葛一陳，楊洋,2，黎紅亮，曾紅遠(yuǎn)，曾清如*

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

頻繁的人類活動(dòng)對(duì)土壤造成了嚴(yán)重的重金屬污染，尤其是農(nóng)田土壤重金屬的污染[1]。重金屬污染物不能被化學(xué)或生物降解，易通過食物鏈途徑在植物、動(dòng)物和人體內(nèi)積累，對(duì)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2- 4]。土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)相比化學(xué)、物理等其他修復(fù)方法具有環(huán)境友好、安全、低成本等優(yōu)勢[5]。但植物修復(fù)也存在一些局限性，如修復(fù)速度慢[6]，用于修復(fù)的植物大多沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值[7]等。Blaylock等[8]采用乙二胺四乙酸強(qiáng)化印度芥菜來修復(fù)Pb污染土壤，發(fā)現(xiàn)每個(gè)生長季后可收獲地上部干重高達(dá)6 t/hm2，植物中Pb濃度高達(dá)10 000～15 000 mg/kg；Chen等[9]研究證明蜈蚣草(PterisvittataL.)是As超富集植物，其生物量鮮重約為36 t/hm2；Yang等[10- 11]發(fā)現(xiàn)Zn/Cd超富集植物東南景天地上部分的Zn濃度高達(dá)20 000 mg/kg，Cd濃度高達(dá)500 mg/kg，野外試驗(yàn)表明其生物量干重可達(dá)1.8 t/hm2。一旦這些富集重金屬的有害生物得不到合理處置，生物質(zhì)中的重金屬很可能會(huì)通過各種途徑重新釋放到環(huán)境中，從而造成二次污染。因此如何處置修復(fù)后富含重金屬的植物是植物修復(fù)技術(shù)推廣和發(fā)展的重要前提[12]。

一些油料作物對(duì)土壤重金屬修復(fù)有良好的應(yīng)有前景，其不僅能降低土壤重金屬污染修復(fù)成本，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[13]?；ㄉ鷮?duì)重金屬有一定的耐性和積累能力[14]，可以用來修復(fù)土壤重金屬污染，但重金屬會(huì)積累在花生果實(shí)中，花生果實(shí)被榨取或浸提油后，絕大部分重金屬會(huì)積累在花生粕餅中?；ㄉ墒且环N較好的蛋白資源，粗蛋白濃度為49%左右。在飼料及其他工業(yè)蛋白資源日益匱乏的今天，開發(fā)利用花生粕蛋白具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

花生提油后重金屬主要富集于粕餅中，而目前對(duì)花生粕餅中重金屬的去除研究鮮見報(bào)道。筆者探討了幾種有機(jī)酸鹽和低濃度的鹽酸對(duì)粕餅中Pb、Zn、Cu、Cd的去除效果，比較萃取前后粕餅中蛋白質(zhì)和一些營養(yǎng)元素的濃度變化，以期為花生粕餅的重金屬脫毒方法提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

花生品種為魯花14，大田試驗(yàn)地在湖南省郴州市桂陽縣官溪村重金屬污染農(nóng)田，其農(nóng)田污染土壤Cd濃度為1.31 mg/kg。黎紅亮等[14]的前期研究顯示，石油醚對(duì)花生油的萃取率高，所得食用毛油符合GB 2716—2005《食用油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。本試驗(yàn)花生粕餅為石油醚萃取后獲得，粕餅中的重金屬、粗蛋白和營養(yǎng)元素濃度見表1。

表1 花生粕餅中重金屬、粗蛋白和營養(yǎng)元素濃度

1.2 試驗(yàn)方法與儀器

花生粕餅通過酒精浸泡后能有效降解黃曲霉毒素等有害物質(zhì)[15]，且70%～75%的酒精滅菌作用最強(qiáng)[16]。試驗(yàn)采用鹽酸溶液(含70%乙醇)、檸檬酸鉀、酒石酸鉀萃取花生粕餅中的重金屬，固液比為1∶20，萃取時(shí)間為0～24 h，萃取次數(shù)為1～3次，取平均。

