利用檸檬汁柑橘汁及檸檬酸脫除扇貝下腳料中鎘的研究

溫 希，李云翰，毛偉杰，張素芳

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，云南 昆明 650205；2.蒙彼利埃高等農(nóng)學(xué)院，法國(guó) 蒙彼利埃 34000；3.廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院，廣東 湛江 524088；4.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，云南 昆明 650205）

我國(guó)是貝類養(yǎng)殖生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)貝類產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。扇貝是我國(guó)主要養(yǎng)殖種類，不僅易養(yǎng)殖、產(chǎn)量大，而且有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，含有8種人體必需的氨基酸，還有3種人體必需的脂肪酸[2]，以及含有許多對(duì)身體有益的維生素和礦物質(zhì)，如鈣、鐵，脂溶性和水溶性維生素[3]，營(yíng)養(yǎng)成分多以有機(jī)狀態(tài)存在，極易被人體吸收利用。近年來(lái)，我國(guó)海洋環(huán)境遭到不同程度的破壞，重金屬對(duì)養(yǎng)殖海水污染較為嚴(yán)重，有研究顯示，遼東灣北部海域沉積物，以及深圳大鵬灣和珠江口海水中[4]，鎘和汞等重金屬超出了國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，渤海海域和南黃海近岸海域[5]也受到了嚴(yán)重的污染[6]。鉛和汞對(duì)于海域環(huán)境破壞嚴(yán)重，舟山海域和杭州灣北岸海水就是典型[7]?？梢钥闯?，我國(guó)部分海域存在著重金屬污染，這些污染通過(guò)海水和沉積物使水產(chǎn)品存在著高累積風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)。

扇貝主要由貝殼、貝柱、外套膜、生殖腺及中腸腺組成，其中外套膜、生殖腺及中腸腺約占總質(zhì)量的30%，這部分稱為扇貝下腳料[8]。這其中的一小部分會(huì)被制作成蝦飼料低價(jià)出售給農(nóng)戶，剩余的大部分會(huì)被掩埋或者焚燒。這不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且下腳料其中大多含有重金屬鎘，如果不進(jìn)行脫鎘處理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的危害。這種浪費(fèi)對(duì)于目前世界上提倡的生物資源的循環(huán)高效利用的宗旨背道而馳。貝類的腸腺中最容易聚集大量的重金屬[9]，如果被加工成飼料，重金屬鎘會(huì)在動(dòng)物內(nèi)臟中不斷累積，繼而會(huì)對(duì)人體造成影響，此時(shí)重金屬鎘的脫除顯得尤為重要。

以扇貝下腳料作為原料，使用弱酸水洗法，探究了檸檬汁、柑橘汁、水和檸檬酸在一定條件下脫除貝類下腳料中重金屬鎘的效果，檸檬和柑橘都是生活中常見(jiàn)的物質(zhì)，檸檬酸成本也比較低，其次試驗(yàn)使用的脫鎘方法為弱酸水洗法，經(jīng)過(guò)測(cè)定，這 3種物質(zhì)都屬于酸性，符合試驗(yàn)的條件，因此選用了檸檬汁、柑橘汁和檸檬酸作為脫鎘劑。

1 材料與方法

1.1 試劑

樣品處理用水為蒸餾水，鎘測(cè)定試驗(yàn)用水為超純水。

硝酸HNO3（優(yōu)級(jí)純），廣州化學(xué)試劑廠提供；一水合檸檬酸C6H8O7·H2O、硫酸鉀K2SO4、五水合硫酸銅CuSO4·5H2O、濃硫酸H2SO4，均為分析純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心提供。

1.2 儀器

Milli-Q A10型超純水器、HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司產(chǎn)品；PHS-3C型pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司-雷磁儀器廠產(chǎn)品；CEM MARS型微波消解萃取系統(tǒng)，CEM產(chǎn)品；EHD-12型趕酸架，北京東航科儀儀器有限公司產(chǎn)品；GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠產(chǎn)品；JY3002型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；AB104-S型電子分析天平、YH型環(huán)保專用電熱套，山東鄴城華魯儀器公司產(chǎn)品；攪拌機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 樣品前處理

