米糠不溶性膳食纖維的提取及吸附鉛離子探究

吳 玨 張聰男 吳青蘭 任明非 王 莉* 陳正行

（1 江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室 江蘇無錫214122

2 江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇無錫214122）

米糠作為稻米生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物之一，集中了稻谷大部分營養(yǎng)成分，如多酚、脂肪、優(yōu)質(zhì)蛋白、膳食纖維等。2017年我國稻谷年產(chǎn)量為2.09×108t，據(jù)此推測我國米糠年產(chǎn)量達(dá)到1.2×107t。米糠是生產(chǎn)膳食纖維、米糠油、生育酚等的重要原料[1]，然而目前多數(shù)米糠被用于動物飼料，附加值低。

脫脂米糠膳食纖維幾乎均為不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF），難以被人體內(nèi)源酶消化和吸收。IDF主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等[2]，具有結(jié)合金屬陽離子的能力，如鉛[3-4]、鎘[5]、汞[6]、鎳[7]、銅[8]、鋅[9]等。鉛是一種危害人體健康的物質(zhì)，由于環(huán)境的污染，食品原料中的各種重金屬對人體污染嚴(yán)重[10]，在人體內(nèi)迅速富集，積累濃度達(dá)到一定量時直接導(dǎo)致食物中毒、致癌。

目前，已有學(xué)者對膳食纖維吸附不同的金屬離子進(jìn)行對比研究。如祁靜[11]探究化學(xué)法提取的米糠IDF吸附Pb2+，結(jié)果表明：具有較大孔隙率和適度孔徑的纖維吸附能力最強(qiáng)；Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，麥麩IDF最大吸附Pb2+能力為15.6μmol/g；梁宣[13]研究稻殼對Pb2+的吸附作用，吸附效果隨溫度的升高呈降低的趨勢，基本吸附方式為離子交換占主體。吸附動力學(xué)與熱力學(xué)研究對于膳食纖維吸附金屬離子能力具有重要意義。通過吸附等溫線得到膳食纖維對金屬離子的吸附量；吸附作用力的強(qiáng)弱通過計算吸附動力學(xué)得出；通過吸附熱力學(xué)的計算，明確溫度對生物吸附劑吸附重金屬的影響。

基于此，本研究以脫脂米糠為原料，采用酶-化學(xué)法提取米糠IDF，考察其鉛離子吸附行為學(xué)，為米糠IDF的制備和金屬離子吸附性能提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

原料：脫脂米糠，江蘇瑞牧生物科技有限公司。

試劑：高溫α-淀粉酶（3×104U/mL），無錫杰能科生物工程有限公司；NaOH、Pb（NO3）2無水乙醇、丙酮、PBS等均為分析純試劑。

設(shè)備與儀器：HH-501恒溫水浴鍋，美國精騏有限公司；LXJ-IIB離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器公司；M-100EH-30動態(tài)高壓微射流，美國微流體技術(shù)國際公司；GZX-9246 MBE鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司；CP214電子天平，上海奧豪斯儀器有限公司；AA-240原子吸收分光光度計，美國瓦里安公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 米糠IDF的提取 IDF的提取參照潘建剛[2]和Daou[14]的方法，略有改動。向裝有已知質(zhì)量脫脂米糠的酶解罐中，按體積比1∶10加入pH 6.0的PBS緩沖液（0.08mol/L），加熱，待溫度升至95℃時，加入α-淀粉酶液反應(yīng)30min，于4 000 r/min離心15min，收集殘渣，置于一定濃度的NaOH溶液中，堿解蛋白質(zhì)，離心，棄上清，所得殘渣分別用去離子水、無水乙醇和丙酮各洗多次，裝于自封袋中凍干，所得產(chǎn)物即米糠IDF。

1.2.2 米糠IDF提取的單因素試驗 分別研究α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.2%~0.5%）、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2%~5%）、堿提時間（30~75min）和堿提溫度（45~90℃）對IDF得率和純度的影響。

1.2.3 米糠IDF提取的正交試驗 采用酶濃度、堿解時間、堿解溫度、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)做L9（34）正交試驗，具體因素及水平見表1。

表1 L9（34 ）正交因素水平Table1 L9（34 ）orthogonal factor level

1.2.4 米糠IDF物理改性 粉碎，取過100目的米糠IDF，加入40倍體積的水混合均勻，依次通過均質(zhì)機(jī)（40MPa）和動態(tài)高壓微射流（150MPa）各處理2次。均質(zhì)后將制備的溶液凍干，得試驗樣品，于干燥器內(nèi)密封保存。

