水浸法削減大米粉中鎘的工藝優(yōu)化及對其品質影響

陳雨薇，王 蕾，吳永寧，宮智勇,*

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430030；2.國家食品安全風險評估中心重點實驗室，北京 100032）

大米是中國居民最重要的主食之一，2015年中國稻谷的播種面積和產量分別占糧食播種總面積和總產量的26.7%和33.5%，稻谷產量在全世界占比更是高達31%[1]。但是由于大量工業(yè)重金屬廢棄物排入環(huán)境中，空氣、土壤和灌溉水等污染越來越嚴重，糧食特別是稻谷的重金屬污染問題日漸突出[2]。

水浸是加工米線、米糕等食物的重要工序[3]，將這個必要工序進行條件優(yōu)化，利用水浸最大程度地降低大米粉中鎘含量，可以對鎘污染不太嚴重的稻谷加工利用有著很好的經濟效益和社會效益。大米粉的水浸是自然發(fā)酵的過程，此過程中的微生物主要為細菌、霉菌、酵母菌等，其中乳酸菌在發(fā)酵過程中占據絕對優(yōu)勢，是優(yōu)勢菌種。Lu Zhanhui等[4]從大米粉的浸泡液中分離出32 株植物乳桿菌、28 株纖維二糖乳桿菌、23 株彎曲乳桿菌、21 株發(fā)酵乳桿菌。因此，大米粉浸泡過程中產酸明顯，其中有機酸以乳酸為主，醋酸次之[5]。酸液形成低pH值環(huán)境，使大米粉顆粒結構變疏松[6]，酸液的殘留可加快乳酸菌的生長繁殖，進一步促進大米中鎘元素的溶出[9]，削減大米粉中的鎘殘留。

有學者對大米中鎘的水浸法削減進行研究，如劉晶等[7]以30 ℃浸泡30 h為終點，大米粉中鎘含量降低33.71%；陸金鑫等[8]經過浸泡使精米中的鎘含量降低約40%；傅亞平等[9]采用乳酸菌發(fā)酵技術對大米粉中鎘進行處理，脫除率達85.73%；Mihucz等[5]在研究大米中鎘的提取方法時發(fā)現(xiàn)水浸處理可以從精米粉中去除大約50%的鎘。但是目前，水浸法削減大米粉中鎘的最佳工藝及其品質影響的研究鮮見報道，因此本研究采用鎘含量為（0.459±0.006）mg/kg的大米，研究水浸法去除大米粉中鎘的最優(yōu)工藝條件并對其品質影響進行研究，為工業(yè)化批量生產大米制品時降低其鎘含量的加工工藝提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鎘污染大米（秈稻）采自湖南省，用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法檢測稻米鎘含量，湖南秈稻大米鎘含量為（0.459±0.006） mg/kg，超過我國現(xiàn)行的食品中污染物限量（GB 2762—2016《食品中污染物限量》）[10]對大米中鎘限量標準的規(guī)定。

1 000 μg/mL鎘標準儲備液 國家有色金屬及電子材料分析測試中心；濃硝酸、溴化鉀、乙醚（均為優(yōu)級純） 國藥集團化學試劑有限公司；Megazyme總淀粉測定試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設備

THU358礱谷機、TM05C碾米機 日本佐竹公司；JXFM110錘式旋風磨 上海嘉定糧油有限公司；Multiwave PRO超高壓微波消解系統(tǒng) 奧地利Anton Paar公司；趕酸儀 上海博通化學科技有限公司；Milli-Q Integral超純水制備裝置 美國Millipore公司；PinAAcle 900T石墨爐原子吸收 美國Perkin Elmer公司；恒溫搖床培養(yǎng)箱 中國培安有限公司；LXJ II離心機 上海醫(yī)用分析儀器廠；Vario MICRO cube元素分析儀 德國Elementar公司；全自動脂肪測定儀 成都市蘇凈科學器材有限公司；Empyrean X射線衍射儀 荷蘭帕納科公司；NEXUS670傅里葉變換紅外光譜儀 美國尼高力儀器公司；S-3000N掃描電鏡 日本日立公司；差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 鎘去除工藝流程

