超標(biāo)稻米打磨降鎘技術(shù)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究

1、超標(biāo)稻米打磨降鎘技術(shù)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究龐敏1,2 郭晉琦2 陶湘林2,3 吳躍輝2,3 魏穎娟2,3 唐漢軍1,2,3（湖南大學(xué)隆平分院1，長沙410125）（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物淀粉化學(xué)與代謝組學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)2，長沙410125）（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所3，長沙410125）摘 要 本研究針對湖南地區(qū)鎘含量0.10.6 mg/kg區(qū)間的9個秈稻品種稻米，采用現(xiàn)有的精米機(jī)械進(jìn)行打磨降鎘試驗(yàn)。結(jié)果顯示，打磨度在19%以下時，降鎘效率高，對整米率的影響較小，現(xiàn)有精米機(jī)械打磨是鎘超標(biāo)糙米的有效降鎘技術(shù)途徑；單位米粒流量、單次打磨度、單位減重效率等最佳工藝參數(shù)組合，短粒型分別為11.6 kg/m

2、in/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。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(jī)械存在一定的局限性。關(guān)鍵詞 稻米、打磨降鎘、打磨參數(shù) 中圖分類號：TS212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-0174（ ） - - Process Optimization of Cadmium Removal in Rice with Milling TechnologyPang Min1,2 Guo Jinqi 2 Tao Xianglin 2,3 Wu yuehui2,

3、3 Wei Yingjuan2,3 Tang Hanjun1,2,3（Longping Branch Graduate School, Hunan University1, Hunan 410125, China）（Research team of crop starch chemistry and metabonomics, Hunan academy of agricultural sciences2, Hunan 410125, China）（Hunan Agricultural Product Processing Institute3, Hunan 410125, China）Abs

4、tract In this study, polished rice was used to reduce cadmium by using the existing rice milling machine. Nine indica rice varieties were used in the range of 0.1-0.6 mg / kg cadmium in Hunan Province. The results show that the degree of milling less than 19%, cadmium reduction efficiency, the whole

5、 rice rate less affected, The existing rice polisher milling cadmium is excessive cadmium effective ways to reduce cadmium technology. Therefore, the existing mechanical milling of polished rice is an effective way to reduce cadmium by using cadmium exceeding brown rice. The best combination of proc

6、ess parameters of rice grain flow rate, a single degree of grinding, unit weight loss efficiency and so on, short-grain type were 11.6 kg / min / L, 3.3 and 363.0 g / min / L, long-grain type were11.0kg / min / L, 2.3 and 226.4 g / min / L. However, the existing rice machinery has some limitations,

7、reducing the cadmium content of all rice varieties from 0.6 mg / kg to less than 0.2 mg / kg.Key words： rice；cadmium removal with milling technology； milling parameter近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)藥、化肥、除草劑等的不合理施用，農(nóng)田土壤中鎘污染日趨嚴(yán)重1-2。目前，國內(nèi)外專家提出了許多污染治理的技術(shù)手段，主要有生物修復(fù)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(shù)手段存在穩(wěn)定性差、成本高、

8、時間長等問題，在可預(yù)見的相當(dāng)長時間里鎘等重金屬超標(biāo)稻谷的產(chǎn)出不可避免。產(chǎn)后鎘超標(biāo)稻米加工處置技術(shù)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(shù)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(jié)合在稻谷的蛋白質(zhì)上13- 15，查燕等采用組織化學(xué)分析法對農(nóng)作物籽實(shí)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(dá)到24.1%16-17。還有研究顯示谷物類子實(shí)的打磨分級粉成分差異顯著18-20 ，蛋白質(zhì)含量從外及內(nèi)呈遞減趨勢。田陽等對12個稻谷樣品通過試驗(yàn)打磨表明精白度與鎘去除率呈正相關(guān)

9、11。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(biāo)稻谷的一條有效降鎘技術(shù)途徑。但是，針對不同粒型及組織結(jié)構(gòu)特性的稻谷品種，在不同工作原理的現(xiàn)有工程機(jī)械上的實(shí)際鎘去除效率、工藝參數(shù)等還沒有可行性應(yīng)用研究報告。因此，本研究針對南方秈稻鎘超標(biāo)稻谷，采用現(xiàn)有精米機(jī)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(yīng)用可行性、工藝參數(shù)等，為鎘超標(biāo)稻谷的物理處置技術(shù)模式提供實(shí)踐依據(jù)，以及構(gòu)建技術(shù)規(guī)程積累科學(xué)數(shù)據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料2014年至2016年從湖南長株潭水稻產(chǎn)區(qū)隨機(jī)取樣，獲取了29個秈稻品種共計(jì)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

