米糠不溶性膳食纤维的提取及吸附铅离子探究

吴 珏 张聪男 吴青兰 任明非 王 莉* 陈正行

（1 江南大学 粮食发酵工艺与技术国家工程实验室 江苏无锡214122

2 江南大学食品学院 江苏无锡214122）

米糠作为稻米生产过程的副产物之一，集中了稻谷大部分营养成分，如多酚、脂肪、优质蛋白、膳食纤维等。2017年我国稻谷年产量为2.09×108t，据此推测我国米糠年产量达到1.2×107t。米糠是生产膳食纤维、米糠油、生育酚等的重要原料[1]，然而目前多数米糠被用于动物饲料，附加值低。

脱脂米糠膳食纤维几乎均为不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF），难以被人体内源酶消化和吸收。IDF主要包括纤维素、半纤维素、木质素等[2]，具有结合金属阳离子的能力，如铅[3-4]、镉[5]、汞[6]、镍[7]、铜[8]、锌[9]等。铅是一种危害人体健康的物质，由于环境的污染，食品原料中的各种重金属对人体污染严重[10]，在人体内迅速富集，积累浓度达到一定量时直接导致食物中毒、致癌。

目前，已有学者对膳食纤维吸附不同的金属离子进行对比研究。如祁静[11]探究化学法提取的米糠IDF吸附Pb2+，结果表明：具有较大孔隙率和适度孔径的纤维吸附能力最强；Zhang等[12]研究发现，麦麸IDF最大吸附Pb2+能力为15.6μmol/g；梁宣[13]研究稻壳对Pb2+的吸附作用，吸附效果随温度的升高呈降低的趋势，基本吸附方式为离子交换占主体。吸附动力学与热力学研究对于膳食纤维吸附金属离子能力具有重要意义。通过吸附等温线得到膳食纤维对金属离子的吸附量；吸附作用力的强弱通过计算吸附动力学得出；通过吸附热力学的计算，明确温度对生物吸附剂吸附重金属的影响。

基于此，本研究以脱脂米糠为原料，采用酶-化学法提取米糠IDF，考察其铅离子吸附行为学，为米糠IDF的制备和金属离子吸附性能提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

原料：脱脂米糠，江苏瑞牧生物科技有限公司。

试剂：高温α-淀粉酶（3×104U/mL），无锡杰能科生物工程有限公司；NaOH、Pb（NO3）2无水乙醇、丙酮、PBS等均为分析纯试剂。

设备与仪器：HH-501恒温水浴锅，美国精骐有限公司；LXJ-IIB离心机，上海安亭科学仪器公司；M-100EH-30动态高压微射流，美国微流体技术国际公司；GZX-9246 MBE鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司；CP214电子天平，上海奥豪斯仪器有限公司；AA-240原子吸收分光光度计，美国瓦里安公司。

1.2 试验方法

1.2.1 米糠IDF的提取 IDF的提取参照潘建刚[2]和Daou[14]的方法，略有改动。向装有已知质量脱脂米糠的酶解罐中，按体积比1∶10加入pH 6.0的PBS缓冲液（0.08mol/L），加热，待温度升至95℃时，加入α-淀粉酶液反应30min，于4 000 r/min离心15min，收集残渣，置于一定浓度的NaOH溶液中，碱解蛋白质，离心，弃上清，所得残渣分别用去离子水、无水乙醇和丙酮各洗多次，装于自封袋中冻干，所得产物即米糠IDF。

1.2.2 米糠IDF提取的单因素试验 分别研究α-淀粉酶质量分数（0.2%~0.5%）、NaOH质量分数（2%~5%）、碱提时间（30~75min）和碱提温度（45~90℃）对IDF得率和纯度的影响。

1.2.3 米糠IDF提取的正交试验 采用酶浓度、碱解时间、碱解温度、NaOH质量分数做L9（34）正交试验，具体因素及水平见表1。

表1 L9（34 ）正交因素水平Table1 L9（34 ）orthogonal factor level

1.2.4 米糠IDF物理改性 粉碎，取过100目的米糠IDF，加入40倍体积的水混合均匀，依次通过均质机（40MPa）和动态高压微射流（150MPa）各处理2次。均质后将制备的溶液冻干，得试验样品，于干燥器内密封保存。