1.2.5 米糠IDF鉛離子吸附動力學(xué)解析 重金屬鉛含量的測定參照GB 5009.12-2017。

以20mg/kg的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液作為吸附體系，準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品置于50mL鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液中，在pH 7.0，37℃，120 r/min條件下，分別于0，2.5，7.5，10，15，30，45，60，90，120，150，180，240，300min及360min，用原子吸收分光光度計測定吸附后溶液的鉛濃度。米糠IDF對鉛離子的單位吸附量公式（1）與吸附率公式（2）如下：

式中，qe——單位米糠IDF吸附Pb2+量（mg/g）；η——吸附率（%）；Co——初始溶液中Pb2+含量（mg/kg）；Ce——達(dá)到平衡吸附量時溶液中Pb2+含量（mg/kg）；V——Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；m——米糠IDF的質(zhì)量（g）。

經(jīng)典的吸附動力學(xué)方程主要包括顆粒內(nèi)擴(kuò)散〔公式（3）〕、準(zhǔn)一階動力學(xué)〔公式（4）〕和準(zhǔn)二階動力學(xué)模型〔公式（5）〕，其線性化方程如下：

式中，qt——t時間單位米糠IDF吸附Pb2+量，mg/g；kp——顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg/（g·min0.5）；C——常數(shù)，影響邊界層厚度，mg/g；t——吸附反應(yīng)時間，min；k1——常數(shù)，準(zhǔn)一級反應(yīng)速率，min-1；k2——常數(shù)，準(zhǔn)二級反應(yīng)速率，g/（mg·min）。

1.2.6 米糠IDF鉛離子吸附熱力學(xué)解析 選用的吸附等溫模型：Langmuir（L）模型【公式（6）】、Freundlich（F）模型【公式（7）】、Dubinin-Radushkevich（D-R）模型【公式（8）】，其線性化方程如下所示。準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品置于50 mL Pb（NO3）2溶液中，其中溶液中Pb2+的初始含量為0.5~200mg/kg。分別在25，37，50°C條件下振蕩4 h，離心取上清，計算此時體系的平衡鉛濃度。研究平衡濃度與單位吸附量的關(guān)系。利用不同吸附熱力學(xué)模型對結(jié)果進(jìn)行擬合，解釋米糠IDF的吸附熱力學(xué)特性。

式中：qe——單位吸附量（mg/g）；qmax——米糠IDF最大吸附量（mg/g）；KL——影響吸附強(qiáng)度的L模型吸附常數(shù)；Ce——平衡吸附量（mg/kg）；KF——影響吸附容量的F模型吸附常數(shù)；n——與吸附強(qiáng)度有關(guān)的L模型常數(shù)；β——吸附能量相關(guān)系數(shù)（mol2·kJ2）；ε——電勢（V），等 于R T ln（1+1/Ce）；R——理想氣體常數(shù)8.314 J/（mol·K）；T——絕對溫度（K）。

2 結(jié)果與分析

2.1 米糠IDF提取單因素試驗分析

原料米糠基本成分：總膳食纖維391 g/kg、粗蛋白113 g/kg、總淀粉355 g/kg、灰分102 g/kg和水分57 g/kg。

圖1 酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)對米糠IDF提取的影響Fig.1 Effect of enzyme mass fraction on the extraction of rice bran IDF

2.1.3 堿解時間的影響從圖3可看出，隨著堿解時間的延長，IDF得率顯著降低，而純度不斷增加，在60~75min時，IDF得率降低，純度增加不明顯，這可能是由于隨著堿解時間的延長，米糠蛋白和纖維素逐步水解。堿提75 min時，純度為79.5%，仍有部分雜質(zhì)未除?？紤]到產(chǎn)品純度問題，堿解時間選擇75min為宜。

2.1.4 堿解溫度的影響 由圖4可發(fā)現(xiàn)，溫度升高，米糠IDF的得率降低，米糠IDF在堿解溫度

2.1.1 α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖1可看出，IDF的提取率隨α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升呈減小的趨勢，當(dāng)?shù)矸勖纲|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.2%時，IDF的提取率最高；當(dāng)?shù)矸勖纲|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%~0.3%之間時，提取率略有下降，提取產(chǎn)物的純度顯著提高；當(dāng)?shù)矸勖纲|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%~0.5%之間時，提取率變化不明顯，純度基本不變。以上表明酶含量較低時，米糠淀粉水解不完全，得率高，純度低。淀粉水解程度隨著酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升而增大，提取率逐漸下降，純度提高。經(jīng)綜合考慮α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%最佳。