10、了糙米鎘含量在0.10.6mg/kg區(qū)間的9個品種，其中7個長粒型品種、2個短粒型品種作為試驗(yàn)材料（試驗(yàn)編號XD19），經(jīng)過精選去雜和去殼后在05下儲藏備用。硝酸(優(yōu)級純)、高氯酸(優(yōu)級純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購入；鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液:國家鋼鐵材料測試中心購入。1.2儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)室電動礱谷機(jī)JLG-1；實(shí)驗(yàn)室小型砂輪精米機(jī)JMNJ-3（臺州市新恩精密糧儀有限公司）；多功能精選機(jī)（產(chǎn)能500kg/h，萊州市郭家店鎮(zhèn)永興機(jī)械廠）；豎式精米機(jī)VP-32T（豎輥鋼輥，產(chǎn)能30kg/h，株式會社山本制作所）；臥式合盛營養(yǎng)精米機(jī)6N-4.8型（臥輥鋼輥，產(chǎn)能120kg/h，重慶合盛工業(yè)有限公司）； XJS2

11、0-42智能消解儀：天津萊伯特公司；原子吸收光度計(jì)A3AFG-12（北京普析公司）；土壤、糧油重金屬及有毒有害物質(zhì)快速檢測儀X7800（天津博智偉業(yè)科技有限公司）。1.3試驗(yàn)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(jī)去殼，分別收集稻殼和糙米，稻殼經(jīng)水洗三次后，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(fēng)機(jī)清理干凈后作為糙米分析樣本；每次取糙米樣本20g用小型砂輪精米機(jī)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4060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

12、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(jī)取樣經(jīng)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(jī)取樣在105下烘干測量水分含量，修正鎘含量檢測數(shù)據(jù)后作為樣本的鎘含量值。1.3.2 稻米打磨降鎘試驗(yàn)采用分級打磨法18，在實(shí)驗(yàn)室小型砂輪精米機(jī)制取分級米粒。取糙米樣本（長粒型XD1XD4、短粒型XD5）300g用小型砂輪精米機(jī)打磨減重10%，收集米粒在10目鋼篩上用軟毛刷與吹風(fēng)機(jī)清理干凈作為級精米；同樣以上級精米為原料用小型砂輪精米機(jī)打磨減重10%，通過篩分清理依次獲得、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，

13、并調(diào)整適當(dāng)?shù)纳拜嗛g隙?？偞蚰ザ龋ň锥龋┯?jì)算公式如下：總打磨度(%) = (BR-BM-SM)/BR ×100%，公式中BM為打磨后質(zhì)量，SM為糠中碎米質(zhì)量，BR為糙米質(zhì)量。根據(jù)計(jì)算，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(zhǔn)，達(dá)到最完整米粒的三分之二以上的作為整米，計(jì)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與上述相同。1.3.3 現(xiàn)有機(jī)械的打磨工藝參數(shù)研究采用日本進(jìn)口豎式鋼輥精米機(jī)，根據(jù)該機(jī)型可調(diào)節(jié)檔位，設(shè)計(jì)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的級精米樣品（打磨度10.0）為初

14、始原料進(jìn)行打磨試驗(yàn)。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重量為5000.0g，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300.0g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15級白度水平的分析樣本，以及打磨減重、打磨時間等數(shù)據(jù)。通過打磨室容積和打磨時間計(jì)算出各個變量組合的打磨室內(nèi)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(jù)，并進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理，最終得到針對級精米進(jìn)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)

15、組合。單位米粒流量（kg/m/L）=初始米重量（kg）/打磨時間（m）/打磨室容積（L）單次打磨度(%)=（初始米重量-打磨后米重量+碎米重量）/初始米重量×100）單位減重效率（%）=（初始米重量-打磨后米重量+碎米重量）/打磨時間（m）/打磨室體積（L）表1.流量與精白度變量組合精白度 流量1234511*11*21*31*41*522*12*22*32*42*533*13*23*33*43*544*14*24*34*44*555*15*25*35*45*51.3.4 生產(chǎn)型精米機(jī)的打磨降鎘試驗(yàn)選取鎘超標(biāo)糙米XD8（長粒型，鎘0.505mg/kg）和XD9（長粒型，0.558mg

