利用柠檬汁柑橘汁及柠檬酸脱除扇贝下脚料中镉的研究

温 希，李云翰，毛伟杰，张素芳

（1.云南农业大学 食品科技学院，云南 昆明 650205；2.蒙彼利埃高等农学院，法国 蒙彼利埃 34000；3.广东海洋大学 食品科技学院，广东 湛江 524088；4.云南省农业科学院 农业经济与信息研究所，云南 昆明 650205）

我国是贝类养殖生产大国和出口大国，根据统计资料显示，我国贝类产量呈现逐年增长的趋势[1]。扇贝是我国主要养殖种类，不仅易养殖、产量大，而且有很高的营养价值，含有8种人体必需的氨基酸，还有3种人体必需的脂肪酸[2]，以及含有许多对身体有益的维生素和矿物质，如钙、铁，脂溶性和水溶性维生素[3]，营养成分多以有机状态存在，极易被人体吸收利用。近年来，我国海洋环境遭到不同程度的破坏，重金属对养殖海水污染较为严重，有研究显示，辽东湾北部海域沉积物，以及深圳大鹏湾和珠江口海水中[4]，镉和汞等重金属超出了国家的标准，渤海海域和南黄海近岸海域[5]也受到了严重的污染[6]。铅和汞对于海域环境破坏严重，舟山海域和杭州湾北岸海水就是典型[7]。可以看出，我国部分海域存在着重金属污染，这些污染通过海水和沉积物使水产品存在着高累积风险态势。

扇贝主要由贝壳、贝柱、外套膜、生殖腺及中肠腺组成，其中外套膜、生殖腺及中肠腺约占总质量的30%，这部分称为扇贝下脚料[8]。这其中的一小部分会被制作成虾饲料低价出售给农户，剩余的大部分会被掩埋或者焚烧。这不仅会造成资源的浪费，而且下脚料其中大多含有重金属镉，如果不进行脱镉处理，会对环境造成巨大的危害。这种浪费对于目前世界上提倡的生物资源的循环高效利用的宗旨背道而驰。贝类的肠腺中最容易聚集大量的重金属[9]，如果被加工成饲料，重金属镉会在动物内脏中不断累积，继而会对人体造成影响，此时重金属镉的脱除显得尤为重要。

以扇贝下脚料作为原料，使用弱酸水洗法，探究了柠檬汁、柑橘汁、水和柠檬酸在一定条件下脱除贝类下脚料中重金属镉的效果，柠檬和柑橘都是生活中常见的物质，柠檬酸成本也比较低，其次试验使用的脱镉方法为弱酸水洗法，经过测定，这 3种物质都属于酸性，符合试验的条件，因此选用了柠檬汁、柑橘汁和柠檬酸作为脱镉剂。

1 材料与方法

1.1 试剂

样品处理用水为蒸馏水，镉测定试验用水为超纯水。

硝酸HNO3（优级纯），广州化学试剂厂提供；一水合柠檬酸C6H8O7·H2O、硫酸钾K2SO4、五水合硫酸铜CuSO4·5H2O、浓硫酸H2SO4，均为分析纯，广东省化学试剂工程技术研究开发中心提供。

1.2 仪器

Milli-Q A10型超纯水器、HH-6型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司产品；PHS-3C型pH计，上海精密科学仪器有限公司-雷磁仪器厂产品；CEM MARS型微波消解萃取系统，CEM产品；EHD-12型赶酸架，北京东航科仪仪器有限公司产品；GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂产品；JY3002型电子天平，上海精密科学仪器有限公司产品；AB104-S型电子分析天平、YH型环保专用电热套，山东邺城华鲁仪器公司产品；搅拌机。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 样品前处理

完整冰冻的扇贝，将贝柱与下脚料分离，分别分袋装好，置于-20℃冰箱中冷藏，待用。

1.3.3 基本成分测定方法

（1）水分含量的测定。参考国标GB 5009.3—2010食品安全国家标准，食品中水分的测定中，直接干燥法测定样品水分的含量，试验过程为：取约3 g样品 （精确至0.000 1 g），称量，置于玻璃制的称量瓶，放到101～105℃干燥箱中，干燥1.0 h后，盖好瓶盖将称量瓶取出，置于干燥器内0.5 h，待其冷却，称量，并重复干燥步骤，直到称量前后2次质量相差不超过2 mg，即为恒质量。

样品干燥前后的质量之差，即为样品的水分含量。

（2）蛋白质含量的测定。参考国标GB 5009.5—2001食品安全国家标准，食品中蛋白质的测定中，凯氏定氮法测定原料中蛋白质的含量，试验原理为：蛋白质在浓硫酸、硫酸铜、硫酸钾的消化催化下，样品中的氮与硫酸结合生成无机铵盐，然后将样品碱化蒸馏，使铵盐转化为氨气，随着水蒸气蒸馏出来并被硼酸液吸收，再以标准盐酸溶液滴定，就可计算出样品中的氮量。由于蛋白质含氮量比较恒定，可由其氮含量以换算系数来计算蛋白质含量。

