸液浸泡完后，將混合物以3 500 r/min離心5 min，濾除上清液。

洗米：向?yàn)V渣中加入3倍大米粉質(zhì)量的去離子水，將其充分混勻后離心分離（3 500 r/min、5 min，收集濾渣，加去離子水重復(fù)洗米3次。

接種發(fā)酵：再向脫水后的大米粉中加入去離子水，去離子水與大米粉的比例為4∶1（mL∶g），混勻后制成大米漿液，將活化后的乳酸菌懸液（乳酸菌濃度達(dá)到2×109CFU/mL）分別接種到大米漿液中，植物乳桿菌菌懸液的接種量為2%（V/V），戊糖片球菌菌懸液的接種量為1%（V/V），離心管密封后置于40℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置發(fā)酵24 h［9］。

離心分離：待發(fā)酵完后，將混合物3 500 r/min離心5 min，濾除發(fā)酵液。

洗米：再加3倍大米粉質(zhì)量的去離子水洗米，將其充分混勻后離心分離（3 500 r/min、5 min），重復(fù)水洗3次。

干燥保存：脫水后的濕渣置于45℃熱風(fēng)干燥箱中干燥至恒質(zhì)量（水分含量為11%～13%），用自封袋密封后放置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆茫?］。

1.3.2酸液種類的確定

考察乳酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、酒石酸、草酸、鹽酸對大米中重金屬鎘的脫除效果，初步固定酸液pH值為1.93（各酸的體積分?jǐn)?shù)根據(jù)此pH確定），酸浸溫度為35℃，浸泡時間為24 h，液料比為4∶1（mL∶g）的試驗(yàn)條件，通過比較大米中鎘的脫除率，從而確定出最佳的酸液種類。

1.3.3單因素試驗(yàn)

用酸溶技術(shù)聯(lián)合乳酸菌發(fā)酵技術(shù)脫除大米中的重金屬鎘，在前期試驗(yàn)中已確定最佳的發(fā)酵工藝條件，在1.3.1工藝條件下，以1.3.2確定的酸液種類為浸泡液，分別考察酸液體積分?jǐn)?shù)、浸泡溫度、浸泡時間和液料比4個因素對重金屬鎘的脫除率的影響。

1.3.4響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證性試驗(yàn)

由單因素試驗(yàn)確定影響鎘脫除率的主要因素和最佳水平范圍，根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面法設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，選擇浸泡溫度（40℃、45℃、50℃）、酸液體積分?jǐn)?shù)（30%、40%、50%）和液料比（6∶1、8∶1、10∶1（mL∶g）），計(jì)算大米中鎘的脫除率。利用Design-Expert8.0.6軟件分析獲得最佳的工藝參數(shù)，在最優(yōu)的工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，所有數(shù)據(jù)均平行測定3次，用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。

1.3.5鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

參照國標(biāo)方法并作改進(jìn)，在以2 μL（20 g/L）磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑的條件下，繪制吸光度值與鎘含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程為：

式中：C表示樣品中鎘的質(zhì)量濃度，ng/mL；A表示樣品的吸光度值［9-10］。

1.3.6鎘含量的測定流程及要點(diǎn)

稱樣→濕法消解→趕酸→定容→上機(jī)測定→計(jì)算鎘含量

稱樣：用天平稱取大米粉樣品約0.5 g，精確至0.000 1 g，置于50 mL錐形瓶中。

濕法消解：向盛有樣品的錐形瓶中加入10 mL消解液（硝酸8.5 mL+高氯酸1.5 mL），加蓋浸泡過夜，次日于沙浴鍋上消解，若黃煙冒盡，消化液仍呈渾濁狀，則應(yīng)再加入消解液繼續(xù)消化，直至消化液呈無色透明或淡黃色。

趕酸：待樣品消化完后，置于電熱板上趕酸，直至白煙冒盡溶液呈淡黃色或無色透明近干為止，取下放冷，加入少量去離子水置于電熱板上再次趕酸，待白煙冒盡溶液近干，取下放冷。