完整冰凍的扇貝，將貝柱與下腳料分離，分別分袋裝好，置于-20℃冰箱中冷藏，待用。

1.3.3 基本成分測(cè)定方法

（1）水分含量的測(cè)定。參考國(guó)標(biāo)GB 5009.3—2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品中水分的測(cè)定中，直接干燥法測(cè)定樣品水分的含量，試驗(yàn)過(guò)程為：取約3 g樣品 （精確至0.000 1 g），稱量，置于玻璃制的稱量瓶，放到101～105℃干燥箱中，干燥1.0 h后，蓋好瓶蓋將稱量瓶取出，置于干燥器內(nèi)0.5 h，待其冷卻，稱量，并重復(fù)干燥步驟，直到稱量前后2次質(zhì)量相差不超過(guò)2 mg，即為恒質(zhì)量。

樣品干燥前后的質(zhì)量之差，即為樣品的水分含量。

（2）蛋白質(zhì)含量的測(cè)定。參考國(guó)標(biāo)GB 5009.5—2001食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定中，凱氏定氮法測(cè)定原料中蛋白質(zhì)的含量，試驗(yàn)原理為：蛋白質(zhì)在濃硫酸、硫酸銅、硫酸鉀的消化催化下，樣品中的氮與硫酸結(jié)合生成無(wú)機(jī)銨鹽，然后將樣品堿化蒸餾，使銨鹽轉(zhuǎn)化為氨氣，隨著水蒸氣蒸餾出來(lái)并被硼酸液吸收，再以標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定，就可計(jì)算出樣品中的氮量。由于蛋白質(zhì)含氮量比較恒定，可由其氮含量以換算系數(shù)來(lái)計(jì)算蛋白質(zhì)含量。

（3）鎘含量的測(cè)定方法。鎘的檢測(cè)方法很多，如分光光度法、電感藕合等離子體發(fā)射光譜法、極譜催化波法、原子吸收法、單掃描極譜法、溶出伏安法、質(zhì)譜法、電位溶出法、中子活化分析法、色譜法、電化學(xué)生物傳感器法，以及將幾種不同的方法聯(lián)合使用等[10]，這些方法基本都需要昂貴的儀器，并且操作復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作。試驗(yàn)使用到的是電感藕合等離子體發(fā)射光譜法，常用于測(cè)定元素周期表中的絕大多數(shù)元素，且一次可測(cè)定多個(gè)元素，此方法與其他相比，優(yōu)點(diǎn)是更加方便快捷。但I(xiàn)CP并不是對(duì)所有元素的檢測(cè)都很準(zhǔn)確，加上其發(fā)射的光譜容易受到干擾，現(xiàn)多與質(zhì)譜聯(lián)用。

參考國(guó)標(biāo)GB 5009.15—2003食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品中鎘含量[11]的測(cè)定中，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定鎘含量，試驗(yàn)原理為：樣品由硝酸分解，在酸性介質(zhì)中，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定的鎘吸光度。消化：取待測(cè)樣品1.0～1.5 g于消解管中，然后用移液槍將消解管中加入8 mL硝酸，蓋好內(nèi)蓋并用工具擰緊外殼后，置于微波消解萃取系統(tǒng)，待消解完畢后消化液呈無(wú)色或淡黃色，加熱趕酸至黃豆大小，最后用超純水將其定容至25 mL的比色管中待測(cè)。

對(duì)比消化和測(cè)定所用儀器均需在20%的硝酸中浸泡過(guò)夜。

1.3.4 脫鎘試驗(yàn)

