龐 敏 郭晉琦 陶湘林,3 吳躍輝,3 魏穎娟,3 唐漢軍,3

(湖南大學隆平分院1，長沙 410125) (湖南省農業(yè)科學院作物淀粉化學與代謝組學創(chuàng)新團隊2，長沙 410125) (湖南省農業(yè)科學院農產品加工研究所3，長沙 410125)

近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，農藥、化肥、除草劑等的不合理施用，農田土壤中鎘污染日趨嚴重[1-2]。目前，國內外專家提出了許多污染治理的技術手段，主要有生物修復[3]、客土換土法[4]、施用改良劑[5-8]、培育或選育低鎘富集能力的水稻新品種等，這些技術手段存在穩(wěn)定性差、成本高、時間長等問題，在可預見的相當長時間里鎘等重金屬超標稻谷的產出不可避免。產后鎘超標稻米加工處置技術主要有水浸泡[9]、酸浸泡[10]、大米淀粉[11]以及大米蛋白[12]的提取純化及其它非食用化利用。然而這些加工技術不僅處理能力有限，還存在廢水排放等二次污染問題。

大量研究表明鎘主要是結合在稻谷的蛋白質上[13-15]，查燕等[16-17]采用組織化學分析法對農作物籽實中鎘等重金屬的分布，及其加工過程重金屬去除效率的初步研究，稻谷在加工成精米后鎘的去除率達到24.1%。還有研究顯示谷物類子實的打磨分級粉成分差異顯著[18-20]，蛋白質含量從外及內呈遞減趨勢。田陽[11]對12個稻谷樣品通過實驗打磨表明精白度與鎘去除率呈正相關。這些成果表明具有大量快速處理優(yōu)勢的物理加工方法也許是鎘超標稻谷的一條有效降鎘技術途徑。但是，針對不同粒型及組織結構特性的稻谷品種，在不同工作原理的現(xiàn)有工程機械上的實際鎘去除效率、工藝參數(shù)等還鮮有可行性應用研究報道。

因此，本研究針對南方秈稻鎘超標稻谷，采用現(xiàn)有精米機械研究稻米在打磨過程中其鎘含量的動態(tài)變化，明確其應用可行性、工藝參數(shù)等，為鎘超標稻谷的物理處置技術模式提供實踐參考，以及構建技術規(guī)程積累科學數(shù)據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2014年至2016年從湖南長株潭水稻產區(qū)隨機取樣，獲取了29個秈稻品種共計60份樣本，通過稻谷鎘快速檢測以及糙米消解-原子吸收石墨爐法的鎘含量精確分析，選取了糙米鎘含量在0.1～0.6 mg/kg區(qū)間的9個品種，其中7個長粒型品種、2個短粒型品種作為材料(編號XD1～9)，經過精選去雜和去殼后在0～5 ℃下儲藏備用。

硝酸(優(yōu)級純)、高氯酸(優(yōu)級純):國藥集團化學試劑有限公司；鎘標準溶液:國家鋼鐵材料測試中心。

1.2 儀器設備

JLG-1實驗室電動礱谷機、JMNJ-3實驗室小型砂輪精米機:臺州市新恩精密糧儀有限公司；多功能精選機(產能500 kg/h):萊州市郭家店鎮(zhèn)永興機械廠；豎式精米機VP-32T(豎輥鋼輥，產能30 kg/h)：株式會社山本制作所；臥式合盛營養(yǎng)精米機6N-4.8型(臥輥鋼輥，產能120 kg/h)：重慶合盛工業(yè)有限公司；XJS20-42智能消解儀：天津萊伯特公司；A3AFG-12原子吸收光度計：北京普析公司；X7800土壤、糧油重金屬及有毒有害物質快速檢測儀：天津博智偉業(yè)科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 稻谷組織的鎘含量分析

稻谷組織分析樣本的制備：采用電動礱谷機去殼，分別收集稻殼和糙米，稻殼經水洗3次后，70 ℃烘干后作為分析樣本；將糙米表面粉塵等異物用軟毛刷與吹風機清理干凈后作為糙米分析樣本；每次取糙米樣本20 g用小型砂輪精米機打磨減重到10%，分別收集精米與米糠，將精米表面粉塵等異物用軟毛刷清理干凈后作為精米分析樣本；收集米糠通過40～60目鋼篩以及目選等方法去除干凈碎米，分離出胚芽和糠(表皮和糊粉層)作為分析樣本。

鎘含量分析[21]：稻殼、糙米、精米、胚芽和糠等樣本分布充分混勻后隨機取樣經過硝酸和高氯酸消解后，采用原子吸收石墨爐法分析鎘含量。各樣本隨機取樣在105 ℃下烘干測量含水量，修正鎘含量檢測數(shù)據后作為樣本的鎘含量值。