精確稱取2.00 g干燥的花生粕餅粉末置于60 mL離心瓶中，加入40 mL的萃取劑，其中設(shè)計(jì)0.10%、0.25%、0.50%、1.00% 濃度鹽酸和5、10、15、20、30 mmol/L 檸檬酸鉀、酒石酸鉀萃取梯度。常溫下將離心瓶置于翻滾機(jī)中，翻滾離心后，將花生粕餅烘干并磨碎，消解定容保存，以備上機(jī)檢測分析。

粗蛋白的消解：稱取0.5～0.8 g樣品粉末于消化管中，加入2片凱爾特催化片(CU3.5)，加入12 mL濃硫酸將樣品浸濕；打開排廢裝置，消化60 min，將消化管連同排廢罩一起取出，冷卻15 min；用80 mL蒸餾水稀釋、冷卻；在接收瓶中加入25～30 mL的硼酸和50 mL NaOH溶液，蒸餾后用0.2 mol/L標(biāo)準(zhǔn)滴定液滴定。

粕餅中重金屬及營養(yǎng)元素采用HNO3- H2O2消解[17]。粗蛋白濃度采用自動(dòng)凱氏定氮法測定[18]，儀器為FOSS(KjeltcTM8400)；Pb、Cd濃度采用原子吸收分光光度計(jì)(VARIAN，AA- 240FS)法測定；Zn、Cu及其他營養(yǎng)元素濃度采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP- OES，OPTIMA- 8300)測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與圖表制作采用Excel 2010和Origin Pro 8軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度的萃取劑對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響

表2 不同濃度萃取劑及pH對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響

注：所有數(shù)據(jù)均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=5)；不同字母表示在P≤0.05水平上差異顯著。

2.2 萃取時(shí)間對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響

圖1 萃取時(shí)間對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響Fig.1 Effect of extraction time on the removal efficiency of heavy metals from peanut meal

不同萃取時(shí)間下30 mmol/L酒石酸鉀、檸檬酸鉀和1.00%鹽酸對(duì)花生粕餅中重金屬的去除效果見圖1。從圖1可以看出，3種萃取劑條件下，粕餅中重金屬的去除率均隨著萃取時(shí)間的延長而增加，檸檬酸鉀和酒石酸鉀對(duì)Zn和Cu的去除率隨著萃取時(shí)間的延長始終在較低的水平。萃取時(shí)間為0～12 h時(shí)，花生粕餅中重金屬濃度迅速下降；12～24 h時(shí)，粕餅中重金屬萃取速率降低。Chao等[26]利用有機(jī)酸鹽對(duì)重金屬進(jìn)行液相萃取時(shí)一般選擇萃取時(shí)間為6 h，因?yàn)橹亟饘匐x子與有機(jī)溶劑的絡(luò)合反應(yīng)一般都發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)。本試驗(yàn)中采用1.00%鹽酸萃取6 h時(shí)，粕餅中Cd的去除率為73.77%；12 h時(shí)，Cd的去除率達(dá)86.1%，粕餅中Cd濃度低于GB 13078—2017限值。萃取12 h時(shí)，30 mmol/L檸檬酸鉀和酒石酸鉀對(duì)花生粕餅中Pb的去除率為56.14%和74.43%，Cd的去除率為58.61%和62.70%。有學(xué)者提出有機(jī)溶液對(duì)重金屬的萃取效果主要受到萃取劑濃度的影響，而反應(yīng)時(shí)間的影響并不大[27]。本試驗(yàn)中，當(dāng)萃取時(shí)間為12 h時(shí)，粕餅中重金屬的去除率達(dá)到一個(gè)較高的水平，12 h后隨時(shí)間的延長重金屬的去除率沒有明顯增加。

