陈雨薇，王 蕾，吴永宁，宫智勇,*

（1.武汉轻工大学食品科学与工程学院，大宗粮油精深加工省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430030；2.国家食品安全风险评估中心重点实验室，北京 100032）

大米是中国居民最重要的主食之一，2015年中国稻谷的播种面积和产量分别占粮食播种总面积和总产量的26.7%和33.5%，稻谷产量在全世界占比更是高达31%[1]。但是由于大量工业重金属废弃物排入环境中，空气、土壤和灌溉水等污染越来越严重，粮食特别是稻谷的重金属污染问题日渐突出[2]。

水浸是加工米线、米糕等食物的重要工序[3]，将这个必要工序进行条件优化，利用水浸最大程度地降低大米粉中镉含量，可以对镉污染不太严重的稻谷加工利用有着很好的经济效益和社会效益。大米粉的水浸是自然发酵的过程，此过程中的微生物主要为细菌、霉菌、酵母菌等，其中乳酸菌在发酵过程中占据绝对优势，是优势菌种。Lu Zhanhui等[4]从大米粉的浸泡液中分离出32 株植物乳杆菌、28 株纤维二糖乳杆菌、23 株弯曲乳杆菌、21 株发酵乳杆菌。因此，大米粉浸泡过程中产酸明显，其中有机酸以乳酸为主，醋酸次之[5]。酸液形成低pH值环境，使大米粉颗粒结构变疏松[6]，酸液的残留可加快乳酸菌的生长繁殖，进一步促进大米中镉元素的溶出[9]，削减大米粉中的镉残留。

有学者对大米中镉的水浸法削减进行研究，如刘晶等[7]以30 ℃浸泡30 h为终点，大米粉中镉含量降低33.71%；陆金鑫等[8]经过浸泡使精米中的镉含量降低约40%；傅亚平等[9]采用乳酸菌发酵技术对大米粉中镉进行处理，脱除率达85.73%；Mihucz等[5]在研究大米中镉的提取方法时发现水浸处理可以从精米粉中去除大约50%的镉。但是目前，水浸法削减大米粉中镉的最佳工艺及其品质影响的研究鲜见报道，因此本研究采用镉含量为（0.459±0.006）mg/kg的大米，研究水浸法去除大米粉中镉的最优工艺条件并对其品质影响进行研究，为工业化批量生产大米制品时降低其镉含量的加工工艺提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

镉污染大米（籼稻）采自湖南省，用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法检测稻米镉含量，湖南籼稻大米镉含量为（0.459±0.006） mg/kg，超过我国现行的食品中污染物限量（GB 2762—2016《食品中污染物限量》）[10]对大米中镉限量标准的规定。

1 000 μg/mL镉标准储备液 国家有色金属及电子材料分析测试中心；浓硝酸、溴化钾、乙醚（均为优级纯） 国药集团化学试剂有限公司；Megazyme总淀粉测定试剂盒 爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

THU358砻谷机、TM05C碾米机 日本佐竹公司；JXFM110锤式旋风磨 上海嘉定粮油有限公司；Multiwave PRO超高压微波消解系统 奥地利Anton Paar公司；赶酸仪 上海博通化学科技有限公司；Milli-Q Integral超纯水制备装置 美国Millipore公司；PinAAcle 900T石墨炉原子吸收 美国Perkin Elmer公司；恒温摇床培养箱 中国培安有限公司；LXJ II离心机 上海医用分析仪器厂；Vario MICRO cube元素分析仪 德国Elementar公司；全自动脂肪测定仪 成都市苏净科学器材有限公司；Empyrean X射线衍射仪 荷兰帕纳科公司；NEXUS670傅里叶变换红外光谱仪 美国尼高力仪器公司；S-3000N扫描电镜 日本日立公司；差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）美国TA公司。

1.3 方法

1.3.1 镉去除工艺流程

大米→磨粉（过80 目筛）→加入蒸馏水（选择合适的料液比、水浸温度、水浸时间）→摇床洗脱→离心（4 000 r/min，10 min）→40 ℃烘干粉碎→镉含量测定→指标测定。

1.3.2 大米粉中镉含量的测定

采用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定大米粉中镉含量。镉去除率按下式计算：

式中：C0为处理前大米粉中镉含量/（mg/kg）；C为处理后大米粉中镉含量/（mg/kg）。

1.3.3 单因素试验

在大米粉中加入一定量体积的蒸馏水，在料液比1∶3（g/mL）、水浸时间48 h条件下，分别在20、30、40、50、60 ℃进行浸泡；在水浸温度40 ℃、水浸时间48 h条件下，分别以料液比为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5（g/mL）进行浸泡；在水浸温度40 ℃、料液比1∶3（g/mL）条件下，分别浸泡12、24、36、48、60 h，以考察料液比、水浸温度、水浸时间3 个因素对重金属镉去除率的影响。

