精米中重金屬As、Cd和Pb殘留量分布的響應(yīng)面預(yù)測(cè)研究

鞠興榮 丁哲慧 高瑀瓏 袁 建 何 榮

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023)

精米中重金屬As、Cd和Pb殘留量分布的響應(yīng)面預(yù)測(cè)研究

鞠興榮 丁哲慧 高瑀瓏 袁 建 何 榮

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023)

為了探究糙出白率和糙米重金屬含量初始值與精米中重金屬含量的關(guān)系，研究糙出白率與重金屬去除率的關(guān)系。結(jié)果表明Pb元素在水稻中分布最不均勻，在糙出白率為83.09%時(shí)，Pb去除率最大；但當(dāng)糙出白率為75.36時(shí)，大米加工精度達(dá)到1級(jí)，3種重金屬中As的去除率最大為37.48%，Cd的去除率最低為20.71%，Pb去除率為41.40%。并采用精米的糙出白率和糙米中重金屬As、Cd、Pb二因素五水平的中心組合設(shè)計(jì)(Central Composite Design)的響應(yīng)面法(Response Surface Methodology)，建立了精米中重金屬As、Cd、Pb的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了模型的有效性，并考察了糙出白率的和糙米中初始重金屬As、Cd、Pb的含量對(duì)精米中重金屬元素的影響；模型驗(yàn)證試驗(yàn)表明，試驗(yàn)值與擬合值無(wú)顯著性差異(P<0.05)，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果可靠有效。

糙出白率 糙米 重金屬含量 As Cd Pb

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重金屬污染日趨嚴(yán)重，包括含Hg(汞)、Cd(鎘)、Cr(鉻)、Pb(鉛)及As(砷)等生物毒性顯著的重金屬元素及其化合物對(duì)土壤、水質(zhì)和空氣等的污染，其中As雖然不是金屬元素，但其來(lái)源及危害都與重金屬相似，因此將其歸為重金屬研究范疇內(nèi)。監(jiān)測(cè)和防治重金屬的污染已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。重金屬的污染是威脅人類(lèi)健康的主要問(wèn)題之一，尤其是通過(guò)水稻、小麥等谷物的遷移即食物鏈富集。水稻在糧食作物中對(duì)Cd的富集能力較強(qiáng)，對(duì)大米生產(chǎn)、加工及質(zhì)量安全構(gòu)成了潛在威脅[1-3]。研究表明，我國(guó)受重金屬污染的耕地約占耕地面積的1/5[4]。GB 2762—2012規(guī)定成品糧中砷、鎘、鉛含量以As、Cd、Pb計(jì)不得超過(guò)0.02 mg/kg[5]。2002年對(duì)全國(guó)市場(chǎng)稻米安全性抽檢結(jié)果表明，Pb是稻米中超標(biāo)最嚴(yán)重的重金屬，超標(biāo)率為28.4%；其次是Cd，超標(biāo)率為10.3%;As超標(biāo)率為2.8%。因此，研究減少水稻籽粒中重金屬含量的方法，降低大米的重金屬污染，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。已有研究表明，經(jīng)過(guò)不同的精工精度可以去除部分重金屬[6-10]，但糙出白率與大米中重金屬含量的關(guān)系鮮有研究。

本研究通過(guò)采用中心組合設(shè)計(jì)法(Central Composite Design)，研究精米中的重金屬含量的變化情況，該方法是一種五水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，在國(guó)際上較為常用。中心組合法能夠在有限的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)，對(duì)影響生物過(guò)程的關(guān)鍵因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，以獲得影響過(guò)程的規(guī)律[11-13]。通過(guò)研究糙米中重金屬初始含量、糙出白率對(duì)精米中重金屬含量的影響，建立精米中As、Cd、Pb元素含量的的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，以期通過(guò)糙米中重金屬初始含量和碾米精度來(lái)預(yù)測(cè)大米中重金屬的去除，為其在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑

