稻谷重金屬檢測和去除方法的研究進展

劉淼淼，孫倩倩，張 波，郭波莉，周國燕

(上海理工大學健康科學與工程學院1，上海 200093)(中國農業科學院農產品加工研究所2，北京 100193)

在東亞和東南亞地區，大米是最主要的糧食作物。然而近年來隨著工業快速發展，環境污染問題造成大氣、水、土壤等都出現不同程度的重金屬污染，導致稻谷中的重金屬污染問題嚴重。一些工業廢物排放、污水灌溉以及農藥化肥的過量使用等行為使重金屬轉移到土壤、水體或植物中，進而進入食物網中[1]。重金屬指的是比重超過5的金屬元素，如鉛、鎘、汞、鉻、砷等元素，具有比較明顯的生物毒性。在眾多農作物中，水稻極易吸收富集重金屬，當人體攝入過多的重金屬污染大米，則會影響人體健康。

鎘大米事件帶來的食品安全隱患促使科研人員對稻谷重金屬消減進行研究，目前大部分科研成果是圍繞治理修復土壤、培育低重金屬積累的水稻植株等方向研究，且已經取得一定進展。但市場上仍然存在著一定量重金屬超標稻谷[2]，面臨著儲糧成本增大、消化任務艱巨、壓庫虧損等問題。重金屬污染不但影響大米的食用安全，危害消費者健康；而且直接影響糧食的收購、儲藏和流通以及農民的種糧積極性，對于糧食經濟的持續發展極為不利。因此，去除稻谷中的重金屬元素，找到重金屬污染稻谷的合理利用途徑，對保障糧食安全及人們身體健康具有重要意義。

1 稻谷中重金屬的檢測方法

GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中[3]規定了稻谷的重金屬限量分別為：鉛0.2 mg/kg、鎘0.2 mg/kg、總汞0.02 mg/kg、無機砷0.2 mg/kg。重金屬含量是稻谷安全的一項重要指標，檢測技術和儀器也在根據需求不斷更新發展。目前常用的檢測方法包括石墨爐原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質譜法以及一些快速檢測方法等，不同方法檢測的元素、檢測限、耗時有明顯差異，具體見表1。

表1 重金屬檢測方法匯總

1.1 石墨爐原子吸收光譜法

石墨烯原子吸收光譜法(GFAAS)建立于20世紀60年代，是原子吸收光譜法與石墨爐原子化技術相結合的檢測方法。石墨爐原子化器使試樣干燥、蒸發、原子化，極大地提高了原子化效率，待測元素的基態原子吸收一定波長的光輻射使原子外層的電子從基態躍遷到激發態，根據不同元素電子的能級不同而有選擇性的吸收不同波長的輻射，從而實現定性定量分析[15]，GFAAS是國標中規定的檢測食品中鎘的標準方法[16]，一般用于檢測大米中鉻、鎘、鉛等重金屬元素[17]。

1.2 氫化物原子熒光光譜法

氫化物原子熒光光譜法(HG-AFS)是20世紀70年代中期發展起來的，我國學者將氫化物發生(HG)與原子熒光光譜法(AFS)2種技術聯用，形成了氫化物發生-原子熒光光譜法。待測元素生成氫化物氣體排除了干擾元素以及靈敏度得到提高[18]，檢測器測定在一個特定頻率的輻射下該元素的原子蒸汽所發出的熒光強度而實現元素含量測定。原子熒光光譜法一般用于檢測砷、汞、硒、鉛、碲、鎘、金等12種元素，大米中多用于檢測砷、硒、汞等重金屬元素[5, 19]?；谏V技術的分析性能，原子熒光光譜法常常與液相色譜、氣相色譜以及離子色譜聯用，應用于糧食、環境中的重金屬檢測。

1.3 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)自20 世紀80 年代開始迅速發展成為一項新的重金屬分析技術。工作原理是讓工作氣體(Ar)進入等離子體發生器發生電離，此時各種電子、離子和原子高速運動而發生強烈碰撞形成等離子體炬區面，樣品溶液經過超霧化裝置變為氣溶膠進入等離子體焰而被分解成激發態粒子，根據粒子由激發態回到基態時放出的能量強度測定元素種類和含量[20]。ICP-MS適用于多元素分析，是GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》[21]中的標準檢測方法，目前大米中重金屬元素檢測用微波消解-電感耦合等離子體質譜法越來越普遍[22, 23]，雖然儀器設備價格昂貴，但是檢測的準確性和科學性得到了極大的提高。