（3）镉含量的测定方法。镉的检测方法很多，如分光光度法、电感藕合等离子体发射光谱法、极谱催化波法、原子吸收法、单扫描极谱法、溶出伏安法、质谱法、电位溶出法、中子活化分析法、色谱法、电化学生物传感器法，以及将几种不同的方法联合使用等[10]，这些方法基本都需要昂贵的仪器，并且操作复杂，需要专业的技术人员进行操作。试验使用到的是电感藕合等离子体发射光谱法，常用于测定元素周期表中的绝大多数元素，且一次可测定多个元素，此方法与其他相比，优点是更加方便快捷。但ICP并不是对所有元素的检测都很准确，加上其发射的光谱容易受到干扰，现多与质谱联用。

参考国标GB 5009.15—2003食品安全国家标准，食品中镉含量[11]的测定中，电感耦合等离子体质谱法测定镉含量，试验原理为：样品由硝酸分解，在酸性介质中，电感耦合等离子发射光谱仪测定的镉吸光度。消化：取待测样品1.0～1.5 g于消解管中，然后用移液枪将消解管中加入8 mL硝酸，盖好内盖并用工具拧紧外壳后，置于微波消解萃取系统，待消解完毕后消化液呈无色或淡黄色，加热赶酸至黄豆大小，最后用超纯水将其定容至25 mL的比色管中待测。

对比消化和测定所用仪器均需在20%的硝酸中浸泡过夜。

1.3.4 脱镉试验

使用了弱酸水洗法，以重金属镉的脱除率为指标，探究不同试剂、料液浓度、水洗量对重金属镉的提取影响。

制备液料时，将柠檬和柑橘去皮，分别置入榨汁机榨汁，得到柠檬汁和柑橘汁，柠檬出汁率为39.53%，柑橘出汁率为65.90%。

重金属镉脱除率的计算：

式中：m1——原料样品重金属镉含量，mg/kg；

m2——处理后样品重金属镉含量，mg/kg。

（1）柠檬汁、柑橘汁对原料中重金属镉的脱除效果。试验流程：取100 g扇贝下脚料→加入下脚料质量10%H2O→在60℃水浴锅中加热5 min→加入下脚料1%，2%，4%提取→在60℃水浴锅中加热5 min→固液分离→加入分离后固体质量1～2倍的水→在60℃水浴锅中加热5 min→第2次固液分离→加入分离后固体质量1～2倍的水→在60℃水浴锅中加热5 min→第3次固液分离→取分离3次后的固体样品和液体样品测重金属镉含量。重复试验步骤，液料分别使用柠檬汁、柑橘汁。

（2）柠檬酸、水对原料中重金属镉的脱除效果。试验流程：取100 g扇贝下脚料→加入下脚料质量10%H2O→在80℃水浴锅中加热5 min→加入下脚料1%，2%，4%的柠檬酸提取→在80℃水浴锅中加热5 min→固液分离→加入分离后固体质量1～2倍的水→在80℃水浴锅中加热5 min→第2次固液分离→加入分离后固体质量1～2倍的水→在80℃水浴锅中加热5 min→第3次固液分离→取分离3次后下脚料固体和液体样品测重金属镉含量。

试验过程中，在其他条件不变的情况下将柠檬酸换成纯净水作为对比。

2 结果与分析

2.1 基本成分测定结果

去除外壳和贝柱，扇贝下脚料占整贝的19.5%。

2.1.1 水分含量测定结果

脱镉处理后的水分含量见表1。

表1 脱镉处理后的水分含量/%

2.1.2 蛋白质含量测定结果

脱镉处理后的蛋白质含量见表2。

表2 脱镉处理后的蛋白质含量/%

2.1.3 镉含量测定结果

脱镉处理后的镉含量见表3。

表3 脱镉处理后的镉含量/%

根据2.3.3中重金属镉含量的测定方法测得扇贝下脚料中重金属镉的含量为5.55 mg/kg，根据GB 2762—2012食品安全国家标准，食品中污染物限量[12-13]，要求贝类食品中的重金属镉含量低于2.0 mg/kg。证明原料中的重金属镉含量不符合国家标准，不得作为食品利用，需进行脱镉处理。