1.2.5 米糠IDF铅离子吸附动力学解析 重金属铅含量的测定参照GB 5009.12-2017。

以20mg/kg的铅标准溶液作为吸附体系，准确称取0.5 g样品置于50mL铅标准溶液中，在pH 7.0，37℃，120 r/min条件下，分别于0，2.5，7.5，10，15，30，45，60，90，120，150，180，240，300min及360min，用原子吸收分光光度计测定吸附后溶液的铅浓度。米糠IDF对铅离子的单位吸附量公式（1）与吸附率公式（2）如下：

式中，qe——单位米糠IDF吸附Pb2+量（mg/g）；η——吸附率（%）；Co——初始溶液中Pb2+含量（mg/kg）；Ce——达到平衡吸附量时溶液中Pb2+含量（mg/kg）；V——Pb2+标准溶液的体积（mL）；m——米糠IDF的质量（g）。

经典的吸附动力学方程主要包括颗粒内扩散〔公式（3）〕、准一阶动力学〔公式（4）〕和准二阶动力学模型〔公式（5）〕，其线性化方程如下：

式中，qt——t时间单位米糠IDF吸附Pb2+量，mg/g；kp——颗粒内扩散速率常数，mg/（g·min0.5）；C——常数，影响边界层厚度，mg/g；t——吸附反应时间，min；k1——常数，准一级反应速率，min-1；k2——常数，准二级反应速率，g/（mg·min）。

1.2.6 米糠IDF铅离子吸附热力学解析 选用的吸附等温模型：Langmuir（L）模型【公式（6）】、Freundlich（F）模型【公式（7）】、Dubinin-Radushkevich（D-R）模型【公式（8）】，其线性化方程如下所示。准确称取0.5 g样品置于50 mL Pb（NO3）2溶液中，其中溶液中Pb2+的初始含量为0.5~200mg/kg。分别在25，37，50°C条件下振荡4 h，离心取上清，计算此时体系的平衡铅浓度。研究平衡浓度与单位吸附量的关系。利用不同吸附热力学模型对结果进行拟合，解释米糠IDF的吸附热力学特性。

式中：qe——单位吸附量（mg/g）；qmax——米糠IDF最大吸附量（mg/g）；KL——影响吸附强度的L模型吸附常数；Ce——平衡吸附量（mg/kg）；KF——影响吸附容量的F模型吸附常数；n——与吸附强度有关的L模型常数；β——吸附能量相关系数（mol2·kJ2）；ε——电势（V），等 于R T ln（1+1/Ce）；R——理想气体常数8.314 J/（mol·K）；T——绝对温度（K）。

2 结果与分析

2.1 米糠IDF提取单因素试验分析

原料米糠基本成分：总膳食纤维391 g/kg、粗蛋白113 g/kg、总淀粉355 g/kg、灰分102 g/kg和水分57 g/kg。

图1 酶质量分数对米糠IDF提取的影响Fig.1 Effect of enzyme mass fraction on the extraction of rice bran IDF

2.1.3 碱解时间的影响从图3可看出，随着碱解时间的延长，IDF得率显著降低，而纯度不断增加，在60~75min时，IDF得率降低，纯度增加不明显，这可能是由于随着碱解时间的延长，米糠蛋白和纤维素逐步水解。碱提75 min时，纯度为79.5%，仍有部分杂质未除。考虑到产品纯度问题，碱解时间选择75min为宜。

2.1.4 碱解温度的影响 由图4可发现，温度升高，米糠IDF的得率降低，米糠IDF在碱解温度

2.1.1 α-淀粉酶质量分数的影响 由图1可看出，IDF的提取率随α-淀粉酶质量分数的上升呈减小的趋势，当淀粉酶质量分数达0.2%时，IDF的提取率最高；当淀粉酶质量分数在0.2%~0.3%之间时，提取率略有下降，提取产物的纯度显著提高；当淀粉酶质量分数在0.3%~0.5%之间时，提取率变化不明显，纯度基本不变。以上表明酶含量较低时，米糠淀粉水解不完全，得率高，纯度低。淀粉水解程度随着酶质量分数的上升而增大，提取率逐渐下降，纯度提高。经综合考虑α-淀粉酶质量分数为0.3%最佳。