1.4 快速檢測法

傳統重金屬檢測方法的樣品前處理繁瑣，對儀器和檢測人員的要求較高，不適合現場大批量檢測。隨著重金屬檢測技術的發展，產生了多種快速檢測的方法，以防止污染稻谷在市場上的流通，為稻谷的質量安全提供充分支撐。

1.4.1 比色法

比色法早在20世紀30年代就廣泛應用于金屬檢測，重金屬離子能與試劑發生化學反應引起顏色變化，通過比較或測量基團顏色的深淺來確定待測重金屬元素的含量。這種方法雖然靈敏度低，干擾因素多，但是操作簡單、反應時間短，適用于大米的簡易測試。

1.4.2 電化學分析法

在傳統化學檢測的基礎上，20世紀70年代電化學分析方法出現，利用電能與化學能之間的相互轉化和重金屬離子的電化學性質(電流、電量、電導等參數)來分析元素成分和含量[24]。該方法成本低，易于推廣，適用于大米的批量檢測。

1.4.3 免疫分析法

免疫分析法在20世紀90年代就用于重金屬粒子的分析檢測。包括酶聯免疫吸附測定法(ELISA)和膠體金免疫層析法(CGICA)[25]。酶聯免疫吸附測定法是抗原或抗體與酶結合于固相載體上，根據酶的催化反應使底物顏色發生變化，根據顏色反應對中重金屬元素進行分析測定。但是結果受到酶特性和特異性抗體的影響較大，檢測數據會出現波動。膠體金免疫層析法是以膠體金顆粒作為顯示標記物，利用抗原和抗體的高度特異性，樣品溶液通過硝酸纖維素膜載體的毛細作用向前移動，結合儀器分析檢測顯色情況測定重金屬離子濃度[26]。膠體金免疫層析試紙法適用于大批量現場檢驗，已經成功應用于大米重金屬快速檢測。

不同檢測方法各有其優缺點(表2)，可以根據不同需求來選擇適宜的檢測方法。

表2 重金屬檢測方法優缺點

2 重金屬在稻谷中的分布及存在形態

了解重金屬在稻谷中的分布及存在形態對指導重金屬的有效去除有重要意義。

2.1 分布

稻谷由外層至內層的組成為：稻殼、米糠、胚和胚乳(精米)。田陽等[27]通過控制碾米精度獲得了米糠、稻殼、胚乳等產物，采用石墨爐原子吸收光譜法測定稻谷籽粒鎘含量，結果發現鎘含量分布趨勢為：米糠>稻殼>胚乳。喻鳳香等[28]、倪小英等[29]分析檢測了重金屬As、Cd、Pd、Hg在稻谷各組成部分中的含量分布情況，同樣都發現米糠中的重金屬含量最高，其次是胚乳，最后是稻殼。重金屬離子在稻谷的不同部位的分布是不均勻，可能由于稻谷品種的差異導致稻殼和胚乳中的分布規律出現變化，但是總體而言米糠中所含的重金屬比重較大[30]，且顯著高于其他部位。其原因主要是與稻谷各部位的成分不同有關，米糠層的蛋白質含量要高于胚乳和稻殼，且存在大量可以與重金屬離子結合的官能團。

2.2 存在形態

重金屬元素易聚集在蛋白質含量較高的部位，呈現與蛋白質相結合的形態[31-33]，也有少量與纖維素、半纖維素結合。楊居榮等[34]采用不同溶劑提取谷物中重金屬Cd、Cu、Pb，發現重金屬在谷物中主要以鰲合形態存在，其中以與堿溶性蛋白質、鹽溶性蛋白質的結合形態為主。魏帥[35]也證明了蛋白結合態是水稻籽粒中鎘元素最主要的賦存形態，鎘與球蛋白和清蛋白的結合能力較強，進行氨基酸分析后發現含硫氨基酸的含量與鎘含量成正比，推測蛋白質基團中的含硫殘基對鎘元素的吸附起了重要作用。