定容：用去離子水將錐形瓶中消化液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，并定容至刻度，混勻備用。

上機(jī)測定：參照國標(biāo)GB 5009.15—2014《食品中鎘的測定》方法并作改進(jìn)，在以2 μL（20 g/L）磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑的條件下，利用石墨爐原子吸收光譜法對重金屬鎘元素進(jìn)行測定［9-10］。大米粉樣品中的鎘含量計(jì)算公式如下：

式中：X為樣品中鎘含量，mg/kg；A1為樣品消化液中鎘的質(zhì)量濃度，ng/mL；A2為空白液中鎘的質(zhì)量濃度，ng/mL；V為樣品消化液總體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g。

大米粉樣品中的鎘脫除率計(jì)算公式如下：

式中：Y為樣品的鎘脫除率，%；X1為原料米中的鎘含量，mg/kg；X2為樣品中的鎘含量，mg/kg。

2　結(jié)果與分析

2.1酸液種類的確定

初步固定酸浸條件為酸液pH值1.93，浸泡溫度35℃，浸泡時間24 h，液料比4∶1（mL∶g）。分別選擇乳酸、乙酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、草酸和鹽酸7種酸，考察不同酸處理對大米中鎘的脫除率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1　酸種類對鎘脫除率的影響Fig.1 Effect of acid species on removal rate of cadmium

由圖1可知，利用上述7種酸液在相同條件下聯(lián)合發(fā)酵技術(shù)分別處理同一種大米后，重金屬鎘含量均顯著降低，且鎘的脫除率均高達(dá)70%以上。除草酸外，其余6種酸所對應(yīng)的鎘脫除率均顯著高于對照組（P＜0.05），說明在乳酸菌發(fā)酵大米之前，先利用乳酸、乙酸、蘋果酸、酒石酸、檸檬酸或鹽酸對大米進(jìn)行浸泡預(yù)處理，能顯著降低其中的鎘含量。這可能與酸液形成的低pH環(huán)境有關(guān)［1］，酸液的浸泡作用能使大米粉顆粒結(jié)構(gòu)變疏松［11］，酸液的殘留能降低發(fā)酵液的初始pH，加快乳酸菌的生長繁殖，進(jìn)一步促進(jìn)大米中鎘元素的溶出。乳酸使鎘脫除的效果要勝過無機(jī)酸鹽酸以及其他有機(jī)酸乙酸、檸檬酸、酒石酸等，并且這7種酸的pH相同，這說明對重金屬鎘元素的溶出不主要是酸中氫離子的作用，可能與乳酸的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)［12］，乳酸分子內(nèi)部具有α-羥基和羧基，有報(bào)道指出羧基與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(jìn)蛋白質(zhì)溶出的原因［12］，從而使大部分鎘元素以蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)形式一起溶出。因此，選擇乳酸溶液作為后續(xù)試驗(yàn)的浸泡液。

2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1酸液體積分?jǐn)?shù)對鎘的脫除效果的比較

在確定乳酸為酸浸泡液后，固定浸泡溫度為35℃，浸泡時間為24 h，液料比為4∶1（mL∶g）的試驗(yàn)條件，研究乳酸體積分?jǐn)?shù)分別為1%、10%、20%、30%、40%和50%時，大米中重金屬鎘的脫除率。乳酸體積分?jǐn)?shù)與鎘脫除率之間的關(guān)系見圖2。

圖2　乳酸體積分?jǐn)?shù)對鎘脫除率的影響Fig.2 Effect of lactic acid concentration on the removal rate of cadmium