使用了弱酸水洗法，以重金屬鎘的脫除率為指標(biāo)，探究不同試劑、料液濃度、水洗量對(duì)重金屬鎘的提取影響。

制備液料時(shí)，將檸檬和柑橘去皮，分別置入榨汁機(jī)榨汁，得到檸檬汁和柑橘汁，檸檬出汁率為39.53%，柑橘出汁率為65.90%。

重金屬鎘脫除率的計(jì)算：

式中：m1——原料樣品重金屬鎘含量，mg/kg；

m2——處理后樣品重金屬鎘含量，mg/kg。

（1）檸檬汁、柑橘汁對(duì)原料中重金屬鎘的脫除效果。試驗(yàn)流程：取100 g扇貝下腳料→加入下腳料質(zhì)量10%H2O→在60℃水浴鍋中加熱5 min→加入下腳料1%，2%，4%提取→在60℃水浴鍋中加熱5 min→固液分離→加入分離后固體質(zhì)量1～2倍的水→在60℃水浴鍋中加熱5 min→第2次固液分離→加入分離后固體質(zhì)量1～2倍的水→在60℃水浴鍋中加熱5 min→第3次固液分離→取分離3次后的固體樣品和液體樣品測(cè)重金屬鎘含量。重復(fù)試驗(yàn)步驟，液料分別使用檸檬汁、柑橘汁。

（2）檸檬酸、水對(duì)原料中重金屬鎘的脫除效果。試驗(yàn)流程：取100 g扇貝下腳料→加入下腳料質(zhì)量10%H2O→在80℃水浴鍋中加熱5 min→加入下腳料1%，2%，4%的檸檬酸提取→在80℃水浴鍋中加熱5 min→固液分離→加入分離后固體質(zhì)量1～2倍的水→在80℃水浴鍋中加熱5 min→第2次固液分離→加入分離后固體質(zhì)量1～2倍的水→在80℃水浴鍋中加熱5 min→第3次固液分離→取分離3次后下腳料固體和液體樣品測(cè)重金屬鎘含量。

試驗(yàn)過(guò)程中，在其他條件不變的情況下將檸檬酸換成純凈水作為對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本成分測(cè)定結(jié)果

去除外殼和貝柱，扇貝下腳料占整貝的19.5%。

2.1.1 水分含量測(cè)定結(jié)果

脫鎘處理后的水分含量見(jiàn)表1。

表1 脫鎘處理后的水分含量/%

2.1.2 蛋白質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果

脫鎘處理后的蛋白質(zhì)含量見(jiàn)表2。

表2 脫鎘處理后的蛋白質(zhì)含量/%

2.1.3 鎘含量測(cè)定結(jié)果

脫鎘處理后的鎘含量見(jiàn)表3。

表3 脫鎘處理后的鎘含量/%

根據(jù)2.3.3中重金屬鎘含量的測(cè)定方法測(cè)得扇貝下腳料中重金屬鎘的含量為5.55 mg/kg，根據(jù)GB 2762—2012食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品中污染物限量[12-13]，要求貝類食品中的重金屬鎘含量低于2.0 mg/kg。證明原料中的重金屬鎘含量不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不得作為食品利用，需進(jìn)行脫鎘處理。

2.2 脫鎘試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

2.2.1 檸檬汁脫除原料中重金屬鎘的效果

檸檬汁脫鎘效果見(jiàn)圖1

由圖1可以看出，大部分鎘仍然殘留在扇貝下腳料固體樣品中，洗到液體樣品中的只有一小部分，并且在添加不同液料量檸檬汁的情況下，脫鎘效果差別不大。使用2倍水洗和1倍水洗的區(qū)別并不明顯，若使用此種方法脫鎘，考慮經(jīng)濟(jì)利益及環(huán)保的條件下，更傾向于選擇1倍水洗。用pH計(jì)測(cè)出檸檬汁pH值為1.94，加入到原料中之后測(cè)得pH值為4.92～5.36，此時(shí)脫鎘率仍然處于較低的狀態(tài)，根據(jù)吳曉萍等人[14]的研究可知，pH值達(dá)到3時(shí)，脫鎘率會(huì)達(dá)到極值，而由于檸檬汁為天然物質(zhì)，添加量對(duì)pH值的改變并不是非常明顯。

2.2.2 柑橘汁脫除原料中重金屬鎘的效果

柑橘汁脫鎘效果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，大部分鎘仍然殘留在扇貝下腳料固體樣品中，洗到液體樣品中的只有一小部分，其中使用2倍水洗，添加4%柑橘汁脫鎘效果較好。使用pH計(jì)測(cè)出柑橘汁pH值為3.01，加入到原料中之后測(cè)得pH值為5.68～5.84，此時(shí)脫鎘率仍然處于較低的狀態(tài)。柑橘汁與檸檬汁相比，2倍水洗的柑橘汁脫鎘效果稍好，但差別不大。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這2種物質(zhì)脫鎘效果明顯。