1.3.4 响应面试验优化

通过单因素试验确定影响镉去除率的主要因素和最佳水平范围，根据响应面中的Box-Behnken原理，选择料液比、水浸温度、水浸时间设计3因素3水平试验，响应面试验因素与水平如表1所示。

表1 Box-Behnken试验因素与水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of the independent variables used in response surface design

1.3.5 水浸前后主要化学成分的测定

准确称取50.0 g大米粉，在最优条件下水浸，水浸后用蒸馏水洗2 遍，于恒温鼓风干燥箱中40 ℃干燥48 h，测定水分、淀粉、蛋白质、脂肪和灰分含量，淀粉、蛋白质、脂肪和灰分含量均以干质量计。

水分含量的测定：根据GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》[11]中的恒重法测定；淀粉含量的测定：采用总淀粉含量测定试剂盒；蛋白质含量的测定：元素分析仪测定氮含量，根据GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》[12]中的凯氏定氮法进行蛋白质含量换算；脂肪含量的测定：以乙醚为溶剂，用脂肪测定仪进行脂肪浸提，用恒重法测定。

灰分的测定：根据GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》[13]中直接灰分法进行测定。

1.3.6 水浸前后大米粉扫描电镜观察

米粉经IB-13离子溅射仪喷镀金膜后，于S-3000N扫描电镜下观察并摄影，加速电压20 kV，放大2 000 倍。

1.3.7 大米粉热力学特性测定

称取过100 目筛的2.0 mg米粉于铝制坩埚中，加入2 倍体积的蒸馏水，压盖密封并静置过夜；初始温度20 ℃，以10 ℃/min速率升至110 ℃，用DSC测定糊化温度和糊化过程中热焓的变化，以真空铝制坩埚作为参比，每个样品重复3 次。

1.3.8 大米粉淀粉晶体结构的观察

室温下采用X-射线衍射仪对原料大米粉和水浸大米粉进行检测。检测条件：石墨单色器，靶为Cu-Kα，管压为45 kV，电流为40 mA，发射狭缝为1°，防散射狭缝为1°，接受狭缝为7.5 mm，2θ扫描区间为3°～50°，扫描速率为2°/min。通过JADE 5.0软件进行结晶度的计算。

1.3.9 大米粉红外光谱分析

分别取2.0 mg干燥的原料大米粉和水浸大米粉与150.0 mg干燥的KBr粉末混合，于红外灯下研磨后压片，置于红外光谱仪中进行4 000～400 cm－1波段扫描，分辨率为4 cm－1，得到原料大米粉和水浸大米粉样品的红外光谱图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

图1 3 种因素对镉去除率的影响Fig. 1 Effects of three factors on the removal rate of cadmium

如图1所示，水浸过程中pH值不断下降，标志着微生物生长繁殖产生有机酸，因此通过自然发酵，乳酸使大米变得具有柔性并带有独特酸味，但在后期会夹带臭味。pH值的下降一方面抑制了其他微生物的生长，使乳酸菌成为优势菌种，在一定程度上抑制腐败[14]，另一方面，通过pH值的下降，大米粉中的镉溶于发酵液中，降低大米粉中镉浓度。水浸法去除米粉中的重金属镉主要原理是大米粉在水中自然发酵，部分微生物代谢产生有机酸而达到去除大米粉中镉的目的。

由图1A所示，当料液比1∶3（g/mL）、水浸时间48 h时，镉去除率随温度的变化呈现先升后降趋势，在40 ℃达到最大去除率。当水浸温度低于30 ℃或高于50 ℃，镉去除率明显下降，这可能是因为大米粉自然发酵中生长的微生物最适代谢温度为30～50 ℃[15]。

如图1B所示，在水浸温度40 ℃、水浸时间48 h条件下，当料液比为1∶1～1∶3（g/mL）时，随着加水量的增大，大米粉中的镉去除率逐渐增大，这可能是由于大米粉吸水膨胀有利于微生物作用[16]，而当料液比为1∶4～1∶5（g/mL）时，镉去除率急剧下降，这可能因为微生物数量及酸浓度被稀释。