由圖2可知，當(dāng)乳酸體積分?jǐn)?shù)增加至40%時，鎘的脫除率最高，隨著乳酸體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，鎘脫除率反而下降。這可能是因?yàn)槿樗狍w積分?jǐn)?shù)過大導(dǎo)致浸泡液黏度增加，使溶質(zhì)的擴(kuò)散能力降低，從而造成鎘脫除率下降［13］。乳酸體積分?jǐn)?shù)對鎘脫除率的影響顯著（P＜0.05），且試驗(yàn)組對應(yīng)的鎘脫除率均顯著高于對照組（P＜0.05），這說明，當(dāng)乳酸體積分?jǐn)?shù)為1%～50%時，利用乳酸聯(lián)用發(fā)酵技術(shù)比單獨(dú)用乳酸菌發(fā)酵技術(shù)的脫鎘效果好，且最優(yōu)的乳酸體積分?jǐn)?shù)范圍為30%～50%。

2.2.2浸泡溫度對鎘的脫除效果的比較

固定酸液種類為乳酸，酸液體積分?jǐn)?shù)為10%，浸泡時間為24 h，液料比為4∶1（mL∶g）的試驗(yàn)條件，分別選擇浸泡溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃6個水平進(jìn)行比較試驗(yàn)，考察浸泡溫度對鎘脫除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　浸泡溫度對鎘脫除率的影響Fig.3 Effect of leaching temperature on the removal rate of cadmium

由圖3可知，浸泡溫度對鎘脫除率的影響顯著（P＜0.05），且對照組的鎘脫除率顯著低于試驗(yàn)組（P＜0.05），再次說明大米在乳酸菌發(fā)酵之前，先經(jīng)過酸液的浸泡預(yù)處理，能進(jìn)一步顯著提高鎘的脫除率（P＜0.05）。當(dāng)酸浸溫度達(dá)到45℃時，鎘的脫除率最高。浸泡溫度過低時，溶質(zhì)的擴(kuò)散速度下降，鎘的遷移速率也隨之降低［13］；浸泡溫度過高時，大米粉中部分淀粉糊化，增加了溶液的黏度，使溶質(zhì)的擴(kuò)散能力降低，糊化的淀粉顆粒更容易吸水膨脹，形成緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，并包埋住蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)元素，從而抑制鎘的溶出［11］。因此，選擇40～50℃為浸泡溫度的優(yōu)化范圍。

2.2.3浸泡時間對鎘的脫除效果的比較

固定酸液種類為乳酸，乳酸體積分?jǐn)?shù)為10%，浸泡溫度為35℃，液料比為4∶1（mL∶g）的試驗(yàn)條件，分別選擇浸泡時間為6 h、12 h、18 h、24 h、30 h和36 h 6個水平進(jìn)行比較試驗(yàn)，考察浸泡時間對鎘脫除率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　浸泡時間對鎘脫除率的影響Fig.4 Effect of leaching time on the removal rate of cadmium

由圖4可知，浸泡時間對鎘脫除率影響不顯著（P＞0.05），且試驗(yàn)組的鎘脫除率均顯著高于對照組（P＜0.05）。利用10%乳酸溶液作為試驗(yàn)浸泡液時，隨著酸浸時間的增加，鎘的脫除率逐漸增加，當(dāng)浸泡時間達(dá)到12 h時，隨著酸浸時間的進(jìn)一步增加，鎘的脫除率并沒有顯著增加（P＞0.05），因此，從考慮能耗和經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，后續(xù)試驗(yàn)的酸浸時間選擇12 h為宜。

2.2.4液料比對鎘的脫除效果的比較

固定酸液種類為乳酸，酸液體積分?jǐn)?shù)為10%，浸泡溫度為35℃，浸泡時間為24 h的試驗(yàn)條件，分別選擇液料比為1∶1、2∶1、4∶1、6∶1、8∶1和10∶1（mL∶g）6個水平進(jìn)行比較試驗(yàn)，考察液料比對鎘脫除率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5　液料比對鎘脫除率的影響Fig.5 Effect of liquid-solid ratio on the removal rate of cadmium