3 稻米中重金屬去除方法

稻谷加工工藝過程中，第一步工序是礱谷，即稻谷脫去稻殼得到糙米，進而進入碾米階段，糙米的皮層(米糠)被碾去，得到胚乳(精米)，如果有精深加工需求，可以通過化學手段分離提取大米淀粉和大米蛋白(圖1)。目前的重金屬去除方法主要有礱谷碾米、溶液浸提、微生物發酵、糙米發芽、分離大米淀粉和大米蛋白等。稻谷加工過程中不同環節加工產物的重金屬去除方法具體見表3。

圖1 稻谷加工工藝示意圖

表3 稻谷加工過程中各環節的重金屬去除方法

3.1 稻谷重金屬去除方法

清理除雜后的稻谷可以通過礱谷、碾米物理加工過程去除一部分存在于稻殼中的重金屬，也可以對稻谷進行溶液浸提去除重金屬。

3.1.1 溶液浸提

稻谷在礱谷之前進行溶液浸提，此時一些可溶性蛋白的溶出將部分重金屬帶出，稻殼米糠也有吸附重金屬的作用，因此溶液浸提加工工藝有重金屬脫除效果。陸金鑫等[36]用水浸泡稻谷，先在實驗室小試裝置研究鎘遷移規律，然后在生產線上進行實際樣品的采集和檢測加以驗證，即鎘在浸泡過程中由精米向米糠中遷移富集，精米中的鎘含量可降低約40%。除了用水浸提，有機酸溶液的浸提效果更好。張鵬舉等[37]采用檸檬酸浸提稻谷，探究了檸檬酸濃度、浸泡溫度和時間對降鎘效果的影響，工藝優化后最大降鎘率為52.13%。

蒸谷米的工藝流程為先浸泡稻谷使其內部充分水合，接著蒸煮處理使淀粉糊化以提高稻谷品質，然后干燥便于后續礱谷碾米處理，拋光色選最終得到蒸谷米。浸泡是新興米制品蒸谷米加工工藝中的一道加工工序，將蒸谷米加工過程中的浸泡工藝利用起來，在沒有增加復雜工藝設備的條件下有效解決稻谷重金屬污染的問題是一個重要的研究方向。

3.1.2 礱谷碾米

稻谷礱谷脫去穎殼、碾米去除皮層是在常規大米加工過程中所必需的工藝流程。丁哲慧等[38]在研究稻谷加工成精米過程中，通過增大碾米精度，適當提高米糠去除率，以改變重金屬去除效果，碾米2 min 后重金屬As、Cd、Pb的去除率分別為37.48%、20.71%、31.82%。田陽[39]通過礱谷碾米加工降低了精米的鎘含量，并且用回歸模型分析明確了在礱谷加工中，鎘含量<0.226 mg/kg 的稻谷通過礱谷后可得到達標糙米(Cd<0.2 mg/kg)；鎘含量<0.288 mg/kg的糙米經過碾米2.5 min 后可得到達標精米(Cd<0.2 mg/kg)。我國稻谷加工鏈及工業產品種類單調，大米的主流加工工藝是通過多機輕碾將糙米加工成精米。關于重金屬污染稻谷可采用的去除方法中，通過物理礱谷碾米加工消減重金屬的研究已頗有成效，但是這種方法消減效果有限，當重金屬污染程度超過一定范圍時需要考慮其他方法。

3.2 糙米重金屬去除方法

稻谷經過礱谷后去除了穎殼，得到含米糠和胚芽的糙米，可以通過溶液浸提糙米促進重金屬由內向外的遷移，也可以通過糙米的發芽過程來去除重金屬。

3.2.1 溶液浸提

浸提劑包括水溶液和酸溶液，一般去除效果最有效的是酸溶液，由于稻谷中的重金屬元素主要以蛋白質結合態形式存在，酸溶液浸提可以溶解蛋白質、破壞重金屬與蛋白質之間的結合力，促進重金屬元素釋放，此外，一些有機酸作為金屬螯合劑可以與重金屬形成絡合物去除重金屬[40]。