16、/kg）為試驗(yàn)材料，采用產(chǎn)能120kg/h的臥輥精米機(jī)，參照上述獲得的最佳工藝參數(shù)調(diào)整流量與精白度水平進(jìn)行打磨降鎘試驗(yàn)，樣品初始重量為500 0.0g，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300.0g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(jì)算方法同上。米粒表面粉塵清除方法和鎘含量分析方法與上述相同。1.3.5數(shù)據(jù)分析所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel2007和SPSS8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。2 結(jié)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(shù)測定稻米各部

17、位的鎘含量結(jié)論相一致，也支持查燕、田陽等通過碾米加工可有效降低稻米鎘含量的結(jié)論11, 16。這是由于稻米中鎘主要以絡(luò)合物的形式與蛋白質(zhì)結(jié)合，與淀粉、脂肪、纖維等成分結(jié)合較少16-17。但是品種不同，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(biāo)稻谷達(dá)到降鎘達(dá)標(biāo)的目的。表2.稻谷組織的鎘含量分布特性樣品XD1/mg/kgXD2/mg/kgXD3/mg/kgXD4/mg/kgXD5/mg/kg稻殼0.195c0.115d0.113e0.157e0.185c糙米精米（打磨度10%）0.291b 0.206c0.141c0.126cd0.199c0.154d0.417c0.

18、337d0.190c0.142d胚芽0.397a0.239b0.432b0.569b0.306b糠（表皮與糊粉層）0.380a0.354a0.516a0.617a0.382a注：數(shù)據(jù)后面的不同字母表示該列數(shù)據(jù)之間有顯著性差異（p0.05）2.2稻米打磨降鎘試驗(yàn)針對上述5個品種的精米采用相同的小型砂輪精米機(jī)，通過調(diào)節(jié)砂輪間隙，以達(dá)到單次打磨減重10%的指標(biāo)，進(jìn)行了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)，與其它谷物類打磨的效果相似18-20，說明打磨技術(shù)在稻米加工上的應(yīng)用也許可行。表3列出了這些分級米粒的降鎘率

19、。結(jié)果表明，打磨度約10%時，I級精米的降鎘率為10.629.2%，平均降鎘率為21.4%；打磨度約34%時，級精米的降鎘率為26.259.1%，平均降鎘率為45.2%。I、級精米的單次打磨降鎘效率平均達(dá)到2倍左右，、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(guān)關(guān)系(P<0.0001, r =0.958)。從線性回歸方程得出低于0.26 mg/kg的超標(biāo)糙米在打磨度10%左右可生產(chǎn)達(dá)標(biāo)精米。同時，對打磨降鎘效率較差的超標(biāo)品種，當(dāng)總打磨度達(dá)到34%時，鎘含量也可達(dá)到0.2 mg/kg水平以下。以圖1所示米粒為基準(zhǔn)測量各級精米的整米率，結(jié)果顯示品種間整米率的差異顯著，

20、總打磨度達(dá)到34%時，所有品種均找不到與I、級精米相似的米粒，可以認(rèn)為全部是碎米。綜合這些結(jié)果總打磨度在19%以內(nèi)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表3.糙米打磨技術(shù)的降鎘效率樣品總打磨度10%總打磨度19%總打磨度27%總打磨度34%線性回歸方程XD1降鎘率/%整米率/%29.2c75.150.2b79.754.3ab42.759.1aY1=1.194X1+21.333，R12=0.8785XD2降鎘率/%整米率/%10.6d76.215.6c67.322.7b69.026.2aY2=0.674X2+3.610，R22=0.9889XD3降鎘率/%整米率/%22.6d

21、79.434.2c72.142.7b63.649.2aY3=1.108X3+12.239，R32=0.9946XD4降鎘率/%整米率/%19.2c73.542.0b69.143.6b40.050.8aY4=1.226X4+11.325，R42=0.8588XD5降鎘率/%整米率/%25.3c24.831.6b3.131.6b40.5aY5=0.564X5+19.556，R52=0.8717平均降鎘率/%21.434.739.045.2Y = 0.954X + 13.602，R² = 0.9584降鎘效率(降鎘率/總打磨度)2.11.81.41.3注：數(shù)據(jù)后面的不同字母表示該列數(shù)據(jù)之間