由圖5可知，液料比對鎘脫除率的影響顯著（P＜0.05），除液料比為1∶1（mL∶g）外，其余試驗(yàn)組的鎘脫除率均顯著高于對照組（P＜0.05）。這說明，在大米粉質(zhì)量一定的情況下，浸泡酸液的體積過小會影響后續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)的脫鎘效果。從圖5可知，隨著液料比的增大，酸液量增多，大米粉顆粒與酸液充分接觸，鎘的溶出量也逐漸增大，當(dāng)液料比達(dá)到8∶1（mL∶g）時，隨著液料比的繼續(xù)增加，鎘脫除率的增加不顯著（P＞0.05），此時，鎘的溶出量已基本達(dá)到飽和。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益問題，選擇優(yōu)化的液料比范圍為6∶1～10∶1（mL∶g）為宜。

2.3響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1響應(yīng)面試驗(yàn)分析和多元二次回歸方程的建立

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對浸泡溫度、酸液體積分?jǐn)?shù)和液料比3個因素進(jìn)行優(yōu)化，以鎘脫除率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，總共17個處理組，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見表1。

表1中的試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過Design-Expert8.0.6軟件中的ANOVA程序分析后，得到各影響因子對響應(yīng)值影響的多元回歸方程模型為：

Y=97.59+0.47A+1.27B+0.30C+0.21AB-0.14AC-0.25BC-0.98A2-0.49B2-0.37C2，對擬合的回歸方程進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2和表3所示。

表1　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 1 Experimental design and results of Box-Behnken

表2　回歸模型的方差分析Table 2 Analysis of variance for regression model

表3　回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 3 Regression coefficients and their significance

通過表2可以看出，該回歸方程模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），且模型決定系數(shù)R2=0.995 9，校正決定系數(shù)R2Adj=0.990 6，說明回歸方程的擬合度較好，失擬性小，能夠真實(shí)的反映出鎘脫除率與浸泡溫度、酸液體積分?jǐn)?shù)和液料比之間的關(guān)系［14-16］。因此，可以用該模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對鎘脫除率進(jìn)行分析和預(yù)測。

由表3可知，對回歸方程模型進(jìn)行方差分析，模型的一次項(xiàng)A（浸泡溫度）、B（酸液體積分?jǐn)?shù)）、C（液料比）、交互項(xiàng)AB、BC及二次項(xiàng)A2、B2、C2對響應(yīng)值Y（鎘脫除率）的影響極顯著（P＜0.01），表明浸泡溫度、液料比和酸液體積分?jǐn)?shù)都是影響鎘脫除率的重要因素。比較表3中各因素的F值大小，可知3個因素對鎘脫除率影響的主次順序?yàn)槿樗狍w積分?jǐn)?shù)＞浸泡溫度＞液料比。由P值可知，浸泡溫度（A）和酸液體積分?jǐn)?shù)（B）的交互作用以及酸液體積分?jǐn)?shù)（B）和液料比（C）的交互作用對鎘脫除率的影響極顯著，液料比（C）和浸泡溫度（A）的交互作用對鎘脫除率的影響不顯著。

2.3.2模型交互作用分析

為了更直觀地反映兩兩因素間的交互作用對鎘脫除率的影響，利用Design-Expert.8.0.6軟件作出浸泡溫度、乳酸體積分?jǐn)?shù)與鎘脫除率以及液料比、酸液體積分?jǐn)?shù)與鎘脫除率構(gòu)成的等高線圖和響應(yīng)曲面圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6乳酸含量、浸泡溫度、液料比交互作用對鎘脫除率影響的等高線和響應(yīng)面Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between lactic acid concentration，leaching temperature，liquid-solid ratio on cadmium removal ratio