2.1.2 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖2可知，當(dāng)NaOH從初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)升至3%時，米糠IDF得率顯著降低，純度上升，而當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，5%時，純度緩慢上升，提取率降幅不顯著，表明NaOH溶液可使脫脂米糠中蛋白水解，去除殘余的脂肪。隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，蛋白水解逐漸完全，得率進(jìn)一步降低。綜合考量，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)以3%為宜。45℃時得率最高。這是因為低溫時，蛋白質(zhì)水解率低，高溫有利于米糠蛋白的水解，然而溫度增至一定程度會引起纖維素的進(jìn)一步水解。綜合考量成本和米糠IDF純度兩方面，確定較優(yōu)的堿解溫度為75℃。

圖2 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對米糠IDF提取的影響Fig.2 Impact of NaOH mass fraction on the extraction of rice bran IDF

經(jīng)單因素優(yōu)化后提取IDF的最佳工藝條件：0.3%高溫α-淀粉酶，3%NaOH，堿解75min，溫度75℃。

圖3 堿提時間對米糠IDF提取的影響Fig.3 Effect of alkali extraction time on the extraction of rice bran IDF

圖4 堿解溫度對米糠IDF提取的影響Fig.4 Effect of alkali hydrolysis temperature on the extraction of rice bran IDF

2.1.5 米糠IDF提取的正交試驗 根據(jù)表2可知，各因素對米糠IDF提取率的影響為D＞A＞B＞C，即NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對提取影響最大，堿解溫度對提取影響最小。此時，提取條件的較優(yōu)參數(shù)組合是A1B3D1，即0.3%α-淀粉酶，堿解75min，3%NaOH，這與單因素試驗結(jié)果一致。C1、C2、C3結(jié)果一致，堿解溫度影響相對較小。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇75°C為最適條件。在此條件下可得米糠IDF具有較高純度（85.74%），得率為37.4%。

目前，已經(jīng)有部分學(xué)者對米糠IDF的提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，如苗欣等[15]提取米糠膳食纖維，響應(yīng)面法優(yōu)化的最優(yōu)條件：NaOH濃度0.2mol/L，浸泡時間60min，堿性蛋白酶250 U/g，高溫淀粉酶200 U/g，最終提取產(chǎn)物純度為75.79%，得率38.5%。潘建剛等[2]采用酶化學(xué)法提取蕎麥殼中的IDF，優(yōu)化的參數(shù)為：0.3%α-淀粉酶、4%NaOH，堿解條件為45℃，60min。吳文睿等[16]優(yōu)化小麥麩皮IDF的提取工藝，最優(yōu)參數(shù)為0.5%α-淀粉酶，酶解60min，3.0%NaOH，堿解40min，此時得率87.29%?？梢?，膳食纖維的提取方法對于不同的谷物有不同的條件，同時也說明酶-化學(xué)法可以有效分離淀粉等物質(zhì)，從而提高米糠IDF的純度。

表2 正交試驗結(jié)果Table2 Results of orthogonal test

2.2 米糠不溶性膳食纖維吸附鉛離子行為學(xué)探究

2.2.1 吸附時間對吸附Pb2+的影響 如圖5所示，單位米糠IDF吸附Pb2+量和吸附率隨反應(yīng)時間的增加呈上升趨勢，當(dāng)進(jìn)行至180min時，反應(yīng)趨于平衡，此時吸附率為96.67%。

使用Weber-Morris模型研究米糠IDF吸附Pb2+過程中的限速步驟。由圖7可知，反應(yīng)步驟有3個部分[17]：首先，部分Pb2+與米糠IDF表面的功能性位點接觸，此時Pb2+的遷移較快；其次，米糠IDF表面的Pb2+進(jìn)入其內(nèi)部，與羥基、羰基等基團(tuán)結(jié)合，遷移較慢；最后，Pb2+與米糠IDF內(nèi)的功能性成分結(jié)合、反應(yīng)，直至平衡，此時擴(kuò)散較緩慢[18]。

圖5 37°C條件下米糠IDF在不同時間點對鉛的吸附Fig.5 Lead binding of rice bran IDF at different time points at 37°C

圖6 米糠IDF吸附Pb2+的擬二級動力學(xué)模型Fig.6 Pseudo-second-order kinetics model for Pb2+ adsorption of rice bran IDF

圖7 米糠IDF吸附鉛的顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型Fig.7 Weber-Morris Model of lead binding of rice bran IDF

表3 米糠IDF吸附Pb2+的動力學(xué)模型的參數(shù)Table3 Pb2+ binding kinetic model parameters of rice bran IDF

比較表3中各方程擬合的相關(guān)系數(shù)可知：準(zhǔn)二級動力學(xué)方程的回歸系數(shù)最高（R2=0.999），計算得出的qe為1.194mg/g，與試驗值1.201mg/g最相近，表明準(zhǔn)二級動力學(xué)方程能較好地說明IDF-150吸附Pb2+的速率變化過程，并有化學(xué)吸附。