研究表明對糙米直接浸提效果較差[41]，而對糙米粉進行溶液浸提處理后重金屬降低效果較為明顯，這可能是因為粉狀樣品比顆粒狀樣品更容易釋放出鎘元素。不同酸對糙米粉中重金屬去除效果不同，周明慧等[42]用不同濃度的檸檬酸和乳酸浸提糙米粉，結果發現乳酸的浸提效果更好，最大降鎘率可達82.9%。吳亞楠[43]研究比較檸檬酸、蘋果酸和酒石酸對糙米粉中鎘的去除效果，不同有機酸的配位體與金屬的絡合能力不同，確定用效果最好的檸檬酸作為浸提劑，將糙米粉與0.08 mol/L檸檬酸混合置于45 ℃的恒溫水浴振蕩器(150 r/min)中浸泡53 min，Cd的去除率為94.28%，并且在高效除鎘的同時對糙米粉的品質影響較小。

3.2.2 發芽

保留胚芽的糙米在合適的溫度、濕度下浸泡后可以發芽，發芽過程中多種酶被激活并釋放，隨著一部分蛋白質、淀粉、纖維素等大分子物質被分解、粗纖維被軟化，存在于蛋白質、纖維素中的重金屬也隨之遷移達到重金屬脫除目的。

王啊娟等[44]從市場上隨機選取了8種不同品牌、不同產地的糙米樣品，檢測發現8種樣品的鉛、砷、鎘超標程度均不同，將消毒后的糙米浸泡發芽，結果發現鉛和砷的降低幅度遠遠高于鎘的降低幅度，降鉛率為89.0%～100%、降砷率為60%～100%、降鎘率為6.2%～35.5%，同一重金屬元素去除率不同可能與不同品種、產地水稻的特性和發芽過程中產生的酶活力不同有關。在發芽浸泡階段使用不同溶液浸泡，可以有效促進重金屬元素遷移溶出，EDTA-CaNa2溶液可以促進發芽糙米中重金屬元素遷移溶出[45]，經過EDTA-CaNa2溶液浸泡后發芽的糙米降鎘率達45%，這是由于EDTA作為一種強金屬螯合劑，能夠與重金屬離子發生反應生成穩定的易溶于水的螯合物，從而將重金屬遷移到浸泡液中。魏帥等[46]用添加了L-半胱氨酸和硫酸鎂的磷酸氫二鈉-檸檬酸的復配溶液在發芽前浸泡糙米，并輔助超聲處理，發現最優條件下脫鎘率達到45%以上。利用發芽脫除重金屬技術不僅能提高發芽糙米產品的安全性，而且能促進糙米中GABA的富集，提高其營養價值。

糙米發芽則是利用重金屬在稻谷中主要以蛋白結合態、纖維素結合態存在的特點來消減重金屬，而且發芽后的糙米還保留了米糠層豐富的營養素，產生了γ-氨基丁酸、谷胱甘肽等具有生物活性的物質，極大的提高了糙米的適口性和營養價值[47, 48]，更加迎合了追求健康飲食的市場需求。因此，發芽也是重金屬消減的有效技術，可在今后深入探討研究。