圖6直觀地反映了浸泡溫度與乳酸體積分?jǐn)?shù)的交互作用及乳酸體積分?jǐn)?shù)與液料比的交互作用。由圖6中的響應(yīng)曲面圖可以看出，在設(shè)定的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，固定乳酸體積分?jǐn)?shù)為某一值，鎘的脫除率隨著浸泡溫度的上升呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢，這可能是因?yàn)闇囟冗^低時，溶液中分子的運(yùn)動和擴(kuò)散速度降低，溫度過高時，大米粉中部分淀粉糊化，導(dǎo)致溶液黏度增加，鎘的遷移量減少［11，13］；固定浸泡溫度為定值時，鎘脫除率隨著乳酸體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，當(dāng)乳酸體積分?jǐn)?shù)為50%、浸泡溫度在45℃附近時，鎘脫除率出現(xiàn)最大值；在設(shè)定的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，固定液料比為某一定值，隨著乳酸體積分?jǐn)?shù)的增大，鎘的脫除率不斷增大；固定乳酸體積分?jǐn)?shù)為某一值時，隨著液料比的不斷增大，鎘脫除率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)乳酸體積分?jǐn)?shù)為50%、液料比在8∶1（mL∶g）附近時，鎘的脫除率有最大值。因此，乳酸體積分?jǐn)?shù)是影響鎘脫除率的主要因素，這可能是因?yàn)樗嵋旱慕葑饔媚苁勾竺追垲w粒結(jié)構(gòu)變疏松，乳酸的殘留能降低發(fā)酵液的初始pH值，加快乳酸菌的生長繁殖，進(jìn)一步促進(jìn)大米中鎘元素的溶出［11］。

2.3.3工藝條件的優(yōu)化與驗(yàn)證

由回歸方程預(yù)測的最佳工藝條件為：浸泡溫度44.15℃，乳酸體積分?jǐn)?shù)48.10%，液料比8.62∶1（mL∶g），且模型預(yù)測的鎘脫除率的最大值為98.17%。考慮到實(shí)際操作的可行性，將最佳工藝條件調(diào)整為：浸泡溫度44.2℃，乳酸體積分?jǐn)?shù)48%，液料比9∶1（mL∶g），在修正后的最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，測得鎘脫除率的均值為98.01%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.18%，且實(shí)際值與理論值之間的擬合性較好，說明基于該回歸模型得到的優(yōu)化工藝參數(shù)是合理可靠的。在酸浸發(fā)酵后的大米粉中，鎘的殘留量為0.012 89 mg/kg，低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg。

3　結(jié)論

該文利用酸溶-發(fā)酵技術(shù)脫除大米中的重金屬鎘，在前期研究的基礎(chǔ)上，固定發(fā)酵技術(shù)參數(shù)，研究酸液浸泡條件對鎘脫除率的影響。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乳酸溶液為適宜的大米浸泡液，單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：液料比、浸泡溫度和乳酸體積分?jǐn)?shù)對鎘脫除率的影響極顯著（P＜0.01），影響的主次順序?yàn)槿樗狍w積分?jǐn)?shù)＞浸泡溫度＞液料比，其中浸泡時間影響不顯著（P＞0.05），因此，在后續(xù)試驗(yàn)中固定浸泡時間為12 h。響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳工藝條件為：浸泡溫度44.2℃，乳酸體積分?jǐn)?shù)48%，液料比9∶1（mL∶g）；此條件下處理鎘含量為0.647 9 mg/kg的大米，測得的鎘脫除率為98.01%，大米粉中鎘的殘留量為0.012 89 mg/kg，低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg。而對照組大米不經(jīng)過酸液浸泡，直接采用乳酸菌發(fā)酵技術(shù)處理，鎘的脫除率只有85.73%，說明大米在一定條件下經(jīng)過乳酸溶液浸泡后，能有效提高后續(xù)乳酸菌發(fā)酵脫鎘的效果。因此，該方法不僅能有效提高大米中重金屬鎘的脫除率，還能為解決鎘超標(biāo)大米的利用問題提供一定的技術(shù)支持。

［1］劉晶，任佳麗，林親錄，等.大米浸泡過程中重金屬遷移規(guī)律研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（5）：66-67，79.

［2］賈廣寧.重金屬污染的危害與防治［J］.有色礦冶，2004，1（1）：39-42.

［3］MIHUCZA V G，SILVERSMITC G，SZALóKI I，et al.Removal of some elements from washed and cooked rice studied by inductively coupled plasma mass spectrometry and synchrotron based confocal micro-X-ray fluorescence［J］.Food Chem，2010，121（1）:290-297.