蘇丹紅-Ⅲ、乙醇(99.5%，優(yōu)級(jí)純)、硝酸(65%，優(yōu)級(jí)純)、H2O2(30%優(yōu)級(jí)純)、Pb、Cd、As單一元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心、國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；生物標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)大米GBW10010：地質(zhì)礦產(chǎn)部物化探研究所。

1.2 儀器設(shè)備

MARS微波消解儀：美國(guó)培安公司；7700xICP-Ms：安捷倫科技有限公司；JGMJ8098礱米機(jī)；上海嘉定糧油儀器有限公司；JNMJ6碾米機(jī):江蘇省臺(tái)州市儀器廠(chǎng)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水稻加工方法

稻谷經(jīng)礱谷得糙米和穎殼。糙米經(jīng)碾米得精米和米糠。通過(guò)調(diào)節(jié)碾米時(shí)間，控制糙出白率，得不同糙出白率下的精米樣品。

1.3.2 加工精度的檢驗(yàn)

參照GB/T 5502—2008，采用染色法對(duì)不同碾米時(shí)間所得大米進(jìn)行加工加工精度檢驗(yàn)。

1.3.3 樣品消解

樣品經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目篩，精確稱(chēng)取0.5 g置于消解罐內(nèi)，并加入5 mL硝酸，靜置1 h，加入2 mL過(guò)氧化氫。按表1試驗(yàn)條件進(jìn)行微波消解。微波消解完畢后，將消解液冷卻后取出，放置加熱板加熱至160 ℃趕酸，直至黃煙冒盡，轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶?jī)?nèi)，用2.0%硝酸定容待測(cè)，同時(shí)做空白，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品大米GBW10010進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)照[12-13]。

表1 CEM MARS微波消解條件

1.3.4 重金屬含量測(cè)定

樣品As、Cd、Pb含量采用ICP-MS測(cè)定，ICP-MS工作參數(shù)設(shè)置參照SN/T 0448—2011的方法[14]。

1.3.5 重金屬去除率計(jì)算

重金屬去除率按公式計(jì)算：

式中：D為去除率/%；W為去除部位質(zhì)量/g；c為去除部位質(zhì)量濃度/mg/kg；W0為總質(zhì)量/g；c0為總質(zhì)量濃度/mg/kg。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Central Composite Design模型，以糙米重金屬含量的初始值、糙出白率為主要的考察因子(自變量)，以X1表示糙出白率，以X12、X22、X32糙米中As、Cd、Pb的含量，并以+1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平，按方程xji=(Xij-X0)/X對(duì)自變量進(jìn)行編碼。其中，xij為自變量的編碼值，Xij為自變量的真實(shí)值，X0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值，X為自變量的變化步長(zhǎng)，因子編碼及水平見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素水平及編碼

注：x1=(X1-85.58)/3.11;x12=(X12-175.30)/44.97;x22=(X22-720.72)/340.1;x32=(X32-175.00)/169.7。

精米中As、Cd、Pb含量Y1、Y2、Y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)(響應(yīng)值)，設(shè)不同糙出白率條件下精米中As、Cd、Pb含量的預(yù)測(cè)模型由最小二乘法擬合的二次多項(xiàng)方程分別為(1)、(2)、(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：A0、B0、C0為常數(shù)項(xiàng)；A1、A2、B1、B2、C1、C2分別為線(xiàn)性系數(shù)；A12、B12、C12為交互項(xiàng)系數(shù)；A11、A22、B11、B22、C11、C22為二次項(xiàng)系數(shù)。為了求得(1)、(2)、(3)方程的各項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于每個(gè)元素，至少須13組試驗(yàn)來(lái)對(duì)其求解。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。利用統(tǒng)計(jì)軟件Design Expert來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及建立模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 糙出白率與重金屬含量及去除率的關(guān)系