大米→磨粉（過80 目篩）→加入蒸餾水（選擇合適的料液比、水浸溫度、水浸時間）→搖床洗脫→離心（4 000 r/min，10 min）→40 ℃烘干粉碎→鎘含量測定→指標測定。

1.3.2 大米粉中鎘含量的測定

采用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定大米粉中鎘含量。鎘去除率按下式計算：

式中：C0為處理前大米粉中鎘含量/（mg/kg）；C為處理后大米粉中鎘含量/（mg/kg）。

1.3.3 單因素試驗

在大米粉中加入一定量體積的蒸餾水，在料液比1∶3（g/mL）、水浸時間48 h條件下，分別在20、30、40、50、60 ℃進行浸泡；在水浸溫度40 ℃、水浸時間48 h條件下，分別以料液比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5（g/mL）進行浸泡；在水浸溫度40 ℃、料液比1∶3（g/mL）條件下，分別浸泡12、24、36、48、60 h，以考察料液比、水浸溫度、水浸時間3 個因素對重金屬鎘去除率的影響。

1.3.4 響應面試驗優(yōu)化

通過單因素試驗確定影響鎘去除率的主要因素和最佳水平范圍，根據響應面中的Box-Behnken原理，選擇料液比、水浸溫度、水浸時間設計3因素3水平試驗，響應面試驗因素與水平如表1所示。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of the independent variables used in response surface design

1.3.5 水浸前后主要化學成分的測定

準確稱取50.0 g大米粉，在最優(yōu)條件下水浸，水浸后用蒸餾水洗2 遍，于恒溫鼓風干燥箱中40 ℃干燥48 h，測定水分、淀粉、蛋白質、脂肪和灰分含量，淀粉、蛋白質、脂肪和灰分含量均以干質量計。

水分含量的測定：根據GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[11]中的恒重法測定；淀粉含量的測定：采用總淀粉含量測定試劑盒；蛋白質含量的測定：元素分析儀測定氮含量，根據GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》[12]中的凱氏定氮法進行蛋白質含量換算；脂肪含量的測定：以乙醚為溶劑，用脂肪測定儀進行脂肪浸提，用恒重法測定。

灰分的測定：根據GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》[13]中直接灰分法進行測定。

1.3.6 水浸前后大米粉掃描電鏡觀察

米粉經IB-13離子濺射儀噴鍍金膜后，于S-3000N掃描電鏡下觀察并攝影，加速電壓20 kV，放大2 000 倍。

1.3.7 大米粉熱力學特性測定

稱取過100 目篩的2.0 mg米粉于鋁制坩堝中，加入2 倍體積的蒸餾水，壓蓋密封并靜置過夜；初始溫度20 ℃，以10 ℃/min速率升至110 ℃，用DSC測定糊化溫度和糊化過程中熱焓的變化，以真空鋁制坩堝作為參比，每個樣品重復3 次。

1.3.8 大米粉淀粉晶體結構的觀察

室溫下采用X-射線衍射儀對原料大米粉和水浸大米粉進行檢測。檢測條件：石墨單色器，靶為Cu-Kα，管壓為45 kV，電流為40 mA，發(fā)射狹縫為1°，防散射狹縫為1°，接受狹縫為7.5 mm，2θ掃描區(qū)間為3°～50°，掃描速率為2°/min。通過JADE 5.0軟件進行結晶度的計算。

1.3.9 大米粉紅外光譜分析

分別取2.0 mg干燥的原料大米粉和水浸大米粉與150.0 mg干燥的KBr粉末混合，于紅外燈下研磨后壓片，置于紅外光譜儀中進行4 000～400 cm－1波段掃描，分辨率為4 cm－1，得到原料大米粉和水浸大米粉樣品的紅外光譜圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