3.3 胚乳重金屬去除方法

糙米經過碾米去除糠層后得到胚乳(精米)，溶液浸提和利用微生物發酵是去除精米重金屬的有效方法，此外，還可以通過吸附、洗脫、超聲處理、高壓脈沖電場處理等新方法去除。

3.3.1 溶液浸提

Sharafi等[49]用去離子水浸提精米12 h后降鎘率達18%、降鉛率達37%、降砷率達36%。許艷霞等[50]采用檸檬酸溶液對鎘超標精米進行浸提，當在檸檬酸浸提液中加入0.5 mol/L氯化鈉后降鎘率從48.1%增加到69.5%，說明氯化鈉在酸性環境中促進了精米鎘含量的降低，優化后的最佳降鎘率可達82.20%。由于粉狀比顆粒狀的浸提效果好[42]，所以目前的研究多是基于米粉形態來探究重金屬脫除效果。博亞平等[51]探究了乳酸、乙酸、酒石酸、草酸、蘋果酸等有機酸浸提劑對米粉中鎘的脫除效果，研究結果顯示乳酸浸提米粉中重金屬鎘的效果很好，脫除率達85%以上。呂齊明等[52]采用乳酸和 NaCl 協同浸提，在乳酸溶液中添加0.66%的NaCl 時，米粉中降鎘率為從69%增加到96%，說明了NaCl在酸性環境可以促進重金屬的脫除，此結果與許艷霞等[50]的研究結果一致。米粉的酸浸處理可以在生產米粉制品(如年糕、腸粉、米糕等)的浸泡階段或磨漿階段進行，能有效降低米粉制品中重金屬含量。

溶劑浸提除了可用于稻谷，在稻谷加工過程中的其他環節的米制品(糙米、精米)都可以采用此方式來消除重金屬，溶劑大多采用水或有機酸，但是研究表明酸液浸提的效果更好，雖然溶液浸提法可以去除存在于籽粒內部的重金屬，表現出重金屬浸提率高、耗時短等優點，但是長時間浸泡則會使米制品存在酸味嚴重、組織松散、食味品質差等問題。

3.3.2 發酵法

微生物發酵降低了蛋白質含量，一部分是由于微生物生長將大米蛋白作為唯一氮源[53]，另一方面微生物產酸產酶，大米蛋白被分解成小分子肽及氨基酸，導致與蛋白結合的重金屬從結合態轉變為游離態[54]遷移至發酵液中，產生去除重金屬的效果。

通過分離鑒定可知，在米粉的自然發酵過程中，主要微生物是乳酸菌屬[55]。不同植物乳桿菌菌株的生理特性不同，對精米重金屬的去除效果不同[56]。植物乳桿菌CCFM8610結合Cd的能力和產酸能力較好，用此菌種發酵后Cd去除率可達93%以上。Zhang等[57]研究表明混合菌種發酵對鎘的去除率(69.32%)高于單一菌種發酵的去除率(69.32%)，因此有許多學者利用混合菌液進行發酵。劉也嘉等[58]在進行精米發酵降鎘時除了用米粉發酵液還添加了強化菌種嗜熱鏈球菌和德氏乳桿菌，研究得到最佳降鎘率為 79.24%。傅亞平等[59]用乳酸菌發酵技術脫除大米粉中的重金屬鎘，發酵菌種為植物乳桿菌和戊糖片球菌的混合菌，最優工藝下大米粉鎘含量從0.647 9 mg/kg降低至0.092 5 mg/kg，脫除率達 85.73%。吳衛國等[60]則在大米漿液中添加了植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌和釀酒酵母的混合菌，于39 ℃下靜置發酵16 h，脫鎘率達85%以上。

對于精米及米粉而言，微生物發酵過程產酸產酶會導致蛋白質與灰分的含量降低，因此發酵法能有效消減精米重金屬，雖然其所需時間較長，但發酵處理后的精米可以直接用于酸米粉、米面包、醪醩等發酵米制品的開發利用，實現了半成品的安全利用。

3.3.3 其他

Motaghi等[61]和Razafsga等[62]用改性檸檬皮、改性香蕉皮作為生物吸附劑去除精米中的重金屬離子，結果顯示此方法對精米中Pb和Cd的降低效果最好，配合漂洗和食鹽浸泡，可使精米中的鎘含量降低93.2%，鉛含量降低83.78%。黃瑤等[63]用新型綠色天然低共熔溶劑(NADES)洗脫去除大米粉中重金屬鎘，將大米粉與制備的NADES混合均勻后置于60 ℃水浴1 h，期間每隔15 min超聲5 min，最后離心、水洗、干燥得到大米粉產品，降鎘率高達96%，NADES去除機制主要是依靠化學吸附起到高效除鎘的作用。吳偉等[64]通過高壓脈沖電場和超聲波協同作用使大米蛋白構象發生變化，從而使結合態的鎘溶解到去離子水中，該方法安全高效、環保、對營養成分破壞少，大米粉的降鎘率達到75%以上。Mehdinia等[65]制備了磁性氧化石墨烯吸附劑，并且使用乙二胺修飾了磁性氧化石墨烯表面，提高了吸附能力，對精米中鎘的脫除率達99%。