如图1C所示，在水浸温度40 ℃、料液比1∶3（g/mL）时，大米粉的镉去除率在12～48 h之间随着水浸时间的延长而提高，超过48 h后镉去除率随时间的延长而趋于平缓。鲁战会等[17]研究自然发酵大米的安全性问题，发现发酵前期有霉菌数量增加缓慢，大肠菌群在发酵2 d后降低到不可检出水平。这得益于乳酸发酵对病原微生物有抑制和杀灭作用。因此，出于经济和安全考虑，以48 h的水浸时间为宜，此时大米粉中的镉去除率达到了（56.51±2.52）%，大米粉中的镉含量为（0.197±0.011）mg/kg，未超出国家标准。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计与结果

根据单因素试验结果，使用Design-Expert 8.0软件，以镉去除率为指标，设计3因素3水平的响应面试验，结果如表2所示。通过对表2数据进行多元回归拟合，得到回归方程为Y=72.73+3.67A+16.15B+1.18C+0.04AB－0.01AC+0.06BC－0.04A2－3.12B2－0.01C2。

表2 响应面试验分析结果（ =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

对回归方程进行方差分析，结果如表3所示。回归模型P值为0.030 1，小于0.05，说明此回归方程显著，失拟项P值为0.716 2，大于0.05，不显著，说明所建立的二次回归模型成立，与实际情况拟合较好，可用此模型来分析和预测水浸工艺条件。由表3可知，相关系数R2较高，为0.852 6，表明该回归方程适用于水浸法去除大米粉中镉的理论预测。A、B2对大米粉中镉去除率有显著影响（P＜0.05），A2对大米粉中镉去除率有极显著影响（P＜0.01）。影响大米粉中镉去除率的主次因素依次为A＞B＞C，即水浸温度＞料液比＞水浸时间。

2.2.2 交互作用分析

图2 各因素间的响应面图及等高线图Fig. 2 Response surface plots and contour plots showing the interactive effects between the factors

等高线图的椭圆形表示两因素之间交互作用明显，圆形表现两交互关系不明显[18]。由图2可知，水浸温度和水浸时间、水浸时间和料液比交互作用对镉去除率的影响较显著。

根据所得的模型，预测最优的水浸条件为水浸温度42.67 ℃、料液比1∶3.3（g/mL）、水浸时间46.94 h，镉去除率为60.00%。但考虑到实际情况，将水浸条件改为水浸温度42 ℃、料液比1∶3（g/mL）、水浸时间47 h。在预测最优水浸条件下，进行5 次验证实验，水浸后大米粉镉含量为（0.176±0.003）mg/kg，镉去除率为（61.75±4.31）%，与理论值较为接近。因此，该回归模型能较好地预测实际镉去除情况。

2.3 水浸对大米粉营养物质的影响

图3 最佳工艺条件对营养成分的影响Fig. 3 Effect of the optimized treatment on nutrient retention

由图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%。这是由于浸泡过程中游离脂肪酸的流失和发酵过程中微生物作用使脂肪分解成游离的脂肪酸。另外，由于脂肪的自动氧化，游离脂肪酸分解成低分子的醛、酮物质，致使大米粉出现不良气味[19]。水浸后大米粉的淀粉含量略有下降，这是由于微生物的淀粉酶对淀粉产生酶解作用。大米粉水浸后蛋白质质量分数有较为显著地下降，从（12.76±0.87）%下降到（10.95%±0.86）%，一个原因是水溶性蛋白质溶出，另一个原因是微生物产生蛋白酶将蛋白质分解成小分子肽或氨基酸，而后被微生物用作生长过程中的氮源[20]。大米粉水浸后，灰分质量分数从0.028%降至0.015%，这主要是由于蛋白质和脂肪发生降解，使其中的矿物质元素更容易溶出。灰分的溶出不仅使大米粉镉浓度降低，还使大米粉的白度增加，使外观更好[21]。

2.4 水浸对大米粉形态的影响

图4 原料大米粉（A）和水浸大米粉（B）表面电镜扫描图Fig. 4 SEM photos of rice fl our before and after soaking

如图4所示，原料大米粉结构紧致，而水浸米粉孔径更大，这些小孔可能是发酵过程中镉和其他营养物质的流出通道[16]。

2.5 水浸对大米粉热力学特征的影响

DSC是在程序升温下，保持待测物质与参照物温度差为零，测量待测物质和参照物的热量差随温度变化的一种技术[22-23]。由图5和表4可知，大米粉水浸后糊化起始温度从67.83 ℃降低至67.17 ℃，这是由于淀粉粒晶体片层被破坏，其稳定性低，所需糊化温度变低。一般情况下，直链淀粉含量与糊化温度呈负相关[24]，所以水浸后大米粉中的直链淀粉含量可能升高。淀粉DSC峰值糊化温度可以反映淀粉粒晶体成分的质量，不稳定的结构会导致峰值糊化温度降低。从表4可以看出，水浸后的米粉峰值温度仅下降0.01 ℃，说明水浸处理没有破坏米粉内的淀粉粒晶体成分。总体来说，水浸后米粉糊化温度降低，糊化时间延长，糊化焓增大，其产品的拉伸力可能增强，弹性、硬度和咀嚼性可能下降[25-26]。