圖1 3 種因素對鎘去除率的影響Fig. 1 Effects of three factors on the removal rate of cadmium

如圖1所示，水浸過程中pH值不斷下降，標志著微生物生長繁殖產生有機酸，因此通過自然發(fā)酵，乳酸使大米變得具有柔性并帶有獨特酸味，但在后期會夾帶臭味。pH值的下降一方面抑制了其他微生物的生長，使乳酸菌成為優(yōu)勢菌種，在一定程度上抑制腐敗[14]，另一方面，通過pH值的下降，大米粉中的鎘溶于發(fā)酵液中，降低大米粉中鎘濃度。水浸法去除米粉中的重金屬鎘主要原理是大米粉在水中自然發(fā)酵，部分微生物代謝產生有機酸而達到去除大米粉中鎘的目的。

由圖1A所示，當料液比1∶3（g/mL）、水浸時間48 h時，鎘去除率隨溫度的變化呈現(xiàn)先升后降趨勢，在40 ℃達到最大去除率。當水浸溫度低于30 ℃或高于50 ℃，鎘去除率明顯下降，這可能是因為大米粉自然發(fā)酵中生長的微生物最適代謝溫度為30～50 ℃[15]。

如圖1B所示，在水浸溫度40 ℃、水浸時間48 h條件下，當料液比為1∶1～1∶3（g/mL）時，隨著加水量的增大，大米粉中的鎘去除率逐漸增大，這可能是由于大米粉吸水膨脹有利于微生物作用[16]，而當料液比為1∶4～1∶5（g/mL）時，鎘去除率急劇下降，這可能因為微生物數量及酸濃度被稀釋。

如圖1C所示，在水浸溫度40 ℃、料液比1∶3（g/mL）時，大米粉的鎘去除率在12～48 h之間隨著水浸時間的延長而提高，超過48 h后鎘去除率隨時間的延長而趨于平緩。魯戰(zhàn)會等[17]研究自然發(fā)酵大米的安全性問題，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵前期有霉菌數量增加緩慢，大腸菌群在發(fā)酵2 d后降低到不可檢出水平。這得益于乳酸發(fā)酵對病原微生物有抑制和殺滅作用。因此，出于經濟和安全考慮，以48 h的水浸時間為宜，此時大米粉中的鎘去除率達到了（56.51±2.52）%，大米粉中的鎘含量為（0.197±0.011）mg/kg，未超出國家標準。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計與結果

根據單因素試驗結果，使用Design-Expert 8.0軟件，以鎘去除率為指標，設計3因素3水平的響應面試驗，結果如表2所示。通過對表2數據進行多元回歸擬合，得到回歸方程為Y=72.73+3.67A+16.15B+1.18C+0.04AB－0.01AC+0.06BC－0.04A2－3.12B2－0.01C2。

表2 響應面試驗分析結果（ =3）Table 2 Experimental design and results for response surface analysis ( = 3)

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

對回歸方程進行方差分析，結果如表3所示?；貧w模型P值為0.030 1，小于0.05，說明此回歸方程顯著，失擬項P值為0.716 2，大于0.05，不顯著，說明所建立的二次回歸模型成立，與實際情況擬合較好，可用此模型來分析和預測水浸工藝條件。由表3可知，相關系數R2較高，為0.852 6，表明該回歸方程適用于水浸法去除大米粉中鎘的理論預測。A、B2對大米粉中鎘去除率有顯著影響（P＜0.05），A2對大米粉中鎘去除率有極顯著影響（P＜0.01）。影響大米粉中鎘去除率的主次因素依次為A＞B＞C，即水浸溫度＞料液比＞水浸時間。

2.2.2 交互作用分析

圖2 各因素間的響應面圖及等高線圖Fig. 2 Response surface plots and contour plots showing the interactive effects between the factors

等高線圖的橢圓形表示兩因素之間交互作用明顯，圓形表現(xiàn)兩交互關系不明顯[18]。由圖2可知，水浸溫度和水浸時間、水浸時間和料液比交互作用對鎘去除率的影響較顯著。

