超标糙米物理打磨降镉关键技术研究

2017-06-09

水稻是我国第一大粮食作物，全国有近三分之二的人口以稻米为主食。湖南省常年水稻播种面积为6 000万亩，目前全省约有1 200多万亩稻田受到镉等重金属不同程度污染。2014年在长株潭地区立项开展的重金属污染耕地修复机理技术模式优化集成试点研究，对农产品产前、产中、产后各个环节的降镉措施、耕地修复关键技术及机理进行了深入研究，取得积极进展。但由于污染源复杂、污染面分散，在可预见的较长时期里，镉超标稻谷（国家标准0.2 mg/kg以下）等农产品的产出不可避免。根据湖南省农业科学院农产品加工研究所作物淀粉化学与代谢组学创新团队对长株潭地区超标稻谷的初步调查，0.2～0.6 mg/kg区间的超标糙米占到总超标数的60%以上。

稻米的主要营养物质中淀粉约占90%，蛋白质约占8%，镉在稻米中主要与蛋白质结合，与淀粉结合较少，且镉在米粒中的分布密度由外向内呈减少的趋势。超标糙米物理打磨降镉关键技术研究项目的目标是探索湖南省主要水稻品种的最佳打磨降镉方案，提高超标稻米的物理打磨降镉效率，为产业化应用提供技术支撑。项目由湖南省农业科学院农产品加工研究所作物淀粉化学与代谢组学创新团队主持承担，主要完成人有唐汉军、吴跃辉、郭晋琪、陶湘林、庞敏、梁珏钦、梁洁、肖轲。

一、稻米打磨度与降镉效率的关系研究

在农产品加工领域，稻谷分为籼稻、粳稻、糯稻三大类，粒型上可分为短粒型与长粒型两类。针对不同污染程度的长粒型和短粒型籼稻糙米，项目采用实验室小型砂轮精米机制取分级米粒，各级米粒打磨减重的目标为10%，打磨度=（打磨前重-打磨后重）÷打磨前重×100，总打磨度=（糙米重-打磨后重）÷糙米重×100。对获得的各分级米粒去除干净表面粉尘和机械带入的异物后，采用消解-石墨炉原子吸收法测量镉含量，分析各级米粒的打磨度与降镉率的关系。各分级米粒的整米率计算方法是以该级米粒中最标准整米粒为基准，达到该基准米粒长度三分之二以上的作为整米。

项目对0.141～0.417 mg/kg区间的5个籼稻品种糙米，采用实验室小型精米机（20g/次）打磨制取总打磨度10.0～34.4的分级精米（图1）。镉含量分析表明，在同等打磨度时品种间的降镉效率不同，打磨度10.0时，降镉率最高的达到29.2%，当达到该机型极限打磨度34.4时，降镉率最高的达到59.1%，平均降镉率为45.2%。最初2级米粒的降镉效率（降镉率/打磨度的比）平均达到打磨度的2倍左右，3级以后降镉效率显著减小（平均约1.3）。每个品种的打磨度与降镉率之间均呈线性正相关关系。从线性回归方程得出低于0.26 mg/kg的超标糙米在打磨度10.0左右完全可生产达标精米。同时，打磨降镉效率较差的超标品种，当总打磨度达到34.4时，镉含量也可从0.417 mg/kg降至0.2 mg/kg水平以下。以图1所示米粒为基准测量各级整米率，结果显示打磨度增加整米率呈减少趋势，但各品种的1、2级米粒之间整米率无显著差异。综合来看，总打磨度19以内降镉效率高，对整米率影响小。

二、最佳打磨工艺参数研究

选择成熟度与米粒质地较好的长粒型和短粒型籼稻品种的去糙精米（打磨度9～10，12目筛去除碎米与胚芽等）为试验材料，采用处理能力30 kg/h的竖式钢辊小型精米机进行最佳打磨工艺参数研究。设计了25个流量与精白度变量组合水平，分别对短粒型和长粒型的普通精米进行打磨处理，根据打磨室容积及获得的进料速度、打磨时间、减重率、打磨度等变量数据，进行数学计算处理，得到在精米基础上进行打磨处理时的平均单位流量、单次减重效率、单次打磨度的最佳参数。短粒型的最佳工艺参数分别为11.6 kg/min/L、363.0 g/min/L和3.3，长粒型的分别为11.0 kg/min/L、226.4 g/min/L和2.3。短粒型与长粒型比较，最佳流量几乎相同，但单次减重效率与单次打磨度较高。

三、物理打磨降镉技术的生产应用研究

项目针对2个长粒型品种的普通精米（糙米镉含量分别为0.505mg/kg和0.558 mg/kg），采用120 kg/h卧式钢辊生产型精米机进一步实施打磨降镉试验，总打磨度达到15左右（以原糙米重量为基准），这2个品种的总降镉率均达到50%左右，经测算总能耗为36.4千瓦时/吨，处于国内精米制取与抛光加工工程的平均能耗水平。首次打磨度达到或超过上述最佳打磨工艺参数的2.3水平，但随后的单次打磨度逐步减小，单次减重效率显著降低，总打磨度15基本为该机型的打磨极限。

