粒径对小麦麸皮矿物元素含量及其吸附有害元素的影响

王 鑫,黄韬睿,黄丽娟,张定秋

(1.四川省食品药品检验检测院,四川成都 610097;2.四川旅游学院,四川成都 610000)

粒径对小麦麸皮矿物元素含量及其吸附有害元素的影响

王 鑫1,黄韬睿2,*,黄丽娟1,张定秋1

(1.四川省食品药品检验检测院,四川成都 610097;2.四川旅游学院,四川成都 610000)

为探索小麦麸皮吸附有害元素的能力,本实验对不同粒径范围(<0.074、0.074～0.125、0.125～0.425 mm)的麸皮吸附有害元素(铝、砷、铅)的能力进行研究,同时对不同粒径范围麸皮的矿物元素(钾、钙、镁、铁、锌、铜)和有害元素(铝、铅、砷、镉、铬)含量进行检测。结果表明:粒径对麸皮中的矿物元素及有害元素的含量有显著的影响(p<0.05);在粒径小于0.074 mm的细麸皮中,被检测的矿物元素含量均为最低,宏量元素钾、钙、镁分别为7.222、0.812、2.008 g·kg-1,微量元素铁、锌、铜分别为170、82.3、11.9 mg·kg-1,而对于有害元素铝、铅、铬,该粒径范围的麸皮含量是最高的分别为13.7、0.1169、0.3150 mg·kg-1,粒径为0.125～0.425 mm的粗麸皮含有大量的宏量元素(钾、镁分别为15.867、5.984 g·kg-1),且被检测的有害元素含量都是最低的,铅仅有0.0449 mg·kg-1。随pH变化以及粒径的变化,麸皮吸附铝和砷的能力变化是一致的,在pH=2条件下随粒径的减小先增强后降低,而在pH=7条件下麸皮吸附能力随粒径的减小而显著增加(p<0.05),且在pH=7条件下的吸附能力远小于pH=2;在pH=7条件下麸皮吸附铅的能力大于pH=2,且在pH=7条件下麸皮吸附铅的能力随着粒径减小而显著增加(p<0.05),而在pH=2条件下麸皮吸附铅的能力随着粒径减小先增强后降低。综上可知,粒径对麸皮中的矿物元素含量及对有害元素的吸附能力都有显著影响。

小麦麸皮,矿物质,有害元素,吸附

小麦麸皮是小麦磨制面粉过程中的副产物,我国每年有超过0.2亿t麸皮产生[1-2]。小麦麸皮主要由小麦果皮、种皮、珠心层和糊粉层组成,这使得麸皮具备了特殊的营养成分,即富含45%以上的膳食纤维和丰富的矿物质[3],是人体补充膳食纤维理想食物,通过特殊处理后[4]还是补充矿物质的很好的天然食物。

表1 不同粒径范围麸皮矿物元素含量Table 1 Different particle size range of bran its mineral content(±s,n=8)

注：同一列中不同字母表示数据间有显著差异,p<0.05,表2相同。

铅、砷、汞、铬和镉等重金属元素因不易排出体外而在体内富集,长期食用超标或富含这些元素的食物会对身体造成极大的危害,当在体内蓄积到一定量时,可导致人体中毒甚至癌症[5]。目前有大量的关于膳食纤维吸附重金属离子的报道,涂宗财[6]等对豆渣膳食纤维吸附重金属进行了研究,发现在体外实验模拟肠道pH条件,膳食纤维对汞、铅、镉有较强的吸附作用,且豆渣膳食纤维对不同重金属吸附有差异;陈思思[7]发现汉麻中的大量活性纤维对重金属离子(Pb2+和Cd2+)有很强的吸附作用,孙颖[8]对小麦麸皮膳食纤维进行研究发现,麸皮膳食纤维对镉、铅重金属有吸附作用,且吸附能力会因pH及纤维粉碎时间的不同而不同。麸皮对重金属有吸附能力[9-10],但对有害元素中的非重金属元素及非金属元素的吸附能力报道很少;粒径对麸皮口感有显著的影响[11-13],但目前粒径对麸皮吸附有害元素能力的影响报道很少。本实验旨在研究不同粒径范围的麸皮在不同pH条件下吸附重金属铅、非重金属铝、非金属砷等有害元素的能力,为指导麸皮深加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麸皮 市售;钾、钙、镁、铁、锌、铜、铝、铅、砷、铬、镉等标准品(1000 μg/mL) 国家有色金属及电子材料分析测试中心;高纯度硝酸 赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

电感耦合等离子体质谱仪iCAPQ(ICP-MS) Thermo Fisher Scientific(美国)公司;BHW-09A16赶酸器,PRO 48MF微波消解仪 Anton Paar安东帕(奥地利)公司;CPA225D电子天平 德国赛多利斯公司;PL1548往复式水浴恒温振荡器 金坛市瑞华仪器有限公司;KQ-250DE超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;HK-02A万能粉碎机 厦门旭朗机械设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小麦麸皮分级处理 用20目的分样筛筛除麸皮中杂质及较大粒径的麸皮,再用粉碎机粉碎处理3 min。最后先用200目分样筛筛出粒径<0.074 mm的细麸皮记为M200,接着将200目分样筛的筛上物用120目分样筛筛出粒径0.074～0.125 mm的较细麸皮记为M120,最后将120目分样筛的筛上物用40目分样筛筛出粒径0.125～0.425 mm的粗麸皮记为M40,得到M40、M120、M200大中小三种粒径范围的麸皮,将其存放于干燥通风处。