1.3.2 稻米打磨降鎘實驗

采用分級打磨法[18]，在實驗室小型砂輪精米機制取分級米粒。取糙米樣本(長粒型XD1～XD4、短粒型XD5)300 g用小型砂輪精米機打磨減重10%，收集米粒在10目鋼篩上用軟毛刷與吹風機清理干凈作為Ⅰ級精米；同樣以上級精米為原料用小型砂輪精米機打磨減重10%，通過篩分清理依次獲得Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級精米。為獲得同樣的打磨效率和避免交叉污染，每級精米制備前清理清洗干凈輪砂和各倉室，并調整適當?shù)纳拜嗛g隙。總打磨度(精白度)計算公式：總打磨度=(BR-BM-SM)/BR×100%，式中BM為打磨后質量；SM為糠中碎米質量；BR為糙米質量。根據計算，Ⅰ～Ⅳ級精米的總打磨度分別約為10%、19%、27%、34%，以各級精米中最完整米粒為基準，達到最完整米粒的三分之二以上的作為整米，計算其重量百分比作為該級米的整米率。米粒表面粉塵清除方法和鎘含量分析方法相同。

1.3.3 現(xiàn)有機械的打磨工藝參數(shù)研究

采用日本進口豎式鋼輥精米機，根據該機型可調節(jié)檔位，設計了25個流量與精白度變量組合水平(表1)，以短粒型DX6和長粒型DX7的Ⅰ級精米樣品(打磨度10.0)為初始原料進行打磨實驗。按照表1從1流量水平組合開始連續(xù)打磨，每個流量水平組合的樣品初始質量為5 000.0 g，記錄入料和出料完畢所需時間(打磨時間)，并在打磨過程的中間時段取出約300.0 g過10目(短粒)和12目篩(長粒)后作為該級白度水平的分析樣本，收集余下精米過10或12目篩并稱重后，繼續(xù)下一級白度水平的打磨，以此依次獲得1～5級白度水平的分析樣本，以及打磨減重、打磨時間等數(shù)據。通過打磨室容積和打磨時間計算出各個變量組合的打磨室內單位米粒流量，以及單次打磨度、單位打磨減重效率等變量數(shù)據，并進一步通過數(shù)學統(tǒng)計處理，最終得到針對Ⅰ級精米進行打磨處理時的單位米粒流量、單次打磨度、單位減重效率的最佳參數(shù)組合。

單位米粒流量(kg/m/L)=初始米質量(kg)/打磨時間(min)/打磨室容積(L)

單次打磨度=(初始米質量-打磨后米質量+碎米質量)/初始米質量×100%)

單位減重效率=(初始米質量-打磨后米質量+碎米質量)/打磨時間(min)/打磨室體積(L)×100%

表1 流量與精白度變量組合

1.3.4 生產型精米機的打磨降鎘實驗

選取鎘超標糙米XD8(長粒型，鎘0.505 mg/kg)和XD9(長粒型，0.558 mg/kg)為材料，采用產能120 kg/h的臥輥精米機，參照最佳工藝參數(shù)調整流量與精白度水平進行打磨降鎘實驗，樣品初始質量為5 000.0 g，3個平行，分別連續(xù)打磨2次，并在打磨過程的中間時段取出約300.0 g分析樣本，所有米粒用20目去碎米以及60目鋼篩清除粉體，打磨度計算方法相同。米粒表面粉塵清除方法和鎘含量分析方法相同。

1.3.5 數(shù)據分析

所有數(shù)據均采用Excel 2007和SPSS 8.0進行統(tǒng)計處理。

2 結果與分析

2.1 稻谷組織的鎘含量分析

從表2可以觀察到，5個品種的稻谷組織鎘含量依次是糠>胚>胚乳>稻殼，與陳義芳等[22]利用X射線顯微技術測定稻米各部位的鎘含量結論相一致，也支持查燕等[11]、田陽等[16]通過碾米加工可有效降低稻米鎘含量的結論。這是由于稻米中鎘主要以絡合物的形式與蛋白質結合，與淀粉、脂肪、纖維等成分結合較少[16-17]。但稻谷品種不同，相同的打磨程度其降鎘效率差異顯著，且以現(xiàn)有的稻米加工精白度，只能使輕度超標稻谷達到降鎘達標的目的。

表2 稻谷組織的鎘含量分布特性/mg/kg

注：不同字母表示該列數(shù)據之間有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 稻米打磨降鎘實驗

針對5個品種的精米采用相同的小型砂輪精米機，通過調節(jié)砂輪間隙，以達到單次打磨減重10%的指標，進行3次連續(xù)打磨，獲得4級米粒。從米粒的消減形態(tài)看(圖1)，打磨度27%左右，所有樣本仍然有部分米粒能夠保持與初始米粒相類似的形態(tài)，與其他谷物類打磨的效果相似[18-20]，說明打磨技術在稻米加工上的應用可行性較高。