2.2.2 吸附熱力學(xué)模型的建立 等溫吸附研究提供了吸附劑容量信息。吸附等溫線以特定常數(shù)描述平衡溶液中吸附質(zhì)的量與吸附物濃度的關(guān)系。

2.2.2.1 吸附等溫線 不同溫度下，IDF-150對Pb2+的吸附能力測定結(jié)果見圖8。隨著Pb2+初始濃度的增加，增大了溶液中的傳質(zhì)動力，提高了吸附反應(yīng)的推動力，qe呈上升趨勢。當(dāng)Pb2+的C0＜50 mg/kg時，Ce較低，qe隨著C0上升而變化明顯；當(dāng)C0＞80mg/kg時，qe略有提高，變化不明顯。從整體來看，25℃時米糠IDF對Pb2+的qe比37℃和50℃時大，說明25℃更有利于吸附的進(jìn)行，吸附是自發(fā)進(jìn)行的。

圖8 不同溫度下IDF對Pb2+的吸附等溫線Fig.8 Adsorption isotherms for binding of Pb2+ by IDF at different temperatures

采用不同模型對圖8中的結(jié)果進(jìn)行擬合，所得參數(shù)見表4。比較不同模型的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明Freundlich模型擬合回歸方程的R2均大于Langmuir模型的R2，米糠IDF對Pb2+的等溫吸附更符合Freundlich模型。米糠IDF表層粗糙，與Pb2+的結(jié)合為多層吸附，與動力學(xué)模型得到的結(jié)論一致，存在物理吸附和化學(xué)吸附。

Freundlich模型中，參數(shù)KF表示吸附劑的吸附能力，在50°C時KF最大，而飽和吸附量最小，推測Pb2+與IDF結(jié)合穩(wěn)定性較差[20]。n平衡參數(shù)，當(dāng)1/n在0.1～0.5時，表明吸附能力高；1/n大于1時，吸附能力最弱[21-22]。從以上結(jié)果可以看出，米糠IDF對Pb2+的吸附為1/n=6.99，表明其吸附Pb2+能力較弱。

Dubinin-Radushkevich模型假定吸附劑結(jié)合金屬離子的過程為自發(fā)進(jìn)行[23]。E表示單位物質(zhì)的量被結(jié)合于米糠IDF表層需要能量的極限值，可由β來計算：E=（2β）-1/2。當(dāng)8＜E＜16 kJ/mol，主要機(jī)理是陽離子交換能力；當(dāng)E＜8 kJ/mol時，主要作用是自然的物理吸附。由表4中結(jié)果可知，在本試驗所測定溫度范圍，所有米糠纖維樣品吸附Pb2+的平均自由能E＜8 kJ/mol，說明米糠IDF對Pb2+的吸附可能主要通過物理吸附作用，與F模型參數(shù)計算結(jié)論一致，也與祁靜[11]的研究結(jié)果一致。

2.2.2.2 溫度對吸附Pb2+性能的影響 反映米糠IDF與Pb2+之間作用力類型以及作用能量變化的熱力學(xué)參數(shù)[8]，可以通過下列公式計算得出：

ΔG=-R T ln KL

ΔG=ΔH-TΔS

式中：R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；

KL——吸附常數(shù)。

由表5可知，不同溫度下ΔG＜0，表明米糠IDF對Pb2+的吸附反應(yīng)為自發(fā)進(jìn)行[24]。ΔS＜0，說明隨著吸附時間的增加，固-液界面的隨機(jī)性降低，表面形成聚集，推測米糠IDF和Pb2+表面發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)變化[25]。ΔH＜0，表明米糠IDF吸附Pb2+的過程是放熱反應(yīng)，升溫不利于反應(yīng)進(jìn)行。

3 結(jié)論

采取酶-化學(xué)法提取脫脂米糠中的IDF，最佳工藝條件為：高溫淀粉酶添加量為0.3%，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，堿解時間75min，溫度75℃。此時米糠IDF的純度是80.74%，得率為37.4%。利用米糠IDF對Pb2+進(jìn)行吸附試驗，得出以下結(jié)論：①IDF對Pb2+的吸附在3 h后達(dá)到平衡，且滿足準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，推斷有化學(xué)吸附；②吸附效果隨溫度的升高而降低，25℃條件下更有利于吸附的進(jìn)行，可能是自發(fā)吸附；③米糠IDF吸附Pb2+強(qiáng)度較弱，可能主要通過物理吸附作用。