碾米精度對(duì)大米中As、Cd、Pb含量及去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 碾米精度對(duì)精米中As、Cd、Pb含量影響

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著，P<0.05。

圖1 糙出白率與精米中As、Cd、Pb的去除率的關(guān)系

由表3可以看出，As、Cd、Pb的濃度隨著加工精度的提高而遞減。糙出白率與精米中As、Cd、Pb的去除率的關(guān)系見(jiàn)圖1，可以看出在碾米時(shí)間達(dá)到120 s后，As、Pb去除率減緩，而Cd的去除率隨時(shí)間關(guān)系基本呈線(xiàn)性關(guān)系。且在糙出白率為83.09時(shí)，Pb去除率的斜率最大。由此可知，3種金屬中分布最不均勻的為Pb，Cd的分布最為均勻。較Cd、As而言，糙米外層富集著更多的Pb。當(dāng)糙出白率為75.36時(shí)，大米加工精度達(dá)到1級(jí)，因此對(duì)于Pb、As含量較高的大米，當(dāng)加工精度達(dá)到1級(jí)以后，再度增加碾米時(shí)間，其去除效率不高，但若大米中Cd含量較高時(shí)，即使加工精度達(dá)到1級(jí)，增加碾米時(shí)間仍可以去除大米中部分Cd，但3種元素中，碾米時(shí)間與Cd的去除率的斜率最小，因而可能通過(guò)碾米方法去除Cd的效果最小。

2.2 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

表4列出不同糙出白率中As、Cd、Pb含量的實(shí)測(cè)值及其預(yù)測(cè)值。

利用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合，分別得精米中As、Cd、Pb含量對(duì)自變量糙出白率(X1)、糙米中As、Cd、Pb含量(X12)、(X22)、(X32)的二次多項(xiàng)回歸預(yù)測(cè)模型方程為(4)、(5)、(6)。對(duì)這3個(gè)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6、表7。

(4)

(5)

(6)

由表5方差分析(ANOVA)可以看出：F=47.03>F0.01(5,4)=15.52，P=0.000 1<0.01，表明模型方程(4)極顯著，不同處理間的差異極顯著；F=0.920.05，不顯著；模型的校正決定系數(shù)AdjR2=0.942 0，說(shuō)明該模型能解釋94.2%響應(yīng)值的變化，僅有總變異的5.80%不能用此模型來(lái)解釋?zhuān)粡?fù)相關(guān)系數(shù)為0.980 5。說(shuō)明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型是合適的，可以用此模型預(yù)測(cè)糙米中AS含量初始值和不同糙出白率下精米中As含量。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果

表5 As含量預(yù)測(cè)回歸模型(4)的方差分析

表6 Cd含量預(yù)測(cè)回歸模型(5)的方差分析

表7 Pb含量預(yù)測(cè)回歸模型(6)的方差分析

由表6方差分析可以看出：F=456.61>F0.01(5,4)=15.52，P=0.000 1<0.01，表明模型方程(5)極顯著，不同處理間的差異極顯著；F=0.180.05，不顯著；模型的校正決定系數(shù)AdjR2=0.994 8，說(shuō)明該模型能解釋94.48%響應(yīng)值的變化，僅有總變異的5.52%不能用此模型來(lái)解釋?zhuān)粡?fù)相關(guān)系數(shù)為0.995 2，說(shuō)明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型是合適的，可以用此模型預(yù)測(cè)糙米中Cd含量初始值和不同糙出白率下精米中Cd含量。

由表7方差分析可以看出：F=40.02>F0.01(5,4)=15.52，P=0.000 1<0.01，表明模型方程(6)極顯著，不同處理間的差異極顯著；F=6.060.05，不顯著；模型的校正決定系數(shù)AdjR2=0.940 5，說(shuō)明該模型能解釋94.05%響應(yīng)值的變化，僅有總變異的5.95%不能用此模型來(lái)解釋?zhuān)粡?fù)相關(guān)系數(shù)為0.977 4，說(shuō)明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型是合適的，可以用此模型預(yù)測(cè)糙米中Pb含量初始值和不同糙出白率下精米中Pb含量。