2.1.2 NaOH质量分数的影响 由图2可知，当NaOH从初始质量分数升至3%时，米糠IDF得率显著降低，纯度上升，而当其质量分数为4%，5%时，纯度缓慢上升，提取率降幅不显著，表明NaOH溶液可使脱脂米糠中蛋白水解，去除残余的脂肪。随着NaOH质量分数的增加，蛋白水解逐渐完全，得率进一步降低。综合考量，NaOH质量分数以3%为宜。45℃时得率最高。这是因为低温时，蛋白质水解率低，高温有利于米糠蛋白的水解，然而温度增至一定程度会引起纤维素的进一步水解。综合考量成本和米糠IDF纯度两方面，确定较优的碱解温度为75℃。

图2 NaOH质量分数对米糠IDF提取的影响Fig.2 Impact of NaOH mass fraction on the extraction of rice bran IDF

经单因素优化后提取IDF的最佳工艺条件：0.3%高温α-淀粉酶，3%NaOH，碱解75min，温度75℃。

图3 碱提时间对米糠IDF提取的影响Fig.3 Effect of alkali extraction time on the extraction of rice bran IDF

图4 碱解温度对米糠IDF提取的影响Fig.4 Effect of alkali hydrolysis temperature on the extraction of rice bran IDF

2.1.5 米糠IDF提取的正交试验 根据表2可知，各因素对米糠IDF提取率的影响为D＞A＞B＞C，即NaOH质量分数对提取影响最大，碱解温度对提取影响最小。此时，提取条件的较优参数组合是A1B3D1，即0.3%α-淀粉酶，碱解75min，3%NaOH，这与单因素试验结果一致。C1、C2、C3结果一致，碱解温度影响相对较小。根据单因素试验结果，选择75°C为最适条件。在此条件下可得米糠IDF具有较高纯度（85.74%），得率为37.4%。

目前，已经有部分学者对米糠IDF的提取条件进行了优化，如苗欣等[15]提取米糠膳食纤维，响应面法优化的最优条件：NaOH浓度0.2mol/L，浸泡时间60min，碱性蛋白酶250 U/g，高温淀粉酶200 U/g，最终提取产物纯度为75.79%，得率38.5%。潘建刚等[2]采用酶化学法提取荞麦壳中的IDF，优化的参数为：0.3%α-淀粉酶、4%NaOH，碱解条件为45℃，60min。吴文睿等[16]优化小麦麸皮IDF的提取工艺，最优参数为0.5%α-淀粉酶，酶解60min，3.0%NaOH，碱解40min，此时得率87.29%。可见，膳食纤维的提取方法对于不同的谷物有不同的条件，同时也说明酶-化学法可以有效分离淀粉等物质，从而提高米糠IDF的纯度。

表2 正交试验结果Table2 Results of orthogonal test

2.2 米糠不溶性膳食纤维吸附铅离子行为学探究

2.2.1 吸附时间对吸附Pb2+的影响 如图5所示，单位米糠IDF吸附Pb2+量和吸附率随反应时间的增加呈上升趋势，当进行至180min时，反应趋于平衡，此时吸附率为96.67%。

使用Weber-Morris模型研究米糠IDF吸附Pb2+过程中的限速步骤。由图7可知，反应步骤有3个部分[17]：首先，部分Pb2+与米糠IDF表面的功能性位点接触，此时Pb2+的迁移较快；其次，米糠IDF表面的Pb2+进入其内部，与羟基、羰基等基团结合，迁移较慢；最后，Pb2+与米糠IDF内的功能性成分结合、反应，直至平衡，此时扩散较缓慢[18]。

图5 37°C条件下米糠IDF在不同时间点对铅的吸附Fig.5 Lead binding of rice bran IDF at different time points at 37°C

图6 米糠IDF吸附Pb2+的拟二级动力学模型Fig.6 Pseudo-second-order kinetics model for Pb2+ adsorption of rice bran IDF

图7 米糠IDF吸附铅的颗粒内扩散模型Fig.7 Weber-Morris Model of lead binding of rice bran IDF

表3 米糠IDF吸附Pb2+的动力学模型的参数Table3 Pb2+ binding kinetic model parameters of rice bran IDF