2.2.3 檸檬酸脫除原料中重金屬鎘的效果

檸檬酸脫鎘效果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，檸檬酸添加量1%，2%，4%的下腳料固體樣品中，鎘含量呈明顯的遞減趨勢(shì)，說(shuō)明隨著檸檬酸添加量的增加，更多的重金屬鎘從扇貝下腳料固體樣品中洗出來(lái)至液體樣品中，液體中的鎘含比固體中的鎘含量更多。扇貝下腳料使用2倍水洗后比1倍水洗后的效果更好，可能是由于下腳料與液料接觸更加充分，反應(yīng)更徹底，使固體中鎘含量大幅降低。檸檬酸加入到原料中測(cè)得pH值為2.77～3.72，對(duì)原料pH值的改變較為明顯。

2.2.4 水脫除原料中重金屬鎘的效果

水脫鎘效果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，與檸檬汁和柑橘汁對(duì)比，脫鎘率有所提高，可能是由于溫度的升高，使反應(yīng)更加徹底，但大部分重金屬鎘仍然在固體樣品中。與同溫度80℃檸檬酸洗做對(duì)比，檸檬酸的脫鎘效果遠(yuǎn)優(yōu)于水洗，可能是由于pH值導(dǎo)致。其中，脫鎘率最高的是80℃，2倍水洗，4%檸檬酸添加量，脫鎘率達(dá)到89.27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他3種添加的液料。

3 結(jié)論

以扇貝下腳料作為原料，研究了檸檬汁、柑橘汁、水、檸檬酸在一定條件下脫除貝類下腳料中重金屬鎘的效果，通過(guò)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)可以得出，4%檸檬酸，溫度80℃，2倍水洗為試驗(yàn)脫鎘的最優(yōu)條件，最終的重金屬鎘脫除率最高達(dá)到89.27%。檸檬酸的脫鎘效果比檸檬汁、柑橘汁更明顯，脫鎘效果較優(yōu)的柑橘汁處理后固體樣品含量仍然達(dá)到3.2 mg/kg以上，不可進(jìn)行下一步的加工利用。在檸檬酸處理下，使用2倍水洗后比1倍水洗后的效果更好，可能是由于下腳料與液料接觸更加充分，反應(yīng)更徹底，使固體中鎘含量大幅降低。檸檬酸脫鎘處理后的原料經(jīng)過(guò)檢測(cè)，鎘含量最低可達(dá)到0.6 mg/kg，根據(jù)GB 2762—2012食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，食品中污染物限量，要求貝類食品中的重金屬鎘含量低于2.0 mg/kg，說(shuō)明經(jīng)由試驗(yàn)處理后的貝類下腳料原料可用于進(jìn)一步食品加工。

同時(shí)對(duì)貝類下腳料中蛋白質(zhì)的變化作了探討，研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)加熱，過(guò)濾等脫鎘處理后，其蛋白質(zhì)含量與原料的差別并不明顯，但2倍水洗會(huì)使蛋白質(zhì)含量有損失，比1倍水洗的含量低。水分含量與原料相比沒(méi)有太大的變化。因此可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)處理后的下腳料不僅保留著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不被破環(huán)，同時(shí)大大減少了重金屬鎘的含量，而且使用的試劑成本較低，工藝簡(jiǎn)單，為扇貝下腳料的綜合利用和環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

由于試驗(yàn)中產(chǎn)生的廢液鎘含量較高，不能直接排放，需要進(jìn)一步處理，如利用吸附法，將液體中的鎘吸附到吸附劑中，再進(jìn)行分離利用，使廢水達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)。

扇貝下腳料的研究利用不僅解決了熱門的環(huán)境污染問(wèn)題，還節(jié)省了分離貝柱和下腳料所需要的成本，使扇貝貝柱和下腳料能夠一起被加工。除此之外，還能充分把扇貝下腳料中的有效成分利用起來(lái)，由于水產(chǎn)品下腳料這部分的價(jià)值有待開(kāi)發(fā)并且十分可觀，所以利用簡(jiǎn)易有效的方法脫除扇貝下腳料中鎘的研究，對(duì)扇貝下腳料的綜合利用具有重要意義。