图5 原料大米粉和水浸大米粉的DSC糊化曲线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结果Table 4 DSC measurements of raw and soaked rice flfl our

2.6 水浸对淀粉晶体结构的影响

图6 原料大米粉和水浸大米粉淀粉的X射线衍射图谱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颗粒的X射线衍射晶区结构Table 5 X-ray diffraction parameters of starch granules in raw and soaked rice fl our

由图6、表5可知，所有的淀粉颗粒都在15°、17°、18°和23°有很强的衍射峰，这些都是A型结晶[27]。由于淀粉分子在大米粉中形成了结晶区域、半结晶区域和非结晶区域，而非结晶区域主要是由直链淀粉构成[16]，X射线衍射在结晶区域会形成尖锐的特征峰而在非结晶区域则是弥散峰形[28]。图6显示大米粉水浸后峰的强度略微变弱，表5也说明水浸大米粉的淀粉结晶度从21.61%下降至20.88%，这可能是因为水浸后大米粉的直链淀粉含量增加，导致非结晶区域面积增大，从而使淀粉结晶度下降，此结果也与DSC实验结果一致。表5显示大米粉水浸后，其面间距略有降低，根据许金东[29]的研究，米饭的硬度、回弹性、黏聚性与面间距呈正相关，所以，水浸可能导致大米粉产品较原料产品的硬度、咀嚼度、回弹性、黏聚性下降。

2.7 水浸对大米粉官能团的影响

图7 原料大米粉和水浸大米粉淀粉的红外光谱图Fig. 7 FTIR spectra of raw and soaked rice fl our

红外光谱分析常用于化合物定性分析和分子结构的测定，因此可以鉴定水浸大米粉结构是否发生变化或产生新的官能团，其中红外区（4 000～400 cm－1）常用于淀粉吸收光谱分析[30]。

对原料大米粉和水浸大米粉进行4000～400 cm－1全扫描，结果如图7所示。4 000～3 000、2 900～3 000、1 550～1 700、1 300～1 400、750～1 000 cm－1区间的吸收峰（分别对应O—H的伸缩振动、C—H伸缩振动、C=O伸缩振动、C—H面内弯曲振动、C—H面外弯曲振动[16,31]）形状没有发生改变，位置没有大的偏移，强度稍有增强，但没有新的吸收峰。因此，大米粉在水浸过程中并没有发生剧烈的化学变化而产生新的化学键或基团。

3 结 论

综合单因素和响应面法对大米粉水浸削减镉的条件优化：在水浸温度42 ℃、料液比1∶3（g/mL）、水浸时间47 h时，大米粉中的镉去除率达到（61.75±4.31）%，大米粉中的镉含量由（0.459±0.006）mg/kg下降至（0.176±0.003）mg/kg，未超出国家限量标准。且大米粉中的镉含量与发酵液pH值呈负相关，说明大米粉在水浸过程中乳酸菌成为优势菌，在有机酸的作用下使大米粉中的镉溶出，从而达到镉削减的目的。

在最佳工艺条件下，大米粉中的水分和蛋白质含量显著降低，脂肪、淀粉、蛋白质、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质溶出，另一方面自然发酵产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营养物质。由于脂肪和蛋白的减少，大米粉中的镉和其他矿物质更易溶出，使得大米粉中镉含量和灰分都有一定程度的降低。

通过DSC测定大米粉水浸后的热力学变化，发现其糊化起始温度降低，而峰值温度变化很小，说明大米粉晶体片层被破坏，稳定性降低，大米粉中的直链淀粉含量可能升高，但水浸处理并没有破坏米粉内的淀粉粒晶体成分。

通过X射线衍射仪测定大米粉的淀粉晶体结构变化发现水浸大米粉的淀粉结晶下降，这可能是因为水浸后大米粉的直链淀粉含量增加，导致非结晶区域面积增大，从而使淀粉结晶度下降，此结果也与DSC实验结果一致。水浸大米粉面间距略有降低，说明水浸可能导致大米粉产品较原料产品的硬度、咀嚼度、回弹性、黏聚性下降。

红外光谱测定结果显示，大米粉在水浸过程中并没有产生新的化学键或基团。