2.3 連續(xù)萃取對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響

通過2.1和2.2節(jié)試驗(yàn)得出，有機(jī)酸鹽萃取劑溶液濃度為30 mmol/L，萃取時(shí)間為12 h是最適萃取條件。0.50%和1.00%的鹽酸萃取后粕餅中的重金屬濃度均低于GB 13078—2017限值，在連續(xù)萃取試驗(yàn)中設(shè)定更低的鹽酸濃度(0.25%)，通過增加萃取次數(shù)使其達(dá)到較高鹽酸濃度時(shí)的去除率。從圖2可知，3種萃取劑連續(xù)萃取3次，花生粕餅中重金屬的去除率均呈上升趨勢。其中，連續(xù)萃取3次后，0.25%鹽酸對(duì)粕餅中Zn、Cd、Cu的去除率都達(dá)到了90%以上，高于其他2種萃取劑。酒石酸鉀對(duì)Zn的去除率從16.69%增加到89.91%，對(duì)Cu的去除率從44.27%增加到92.97%。檸檬酸鉀連續(xù)萃取對(duì)4種重金屬去除率的提升較另外2種萃取劑不顯著。30 mmol/L酒石酸鉀第3次萃取和0.25%鹽酸第2次萃取的花生粕餅Cd去除率為85.32%和91.39%,濃度為0.36和0.21 mg/kg，均滿足GB 13078—2017的要求。

2.4 連續(xù)萃取后花生粕餅中營養(yǎng)元素和粗蛋白濃度的變化

表3對(duì)比了3種萃取劑在連續(xù)萃取前后花生粕餅中營養(yǎng)元素和粗蛋白濃度的變化。從表3可以看出，檸檬酸鉀和酒石酸鉀連續(xù)萃取前后對(duì)粕餅中Fe、Al、Ca、Mg、P濃度影響不大，卻將大量的K元素帶到粕餅中，使連續(xù)萃取后粕餅中K濃度增加了3倍左右。鹽酸連續(xù)萃取后Ca、Mg、K濃度顯著下降，這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下，Ca、Mg、K等元素以離子態(tài)析出[28]。3種萃取劑連續(xù)萃取后粗蛋白從GB10382—1989《飼料用花生粕國家標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)降為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但粗蛋白流失較小。GB 10382—1989中沒有關(guān)于花生粕餅中營養(yǎng)元素的相關(guān)規(guī)定。

圖2 連續(xù)萃取對(duì)花生粕餅中重金屬去除效果的影響Fig.2 Effect of continuous extraction on the removal efficiency of heavy metals from peanut meal

表3 連續(xù)萃取前后花生粕餅中營養(yǎng)元素和粗蛋白的濃度

3 結(jié)論

(1)花生粕餅中重金屬去除率隨著3種萃取劑濃度的增加而增大，30 mmol/L的檸檬酸鉀、酒石酸鉀和1.00%鹽酸萃取后，花生粕餅中的Cd濃度分別為1.01、0.91和0.34 mg/kg，其去除率高于Pb、Cu和Zn。

(2)3種萃取劑對(duì)花生粕餅中重金屬都有一定的去除效果，并隨著萃取時(shí)間的延長去除率增加。萃取12 h后，對(duì)重金屬萃取效果趨于平穩(wěn)。

(3)連續(xù)萃取3次后，3種萃取劑對(duì)Zn、Cu的去除率都有較大提升；30 mmol/L的酒石酸鉀第3次萃取和0.25%的鹽酸第2次萃取后，Cd的去除率為85.32%和91.39%，且粕餅中Cd濃度為0.36和0.21 mg/kg，均達(dá)到GB 13078—2017要求。

(4)3種萃取劑在去除粕餅中重金屬的同時(shí)對(duì)營養(yǎng)元素有一定的影響，其中低濃度的鹽酸相比于檸檬酸鉀和酒石酸鉀對(duì)部分營養(yǎng)元素影響較大，3種萃取劑對(duì)粗蛋白流失的影響較小。