22、有顯著性差異（p0.05）；Y為降鎘率，X為總打磨度。2.3現(xiàn)有機(jī)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(jī)進(jìn)行最佳打磨工藝參數(shù)研究。設(shè)計(jì)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(jìn)行打磨處理，根據(jù)打磨室容積，及獲得的進(jìn)料速度、打磨時間、減重率、打磨度等變量數(shù)據(jù)計(jì)算的各變量組合對應(yīng)的單位米粒流量、單次打磨度、單位減重效率數(shù)據(jù)列如表4和表5。根據(jù)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理，得到在精米基礎(chǔ)上進(jìn)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

23、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4 短粒型打磨參數(shù)變量組合單位米粒流量/kg/m/L單次打磨度/%單位減重效率/g/m/L11 5.90.9 38.412 7.00.8 48.11310.90.8 78.11420.40.6124.4152135.0 5.90.51.7128.9 87.022 7.01.4 97.72310.91.4143.32420.41.1218.1253135.0 5.90.82.4244.5144.632 7.02.2153.03310.92.

24、3214.33420.41.5293.4354135.0 5.91.23.4348.5218.442 7.03.0237.44310.92.7286.34420.41.8362.1455135.0 5.91.34.5427.4274.252 7.04.1291.35310.93.6380.05420.42.2422.15535.01.5504.5表5 長粒型打磨參數(shù)變量組合單位米粒流量/kg/m/L單次打磨度/%單位減重效率/g/m/L11 4.00.9 35.012 5.10.9 38.713 8.20.8 58.21415.90.6 90.2152127.7 4.00.51.7123.5

25、64.322 5.11.6 79.823 8.21.3102.82415.90.9134.6253127.7 4.00.82.3194.2 91.032 5.12.3113.933 8.21.8142.63415.91.2184.5354127.7 4.01.02.7251.4107.942 5.12.6134.343 8.22.1173.04415.91.6240.6455127.7 4.01.03.3264.0132.952 5.13.2160.353 8.22.6217.15415.91.8262.55527.71.4340.62.4生產(chǎn)型精米機(jī)的打磨降鎘試驗(yàn)為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)在生產(chǎn)型臥輥

26、鋼輥精米機(jī)上應(yīng)用的可行性，參照上述的優(yōu)化打磨技術(shù)參數(shù)，調(diào)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(jìn)行了打磨降鎘試驗(yàn)。圖2為無篩分打磨米粒的形態(tài)觀察。結(jié)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(dá)到50%左右。根據(jù)1次回歸直線的延長預(yù)測（圖3），如要實(shí)現(xiàn)降鎘率達(dá)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(jī)在打磨度超過15%以上，打磨效率達(dá)不到優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。原因在于現(xiàn)有精米機(jī)械的打磨室等參數(shù)是固定的、不可調(diào)節(jié)

27、的，或可調(diào)范圍較窄。因此，為實(shí)現(xiàn)0.20.6 mg/kg區(qū)間超標(biāo)糙米的高效打磨降鎘目的，需要對現(xiàn)有精米機(jī)的打磨室等硬件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧己蛢?yōu)化，并形成機(jī)組。圖2 長粒型糙米與打磨分解米照片圖3 長粒型超標(biāo)糙米的打磨度與降鎘率的關(guān)系3.結(jié)論在精米基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)械打磨是鎘0.20.6 mg/kg區(qū)間超標(biāo)糙米的有效降技術(shù)途徑，但是，要將所有稻米品種的鎘含量從0

28、.6 mg/kg降至0.2 mg/kg水平以下，現(xiàn)有精米機(jī)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(yīng)著重針對現(xiàn)有精米機(jī)械的打磨室、輥輪等關(guān)鍵硬件進(jìn)行改良研究，形成高效率的打磨機(jī)組，并需要進(jìn)一步積累和充實(shí)品種的成分分布、米粒組織結(jié)構(gòu)等特性的數(shù)據(jù)庫。參考文獻(xiàn)1 陳京都, 劉萌, 顧海燕,等. 不同土壤質(zhì)地條件下麥秸、鉛對鎘在水稻-土壤系統(tǒng)中遷移的影響J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2011, 30(7):1295-1299CHEN J D, LIU M, GU H Y, et al. Effects of w

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