2.2 脱镉试验测定结果

2.2.1 柠檬汁脱除原料中重金属镉的效果

柠檬汁脱镉效果见图1

由图1可以看出，大部分镉仍然残留在扇贝下脚料固体样品中，洗到液体样品中的只有一小部分，并且在添加不同液料量柠檬汁的情况下，脱镉效果差别不大。使用2倍水洗和1倍水洗的区别并不明显，若使用此种方法脱镉，考虑经济利益及环保的条件下，更倾向于选择1倍水洗。用pH计测出柠檬汁pH值为1.94，加入到原料中之后测得pH值为4.92～5.36，此时脱镉率仍然处于较低的状态，根据吴晓萍等人[14]的研究可知，pH值达到3时，脱镉率会达到极值，而由于柠檬汁为天然物质，添加量对pH值的改变并不是非常明显。

2.2.2 柑橘汁脱除原料中重金属镉的效果

柑橘汁脱镉效果见图2。

由图2可以看出，大部分镉仍然残留在扇贝下脚料固体样品中，洗到液体样品中的只有一小部分，其中使用2倍水洗，添加4%柑橘汁脱镉效果较好。使用pH计测出柑橘汁pH值为3.01，加入到原料中之后测得pH值为5.68～5.84，此时脱镉率仍然处于较低的状态。柑橘汁与柠檬汁相比，2倍水洗的柑橘汁脱镉效果稍好，但差别不大。从试验结果来看，这2种物质脱镉效果明显。

2.2.3 柠檬酸脱除原料中重金属镉的效果

柠檬酸脱镉效果见图3。

由图3可以看出，柠檬酸添加量1%，2%，4%的下脚料固体样品中，镉含量呈明显的递减趋势，说明随着柠檬酸添加量的增加，更多的重金属镉从扇贝下脚料固体样品中洗出来至液体样品中，液体中的镉含比固体中的镉含量更多。扇贝下脚料使用2倍水洗后比1倍水洗后的效果更好，可能是由于下脚料与液料接触更加充分，反应更彻底，使固体中镉含量大幅降低。柠檬酸加入到原料中测得pH值为2.77～3.72，对原料pH值的改变较为明显。

2.2.4 水脱除原料中重金属镉的效果

水脱镉效果见图4。

由图4可以看出，与柠檬汁和柑橘汁对比，脱镉率有所提高，可能是由于温度的升高，使反应更加彻底，但大部分重金属镉仍然在固体样品中。与同温度80℃柠檬酸洗做对比，柠檬酸的脱镉效果远优于水洗，可能是由于pH值导致。其中，脱镉率最高的是80℃，2倍水洗，4%柠檬酸添加量，脱镉率达到89.27%，远远优于其他3种添加的液料。

3 结论

以扇贝下脚料作为原料，研究了柠檬汁、柑橘汁、水、柠檬酸在一定条件下脱除贝类下脚料中重金属镉的效果，通过进行对比试验可以得出，4%柠檬酸，温度80℃，2倍水洗为试验脱镉的最优条件，最终的重金属镉脱除率最高达到89.27%。柠檬酸的脱镉效果比柠檬汁、柑橘汁更明显，脱镉效果较优的柑橘汁处理后固体样品含量仍然达到3.2 mg/kg以上，不可进行下一步的加工利用。在柠檬酸处理下，使用2倍水洗后比1倍水洗后的效果更好，可能是由于下脚料与液料接触更加充分，反应更彻底，使固体中镉含量大幅降低。柠檬酸脱镉处理后的原料经过检测，镉含量最低可达到0.6 mg/kg，根据GB 2762—2012食品安全国家标准，食品中污染物限量，要求贝类食品中的重金属镉含量低于2.0 mg/kg，说明经由试验处理后的贝类下脚料原料可用于进一步食品加工。

同时对贝类下脚料中蛋白质的变化作了探讨，研究发现在经过加热，过滤等脱镉处理后，其蛋白质含量与原料的差别并不明显，但2倍水洗会使蛋白质含量有损失，比1倍水洗的含量低。水分含量与原料相比没有太大的变化。因此可以发现，经过处理后的下脚料不仅保留着营养物质不被破环，同时大大减少了重金属镉的含量，而且使用的试剂成本较低，工艺简单，为扇贝下脚料的综合利用和环境保护提供理论基础。

由于试验中产生的废液镉含量较高，不能直接排放，需要进一步处理，如利用吸附法，将液体中的镉吸附到吸附剂中，再进行分离利用，使废水达到排放的标准。

扇贝下脚料的研究利用不仅解决了热门的环境污染问题，还节省了分离贝柱和下脚料所需要的成本，使扇贝贝柱和下脚料能够一起被加工。除此之外，还能充分把扇贝下脚料中的有效成分利用起来，由于水产品下脚料这部分的价值有待开发并且十分可观，所以利用简易有效的方法脱除扇贝下脚料中镉的研究，对扇贝下脚料的综合利用具有重要意义。