根據所得的模型，預測最優(yōu)的水浸條件為水浸溫度42.67 ℃、料液比1∶3.3（g/mL）、水浸時間46.94 h，鎘去除率為60.00%。但考慮到實際情況，將水浸條件改為水浸溫度42 ℃、料液比1∶3（g/mL）、水浸時間47 h。在預測最優(yōu)水浸條件下，進行5 次驗證實驗，水浸后大米粉鎘含量為（0.176±0.003）mg/kg，鎘去除率為（61.75±4.31）%，與理論值較為接近。因此，該回歸模型能較好地預測實際鎘去除情況。

2.3 水浸對大米粉營養(yǎng)物質的影響

圖3 最佳工藝條件對營養(yǎng)成分的影響Fig. 3 Effect of the optimized treatment on nutrient retention

由圖3可知，水浸后，大米粉脂肪含量略有下降，由0.442%下降至0.438%。這是由于浸泡過程中游離脂肪酸的流失和發(fā)酵過程中微生物作用使脂肪分解成游離的脂肪酸。另外，由于脂肪的自動氧化，游離脂肪酸分解成低分子的醛、酮物質，致使大米粉出現(xiàn)不良氣味[19]。水浸后大米粉的淀粉含量略有下降，這是由于微生物的淀粉酶對淀粉產生酶解作用。大米粉水浸后蛋白質質量分數有較為顯著地下降，從（12.76±0.87）%下降到（10.95%±0.86）%，一個原因是水溶性蛋白質溶出，另一個原因是微生物產生蛋白酶將蛋白質分解成小分子肽或氨基酸，而后被微生物用作生長過程中的氮源[20]。大米粉水浸后，灰分質量分數從0.028%降至0.015%，這主要是由于蛋白質和脂肪發(fā)生降解，使其中的礦物質元素更容易溶出?；曳值娜艹霾粌H使大米粉鎘濃度降低，還使大米粉的白度增加，使外觀更好[21]。

2.4 水浸對大米粉形態(tài)的影響

圖4 原料大米粉（A）和水浸大米粉（B）表面電鏡掃描圖Fig. 4 SEM photos of rice fl our before and after soaking

如圖4所示，原料大米粉結構緊致，而水浸米粉孔徑更大，這些小孔可能是發(fā)酵過程中鎘和其他營養(yǎng)物質的流出通道[16]。

2.5 水浸對大米粉熱力學特征的影響

DSC是在程序升溫下，保持待測物質與參照物溫度差為零，測量待測物質和參照物的熱量差隨溫度變化的一種技術[22-23]。由圖5和表4可知，大米粉水浸后糊化起始溫度從67.83 ℃降低至67.17 ℃，這是由于淀粉粒晶體片層被破壞，其穩(wěn)定性低，所需糊化溫度變低。一般情況下，直鏈淀粉含量與糊化溫度呈負相關[24]，所以水浸后大米粉中的直鏈淀粉含量可能升高。淀粉DSC峰值糊化溫度可以反映淀粉粒晶體成分的質量，不穩(wěn)定的結構會導致峰值糊化溫度降低。從表4可以看出，水浸后的米粉峰值溫度僅下降0.01 ℃，說明水浸處理沒有破壞米粉內的淀粉粒晶體成分?？傮w來說，水浸后米粉糊化溫度降低，糊化時間延長，糊化焓增大，其產品的拉伸力可能增強，彈性、硬度和咀嚼性可能下降[25-26]。

圖5 原料大米粉和水浸大米粉的DSC糊化曲線Fig. 5 DSC curves of raw and soaked rice fl our

表4 原料大米粉和水浸大米粉的DSC結果Table 4 DSC measurements of raw and soaked rice flfl our

2.6 水浸對淀粉晶體結構的影響

圖6 原料大米粉和水浸大米粉淀粉的X射線衍射圖譜Fig. 6 X-ray diffraction of raw and soaked rice fl our

表5 原料大米粉和水浸大米粉淀粉顆粒的X射線衍射晶區(qū)結構Table 5 X-ray diffraction parameters of starch granules in raw and soaked rice fl our