进一步采用日处理120吨的生产设备（图2），对3个长粒型品种（糙米镉含量分别为0.526 mg/kg、0.552 mg/kg、0.570 mg/kg）进行打磨降镉试验。结果表明，打磨度为10.0时，降镉率最高的品种达到29.8%，与小试结果一致；总打磨度达到15左右时（基本到达该型精米机组打磨极限），3个品种的镉含量均降至0.4 mg/kg水平以下（达到美、日标准）。

现阶段结论为：0.4～0.6 mg/kg区间的所有试验品种，不论竖辊、卧辊的何种打磨工作方式，何种功率的现有精米机械，在总打磨度15左右时，镉含量均可降至0.4 mg/kg水平以下，且打磨度与降镉率之间成正相关。2017年1月5日，科研、教学、生产等同行专家进行现场评议认为，对于0.2～0.6 mg/kg区间的镉超标糙米，物理打磨方法是一条安全、高效、低成本的降镉技术途径，建议进一步加大物理打磨降镉技术在生产上的应用研究与示范推广。

但是，要将所有稻米品种的镉含量从0.6 mg/kg降至0.2 mg/kg水平以下，现有精米机械存在局限性，总打磨度超过12后，单次打磨的减重效率显著降低，同时对米粒特性的影响很大。今后应着重针对现有精米机械的打磨室、辊轮等关键硬件进行改良研究，并进一步积累和充实米粒特性的数据库。另外，在污染地区推广打磨降镉效率高的水稻品种，将会有效减少超标稻米的产出。

四、影响打磨降镉效率的米粒特性研究

从长株潭地区的浏阳市、长沙县、望城区、攸县、株洲县、宁乡县等水稻产区随机取样，获取2014年至2016年产的湘晚籼12、13、16、17、42号，创宇8、12、16号，99早677，湘早籼24、42号，黄花粘，农香25，华润2号等29个品种，共计54份试验样品。针对米粒形态采用游标卡尺测量米粒腰径和长度的三维数据，针对米粒腰断面采用SEM、碘染色-光学显微镜法等观察米粒组织结构特征，针对试验型精米机打磨制取的分级米粒和分级粉体采用消解-石墨炉原子吸收法测量镉含量，采用凯氏定氮法分析蛋白质分布特性，采用碱法洗提淀粉分析米粒淀粉含量分布特性，采用扫描电镜-元素能量场检测法分析包括镉等各种元素在米粒中的分布特性，系统积累稻米粒的形态、组织结构、主要成分分布和重金属元素分布特性等科学数据。

研究认为，不同品种的米粒三维尺寸不同，在固定不变的打磨室、辊轮线速度下，单位时间内被打磨的次数、强度等有差异，是影响打磨效率的一个重要因素。从已测量的10个品种显示，短粒型与长粒型的三维比数据差异显著，但有例外，用三维积作为米粒三维特性指标比较合适。根据SEM观察，成熟度、过度干燥等对稻米胚乳组织造成的损伤影响明显，也是影响打磨效率的重要因素。

另外，除有垩白的米粒外，成熟米粒胚乳部在没有染色时，几乎看不到任何组织上的明显差异，但通过碘溶液染色后，品种间的组织结构表现出显著差异。在已观察的20多个品种中，大致可分为年轮型、汉堡型、渐变型与嵌合型等4种类型（图3），而渐变型的品种占多数。

同时通过物理化学的分析，进一步证明了米粒中镉元素、淀粉组分、蛋白质等成分是非均匀分布。每个品种的米粒有其独特的成分分布和结构特性。SEM-元素能量场定量分析技术也许是比较好的技术手段，可快速获取米粒中镉等元素的分布特性，减轻劳动强度、缩短数据积累时间，但很多的检测条件、参数需要进一步深入探讨。

项目研究显示，积极开展米粒中镉等成分分布及米粒组织结构特性的研究，进一步充实谷粒的理化特性数据库，对发展稻米降镉技术、深加工技术以及品种选育等具有十分重要的意义。

整体来看，该项目基本确立了镉超标稻米在现有精米机械条件下的打磨降镉技术，同时明确了现有精米机械存在的局限性，可将大多数主栽水稻品种的镉含量从0.6mg/kg降至0.4 mg/kg水平以下，现阶段的技术成果具有一定的应用价值，且易于推广。项目在稻米品种特性方面进行了开拓性研究，填补了我国稻米粒理化特性基础数据研究的不足，为稻米打磨降镉、深加工以及品种选育等提供了科学依据。

该项目于2016年在长沙市龙虎生态农业技术公司采用120吨/日生产线精米机组，针对0.4～0.6 mg/kg区间的317吨超标稻谷进行了打磨降镉生产示范，获得约160吨达标精米并上市流通，精米的销售总收入达到96万余元，比交给国家处置多收入11万元左右，同时按现在超标稻谷市场价1 300元/吨计算，为国家节约差额补贴经费44万多元。