3.4 大米淀粉、大米蛋白的重金屬去除方法

精米組分主要為大米淀粉(65%～75%)和大米蛋白(7%～9%)。由于重金屬主要與大米蛋白相結合，可以將精米進一步精深加工，提取分離出淀粉純度高、重金屬含量低的大米淀粉，提高稻谷資源的利用率。姜毅康等[66]采用堿法從原料精米中提取淀粉，探究了堿液質量分數、料液比、浸泡溫度和時間對淀粉鎘含量的影響，優化工藝后得到的淀粉中鎘含量較原料精米降低了87.9%。田陽等[67]優化堿液提取淀粉條件，以鎘含量0.720 mg/kg精米為原料提取淀粉，得到鎘含量0.109 mg/kg的大米淀粉產品。同時，經過分離后大米蛋白中富集重金屬較多，大米蛋白中鎘含量最高可達4.97 mg/kg[39, 68]，可見，開發利用大米蛋白產品需要進一步進行重金屬去除處理。分離大米淀粉與大米蛋白去除重金屬示意圖見圖2。

圖2 分離大米淀粉與大米蛋白示意圖

3.4.1 大米蛋白中重金屬去除方法

依據有機酸配體和EDTA對重金屬的絡合作用，可用溶液洗滌大米蛋白中的重金屬。Huo等[68]將鎘超標蛋白用檸檬酸反復洗滌2次(大米蛋白→檸檬酸洗滌→加堿至等電點沉淀→離心分離→重復檸檬酸洗滌)，并優化洗滌條件，最終鎘去除率高達98.93%。馮偉[69]選擇鹽酸和EDTA-2Na作為洗滌劑，結果表明酸法(HCl)和螯合法(EDTA-2Na)均可以有效脫除米蛋白中 Cd，除鎘率達到 90%以上。吳敬等[70]在膠體磨研磨后的大米蛋白漿液中加入醋酸溶液作為除Cd劑，將漿液過EDTA螯合劑固定床吸附洗脫重金屬鎘，最后采用旋流設備除雜，脫水干燥得到低鎘大米蛋白產品，鎘含量從2.6 mg/kg降低至0.033 mg/kg(脫鎘率98.73%)。田陽[39]通過酸水解把蛋白質水解為小分子肽和氨基酸，使得鎘以離子形態游離出來，隨后用 732 強酸型陽離子交換樹脂吸附蛋白水解液中的鎘，脫鎘率可達 97.69%。

4 總結與展望

我國是世界上主要的稻米生產大國和消費大國，大米的質量安全一直是人們關注的焦點。本文在明確重金屬在稻谷中的分布及存在形態的基礎上，主要對重金屬檢測和去除方法的優缺點及適用性進行了闡述。重金屬檢測方法作為判斷稻谷是否超標的重要手段必不可少，但大多數檢測方法都存在前處理復雜、步驟繁瑣的問題，如何簡化檢測步驟同時保持數據準確性有待研究。礱谷碾米加工只能消減部分存在于稻殼米糠中的重金屬，當鎘含量嚴重超標時，物理礱谷碾米加工去除重金屬不易達到理想的效果。利用溶液浸提的方法去除重金屬操作簡單、效果顯著、適用于多個加工產物，但是會影響產品的食用品質。發芽和發酵則改變了稻米特性，因此只限制于特定的米制品。在今后的研究中，重金屬去除方法可以向高效安全無污染的生物材料吸附方向進行深入探究，同時，稻谷經過重金屬去除工藝處理后其食用品質如何變化，以及如何平衡重金屬去除效率與企業加工成本之間的關系仍是實際生產中需要考慮的問題。

此外，由于重金屬在環境中難以消除，加工過程中重金屬富集副產物如污水等會造成二次污染，導致耕地重金屬污染問題，需要對重金屬的二次污染引起足夠重視，加大對工業三廢中重金屬的回收利用研究，從源頭上遏制重金屬污染趨勢，實現農產品安全、穩定、可持續發展。