［4］田陽.稻米加工技術(shù)對產(chǎn)品鎘含量的影響［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士論文，2013.

［5］SHINDOH K，YASUI A.Changes in cadmium concentration in rice during cooking［J］.Food Sci Technol Res，2003，9（2）:193-196.

［6］王金貴，呂家瓏，李宗仁.小分子有機(jī)酸對六種典型土壤中鎘吸附-解吸的影響［J］.土壤通報(bào)，2013，44（6）：1501-1507.

［7］吳曉萍，梁鵬，徐慧，等.檸檬酸提取貝肉勻漿液中重金屬鎘的初步研究［J］.食品研究與開發(fā)，2011，32（5）：156-158.

［8］薄云川，張洪召，劉尚鵬，等.響應(yīng)面法優(yōu)化食品包裝內(nèi)襯紙中可轉(zhuǎn)移性重金屬醋酸的提取條件［J］.食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào)，2014，5（7）：2220-2225.

［9］傅亞平，廖盧艷，劉陽，等.乳酸菌發(fā)酵技術(shù)脫除大米粉中鎘的工藝優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（6）：319-326.

［10］中華人民共和國衛(wèi)生部.GB/T 5009.15—2003食品中鎘的測定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［11］丁文平，王月慧.浸泡發(fā)酵對米粉體系理化特性的影響［J］.食品工業(yè)，2005（3）：5-7.

［12］閔偉紅.乳酸菌發(fā)酵改善米粉食用品質(zhì)機(jī)理的研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士論文，2003.

［13］王新紅，李雪梅，蔡晨，等.離子液體提取山楂綠原酸的工藝優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（10）：270-276.

［14］吳雨靜，杜先鋒.響應(yīng)面法優(yōu)化米渣發(fā)泡蛋白制備工藝的研究［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2012，27（9）：96-101，106.

［15］許鍵，蔡慧農(nóng)，倪輝，等.殼聚糖澄清蘆柑果汁工藝條件的優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（23）：268-275.

［16］王振斌，劉加友，馬海樂，等.無花果多糖提取工藝優(yōu)化及其超聲波改性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（10）：262-269.

Optimization of acid leaching process combined fermentation technology for cadmium removal in rice

FU Yaping1，LIU Yang1，WU Weiguo1*，WANG Jutao2
（1.College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Changsha Haoyunwei Industrial Development Co.，Ltd.，Changsha 410129，China）

In order to further improve the removal rate of cadmium in rice and rapidly relieve the cadmium excessive rice utilization，in the paper，the heavy metal cadmium in rice was removed by acid leaching-fermentation technology.On the basis of previous researches，fermentation parameters were fixed，the effect of acid leaching conditions on the removal rate of cadmium was studied.The results showed that lactic acid was selected as suitable leaching solution from seven kinds of acids，and leaching time was selected as 12 h.The optimum acid leaching conditions were obtained with leaching temperature 44.2℃，acid concentration 48%，liquid-solid ratio 9∶1（ml∶g）by response surface method.Under the optimal conditions，rice with 0.647 9 mg/kg cadmium was treated，and the cadmium removal ratio was 98.01%，which was close to the predictive value.And the cadmium residue content in processed rice powder was much lower than the National limits.Thus，this method not only can efficiently improve the removal rate of cadmium in rice，but also could provide a certain technical support to resolve the problem of cadmium excessive rice utilization.

acid leaching technology；cadmium；rice；fermentation；response surface method

TS210.4

A

0254-5071（2015）10-0062-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.10.014

2015-09-14

湖南省高等學(xué)校“2011”協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目（湘教通［2013］448號）；長沙市科技重大專項(xiàng)（K404036-21）；“重金屬污染耕地治理修復(fù)機(jī)理及技術(shù)模式優(yōu)化集成”項(xiàng)目（農(nóng)辦財(cái)函［2015］38號）

傅亞平（1990-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食深加工及開發(fā)利用。

吳衛(wèi)國（1968-），男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食深加工及開發(fā)利用。