表3列出了分級米粒的降鎘率。結果表明，打磨度約10%時，Ⅰ級精米的降鎘率為10.6%～29.2%，平均降鎘率為21.4%；打磨度約34%時，Ⅳ級精米的降鎘率為26.2%～59.1%，平均降鎘率為45.2%。Ⅰ、Ⅱ級精米的單次打磨降鎘效率平均達到2倍左右，Ⅲ、Ⅳ級精米的降鎘效率顯著減小。

每個品種的打磨度與降鎘率之間均呈線性正相關關系(P<0.000 1,r=0.958)。從線性回歸方程得出低于0.26 mg/kg的超標糙米在打磨度10%左右可生產達標精米。同時，對打磨降鎘效率較差的超標品種，當總打磨度達到34%時，鎘含量也可達到0.2 mg/kg水平以下。以圖1所示米粒為基準測量各級精米的整米率，結果顯示品種間整米率的差異顯著，總打磨度達到34%時，所有品種均找不到與Ⅰ、Ⅱ級精米相似的米粒，可以認為全部是碎米。綜合這些結果總打磨度在19%以內降鎘效率高，對整米率影響較小。

圖1 糙米與打磨分級米粒的照片

2.3 現(xiàn)有機械的打磨工藝參數(shù)研究

采用處理能力30 kg/h的豎式鋼輥精米機進行最佳打磨工藝參數(shù)研究。設計了25個流量與精白度變量組合水平，分別對短粒型和長粒型的普通精米進行打磨處理，根據打磨室容積，及獲得的進料速度、打磨時間、減重率、打磨度等變量數(shù)據計算的各變量組合對應的單位米粒流量、單次打磨度、單位減重效率數(shù)據列如表4和表5所示。這些數(shù)據經過數(shù)學統(tǒng)計處理，得到在精米基礎上進行打磨處理時的單位米粒流量、單次打磨度、單位減重效率的最佳參數(shù)組合，短粒型的最佳工藝參數(shù)組合分別為11.6 kg/min/L、3.3和363.0 g/min/L，長粒型的分別為11.0 kg/min/L、2.3和226.4 g/min/L。短粒型與長粒型比較，最佳單位米粒流量幾乎相同，但單位減重效率與單次打磨度相對較高。

表3 糙米打磨技術的降鎘效率

注：不同字母表示該列數(shù)據之間有顯著性差異(P<0.05)；Y為降鎘率，X為總打磨度。

表4 短粒型打磨參數(shù)

表5 長粒型打磨參數(shù)

2.4 生產型精米機的打磨降鎘實驗

為了驗證優(yōu)化參數(shù)在生產型臥輥鋼輥精米機上應用的可行性，參照優(yōu)化打磨技術參數(shù)，調整到合適的精白度與流量組合，對糙米鎘含量分別為0.505 mg/kg(XD8)和0.558 mg/kg(XD9)的長粒型優(yōu)良品種進行了打磨降鎘實驗。圖2為無篩分打磨米粒的形態(tài)觀察。結果表明，2個樣品均獲得很好的降鎘效果，打磨度15%左右，降鎘率均達到50%左右。根據1次回歸直線的延長預測(圖3)，如要實現(xiàn)降鎘率達到80%或90%時，XD8的打磨度分別為22.5%和25.3%，而XD9的打磨度分別為24.3%和27.3%。但是，現(xiàn)有精米機在打磨度超過15%以上，打磨效率達不到優(yōu)化實驗模型。原因在于現(xiàn)有精米機械的打磨室等參數(shù)是固定的、不可調節(jié)的，或可調范圍較窄。因此，為實現(xiàn)0.2～0.6 mg/kg區(qū)間超標糙米的高效打磨降鎘目的，需要對現(xiàn)有精米機的打磨室等硬件參數(shù)進行適當?shù)母牧己蛢?yōu)化，并形成機組。

圖2 長粒型糙米與打磨分解米照片

圖3 長粒型超標糙米的打磨度與降鎘率的關系

3 結論

在精米基礎上進行打磨處理時，短粒型的最佳平均單位流量、單次打磨度、單位減重效率的最佳打磨工藝參數(shù)組合分別為11.6 kg/min/L、3.3和363.0 g/min/L，長粒型的分別為11.0 kg/min/L、2.3和226.4 g/min/L。

采用現(xiàn)有精米機械打磨是鎘0.2～0.6 mg/kg區(qū)間超標糙米的有效降技術途徑，但是，要將所有稻米品種的鎘含量從0.6 mg/kg降至0.2 mg/kg水平以下，現(xiàn)有精米機械存在一定的局限性，在總打磨度超過15%時，單位減重效率將會顯著降低，總打磨度超過19%時，碎米率顯著增加。同時品種特性的影響很大。今后應著重針對現(xiàn)有精米機械的打磨室、輥輪等關鍵硬件進行改良研究，形成高效率的打磨機組，并需要進一步積累和充實品種的成分分布、米粒組織結構等特性的數(shù)據庫。