比较表3中各方程拟合的相关系数可知：准二级动力学方程的回归系数最高（R2=0.999），计算得出的qe为1.194mg/g，与试验值1.201mg/g最相近，表明准二级动力学方程能较好地说明IDF-150吸附Pb2+的速率变化过程，并有化学吸附。

2.2.2 吸附热力学模型的建立 等温吸附研究提供了吸附剂容量信息。吸附等温线以特定常数描述平衡溶液中吸附质的量与吸附物浓度的关系。

2.2.2.1 吸附等温线 不同温度下，IDF-150对Pb2+的吸附能力测定结果见图8。随着Pb2+初始浓度的增加，增大了溶液中的传质动力，提高了吸附反应的推动力，qe呈上升趋势。当Pb2+的C0＜50 mg/kg时，Ce较低，qe随着C0上升而变化明显；当C0＞80mg/kg时，qe略有提高，变化不明显。从整体来看，25℃时米糠IDF对Pb2+的qe比37℃和50℃时大，说明25℃更有利于吸附的进行，吸附是自发进行的。

图8 不同温度下IDF对Pb2+的吸附等温线Fig.8 Adsorption isotherms for binding of Pb2+ by IDF at different temperatures

采用不同模型对图8中的结果进行拟合，所得参数见表4。比较不同模型的相关系数，结果表明Freundlich模型拟合回归方程的R2均大于Langmuir模型的R2，米糠IDF对Pb2+的等温吸附更符合Freundlich模型。米糠IDF表层粗糙，与Pb2+的结合为多层吸附，与动力学模型得到的结论一致，存在物理吸附和化学吸附。

Freundlich模型中，参数KF表示吸附剂的吸附能力，在50°C时KF最大，而饱和吸附量最小，推测Pb2+与IDF结合稳定性较差[20]。n平衡参数，当1/n在0.1～0.5时，表明吸附能力高；1/n大于1时，吸附能力最弱[21-22]。从以上结果可以看出，米糠IDF对Pb2+的吸附为1/n=6.99，表明其吸附Pb2+能力较弱。

Dubinin-Radushkevich模型假定吸附剂结合金属离子的过程为自发进行[23]。E表示单位物质的量被结合于米糠IDF表层需要能量的极限值，可由β来计算：E=（2β）-1/2。当8＜E＜16 kJ/mol，主要机理是阳离子交换能力；当E＜8 kJ/mol时，主要作用是自然的物理吸附。由表4中结果可知，在本试验所测定温度范围，所有米糠纤维样品吸附Pb2+的平均自由能E＜8 kJ/mol，说明米糠IDF对Pb2+的吸附可能主要通过物理吸附作用，与F模型参数计算结论一致，也与祁静[11]的研究结果一致。

2.2.2.2 温度对吸附Pb2+性能的影响 反映米糠IDF与Pb2+之间作用力类型以及作用能量变化的热力学参数[8]，可以通过下列公式计算得出：

ΔG=-R T ln KL

ΔG=ΔH-TΔS

式中：R——理想气体常数，8.314 J/（mol·K）；

KL——吸附常数。

由表5可知，不同温度下ΔG＜0，表明米糠IDF对Pb2+的吸附反应为自发进行[24]。ΔS＜0，说明随着吸附时间的增加，固-液界面的随机性降低，表面形成聚集，推测米糠IDF和Pb2+表面发生一定的结构变化[25]。ΔH＜0，表明米糠IDF吸附Pb2+的过程是放热反应，升温不利于反应进行。

3 结论

采取酶-化学法提取脱脂米糠中的IDF，最佳工艺条件为：高温淀粉酶添加量为0.3%，NaOH质量分数3%，碱解时间75min，温度75℃。此时米糠IDF的纯度是80.74%，得率为37.4%。利用米糠IDF对Pb2+进行吸附试验，得出以下结论：①IDF对Pb2+的吸附在3 h后达到平衡，且满足准二级动力学模型，推断有化学吸附；②吸附效果随温度的升高而降低，25℃条件下更有利于吸附的进行，可能是自发吸附；③米糠IDF吸附Pb2+强度较弱，可能主要通过物理吸附作用。