由圖2可以看出，隨著糙出白率降低，精米中As、Cd、Pb含量隨之降低，可以去除部分精米中重金屬元素，這與查燕等[15]研究結(jié)果一致。其中Pb元素去除效果最明顯，Cd元素去除效果最小，這主要是因?yàn)橹亟饘僭谒局蟹植疾痪鶆?，主要與蛋白質(zhì)相結(jié)合[16-18]。米糠層主要組分為皮層和胚，一般占糙米總質(zhì)量的6%～8%，其主要成份為碳水化合物(51.00%)、脂肪(20.50%)以及蛋白質(zhì)(14.50%)[19]。由于米糠中蛋白質(zhì)含量較高[20]，因而，隨著糙出白率較低，會(huì)逐步去除米糠，從而達(dá)到去除大米中重金屬元素含量的目的。Pb元素去除效果最好，因此，推測(cè)Pb除了和蛋白質(zhì)結(jié)合，可能還與粗纖維結(jié)合，因而米糠中Pb含量遠(yuǎn)大于精米中Pb含量。

2.3 模型的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)精米中重金屬As、Cd、Pb含量模型的合適性和有效性，對(duì)3個(gè)元素分別進(jìn)行了5組驗(yàn)證試驗(yàn)，其結(jié)果分別見(jiàn)表8、表9、表10。利用SPSS10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，精米中As含量Y1實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.944 8；Cd含量Y2實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.995 4；Pb含量Y3實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.991 6，進(jìn)一步證實(shí)As、Cd、Pb含量模型是合適有效的。

圖2 糙出白率、糙米中不同重金屬含量及其交互作用對(duì)精米中對(duì)應(yīng)重金屬含量影響的響應(yīng)面圖

表8 As含量預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證結(jié)果

表9 Cd含量預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證結(jié)果

表10 Pb含量預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

經(jīng)檢驗(yàn)證明模型合理可靠，利用模型可以預(yù)測(cè)不同品種大米和在不同糙出白率條件下As、Cd、Pb含量，為糧食食品生產(chǎn)加工提供參考。

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Response Surface Prediction of As,Cd and Pb Residue Distribution in Milled Rice

Ju Xingrong Ding Zhehui Gao Yulong Yuan Jian He Rong

(College of Food Science and Engineering of NJUE;Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety in Jiangsu Province,Nanjing 210023)

In order to explore the relationship between the heavy metal content initial value of white rice yield and brown rice with the heavy metal content in polished rice,this essay researched the relationship between white rice yield and removal rate of heavy metal.The result showed that the element Pb has the most uneven distribution in rice.The removal rate of Pb was the maximum when the white rice yield reached 83.09%.When the white rice yield was 75.36% with level 1 rice working accuracy,the removal rate of As in three heavy metals was the largest which was 37.48%,the removal rate of Cd was the least which was 20.71%,the removal rate of Pb was 41.40%.Response surface methodology(RSM)was adopted based on five levels and two factors and three second order quadratic equations for As、Cd and Pb in milled rice were built.The adequacy of the three models were verified effectively,meanwhile,the white rice yield and As,Cd,Pb concentration in brown rice showed the influence on heavy mental element in polished rice.It was proved that the results were reliable and effective since the experimental value and the fitted value with no significant differences(P<0.05).

white rice yield,brown rice,heavy metals,As,Cd,Pb

糧食公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201313007),糧食公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201413007-05)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20131435)，江蘇省教育廳省屬高校自然科學(xué)研究(12KJB550003)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAD04B03)

2015-12-30

鞠興榮，男，1957年出生，教授，食品營(yíng)養(yǎng)、功能食品及農(nóng)產(chǎn)品深加工

TS21

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1003-0174(2017)06-0159-06