由圖6、表5可知，所有的淀粉顆粒都在15°、17°、18°和23°有很強的衍射峰，這些都是A型結晶[27]。由于淀粉分子在大米粉中形成了結晶區(qū)域、半結晶區(qū)域和非結晶區(qū)域，而非結晶區(qū)域主要是由直鏈淀粉構成[16]，X射線衍射在結晶區(qū)域會形成尖銳的特征峰而在非結晶區(qū)域則是彌散峰形[28]。圖6顯示大米粉水浸后峰的強度略微變弱，表5也說明水浸大米粉的淀粉結晶度從21.61%下降至20.88%，這可能是因為水浸后大米粉的直鏈淀粉含量增加，導致非結晶區(qū)域面積增大，從而使淀粉結晶度下降，此結果也與DSC實驗結果一致。表5顯示大米粉水浸后，其面間距略有降低，根據許金東[29]的研究，米飯的硬度、回彈性、黏聚性與面間距呈正相關，所以，水浸可能導致大米粉產品較原料產品的硬度、咀嚼度、回彈性、黏聚性下降。

2.7 水浸對大米粉官能團的影響

圖7 原料大米粉和水浸大米粉淀粉的紅外光譜圖Fig. 7 FTIR spectra of raw and soaked rice fl our

紅外光譜分析常用于化合物定性分析和分子結構的測定，因此可以鑒定水浸大米粉結構是否發(fā)生變化或產生新的官能團，其中紅外區(qū)（4 000～400 cm－1）常用于淀粉吸收光譜分析[30]。

對原料大米粉和水浸大米粉進行4000～400 cm－1全掃描，結果如圖7所示。4 000～3 000、2 900～3 000、1 550～1 700、1 300～1 400、750～1 000 cm－1區(qū)間的吸收峰（分別對應O—H的伸縮振動、C—H伸縮振動、C=O伸縮振動、C—H面內彎曲振動、C—H面外彎曲振動[16,31]）形狀沒有發(fā)生改變，位置沒有大的偏移，強度稍有增強，但沒有新的吸收峰。因此，大米粉在水浸過程中并沒有發(fā)生劇烈的化學變化而產生新的化學鍵或基團。

3 結 論

綜合單因素和響應面法對大米粉水浸削減鎘的條件優(yōu)化：在水浸溫度42 ℃、料液比1∶3（g/mL）、水浸時間47 h時，大米粉中的鎘去除率達到（61.75±4.31）%，大米粉中的鎘含量由（0.459±0.006）mg/kg下降至（0.176±0.003）mg/kg，未超出國家限量標準。且大米粉中的鎘含量與發(fā)酵液pH值呈負相關，說明大米粉在水浸過程中乳酸菌成為優(yōu)勢菌，在有機酸的作用下使大米粉中的鎘溶出，從而達到鎘削減的目的。

在最佳工藝條件下，大米粉中的水分和蛋白質含量顯著降低，脂肪、淀粉、蛋白質、灰分含量也有一定量的下降，一方面是由于大米粉中的水溶性物質溶出，另一方面自然發(fā)酵產生的微生物的脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶等降解了大米粉中一部分營養(yǎng)物質。由于脂肪和蛋白的減少，大米粉中的鎘和其他礦物質更易溶出，使得大米粉中鎘含量和灰分都有一定程度的降低。

通過DSC測定大米粉水浸后的熱力學變化，發(fā)現(xiàn)其糊化起始溫度降低，而峰值溫度變化很小，說明大米粉晶體片層被破壞，穩(wěn)定性降低，大米粉中的直鏈淀粉含量可能升高，但水浸處理并沒有破壞米粉內的淀粉粒晶體成分。

通過X射線衍射儀測定大米粉的淀粉晶體結構變化發(fā)現(xiàn)水浸大米粉的淀粉結晶下降，這可能是因為水浸后大米粉的直鏈淀粉含量增加，導致非結晶區(qū)域面積增大，從而使淀粉結晶度下降，此結果也與DSC實驗結果一致。水浸大米粉面間距略有降低，說明水浸可能導致大米粉產品較原料產品的硬度、咀嚼度、回彈性、黏聚性下降。

紅外光譜測定結果顯示，大米粉在水浸過程中并沒有產生新的化學鍵或基團。