1.2.2 小麦麸皮的矿物元素及重金属检测 称取0.3 g不同粒径范围的麸皮(M40、M120、M200目)于消解管中,加入7 mL硝酸,置于赶酸器中100 ℃预消解1 h,待冷却后,转置微波消解仪中进行消解,消解条件如下:在10 min之内功率由0 W增至750 W,750 W保持5 min;10 min之内功率由750 W增至1500 W,1500 W保持25 min。将消解好的样品转至赶酸器将酸赶至约1 mL,用2%硝酸定容至25 mL摇匀,取部分溶液过0.22 μm水性滤膜后,供ICP-MS采集,检测方法参照SN/T 2208-2008。

1.2.3 小麦麸皮吸附重金属的能力 分别取25 mL pH=2、pH=7的溶液(含铅、砷、铝、镉、铬)于100 mL的锥形瓶中,加入0.1 g麸皮,于37 ℃恒温振荡器中振荡3 h,6000 r/min离心8 min,上清液过0.22 μm水性滤膜后测定残留重金属离子浓度[8],并根据以下公式计算麸皮吸附重金属能力。

麸皮吸附有害元素能力(μg/g)=(吸附前溶液离子浓度-吸附后溶液离子浓度)/称取麸皮质量×溶液体积

1.3 数据处理

表2 不同粒径范围的麸皮有害元素含量Table 2 Different particle size range of bran its harmful elements content(±s,n=8)

2 结果与分析

2.1 不同粒径麸皮中的矿物元素含量分析

由表1可知,在麸皮中检测出大量的钾、钙、镁等宏量元素和铁、锌、铜等微量元素。这些元素都是人体必需的元素,在人体生理活动中发挥重要的作用,如钙、镁是构成骨骼、牙齿的主要原料,铁是血红蛋白、甲状腺的组成成分,锌是多种酶的组成成分,是生长发育的必要物质[14]。在我国人群中比较容易缺乏的矿物元素是钙、铁、锌[15],如果能够加大经过适当处理的麸皮(去除植酸,微生物作用)食用量[16-17],可以起到辅助补充人体较易缺乏的钙、铁、锌等元素的作用。

由表1可知,不同粒径范围的麸皮,其矿物元素含量有显著差异(p<0.05)。小麦麸皮粒径达<0.074 mm时,无论是宏量元素(钾、钙、镁)还是微量元素(铁、锌、铜)的含量都是最低的,这可能是因为从原麸皮中分离得到的较小粒径麸皮,淀粉含量显著增加[18],而糊粉层等纤维减少,从而致使<0.074 mm麸皮的矿物元素含量显著降低。0.125～0.425 mm的麸皮除钾、镁含量(15.867、5.984 g·kg-1)最高外,其他元素都显著低于0.074～0.125 mm的麸皮,这跟麸皮结构以及矿物质元素的分布有直接的关系。由不同粒径范围的麸皮矿物元素含量变化,可知选择食用中等粒径麸皮是较理想的。

2.2 不同粒径麸皮中的有害元素含量

通过ICP-MS检测不同粒径范围麸皮的有害元素,虽然所有粒径范围的麸皮都检测出表2中元素,但结果均未超出GB 2762-2012规定的限量值,且不同粒径范围的麸皮有含元素含量有显著差异(p<0.05)。从2.1可知小于0.074 mm粒径麸皮矿物质含量是最低的,但由表2,小于0.074 mm粒径的麸皮中铝、铅、铬含量分别为13.7、0.1169、0.315 mg·kg-1都是最高的;表2中有害元素,0.125～0.425 mm的粗麸皮含量都是最低的,由此可得粒径越大麸皮中有害元素含量越低,因此综合口感,选择食用麸皮或使用麸皮加工产品时应选择中等粒径的麸皮。

2.3 不同粒径麸皮对有害元素的吸附

2.3.1 不同粒径麸皮对重金属铅的吸附 铅是对人体的危害最大的重金属,其对人的神经系统、骨髓造血机能、消化系统、生殖系统及人体其他功能都有明显毒害作用,特别对孕妇、婴儿和儿童的健康危害较大[5]。由图1可知,麸皮对铅是有吸附作用的,这与已报道的结果是一致的。麸皮因粒径范围不同或溶液pH的不同吸附铅的能力也不同,所有粒径范围的麸皮在pH=7条件下吸附铅的能力明显大于pH=2时,该结果与孙颖[8]报道的小麦膳食纤维吸附重金属的结果一致,当pH升高时,膳食纤维羧基上的质子解离增多,重金属离子吸附量增大,反之,羧基的解离减少,吸附量下降[8],由此可以说明小麦麸皮对铅的吸附起主要作用的是膳食纤维。不同粒径范围麸皮吸附铅的能力有显著性差异(p<0.05),在pH=7条件下麸皮吸附铅的能力随着粒径减小而显著增加,而当pH=2条件下麸皮吸附铅的能力随着粒径减小而先增加后减小。

图1 不同粒径范围的麸皮吸附铅的能力Fig.1 Different particle size range of bran adsorption ability to lead注:不同字母表示相同pH条件下,不同粒径范围的麸皮吸附能力有显著差异(p<0.05),图2、图3同。

图2 不同粒径麸皮吸附铝的能力Fig.2 Different particle size range of bran adsorption ability to aluminum

2.3.3 不同粒径麸皮对非金属元素砷的吸附 砷是一种非金属元素,其大部分是以无机砷和烷基砷存在,砷对人体的皮肤、肺、肝、肾、神经系统等都有很大损害,且砷的毒性取决于其形态,无机砷大于有机砷,三价砷大于五价砷化合物,而毒性最大的是砷化氢和三氧化二砷(俗称砒霜)[21]。由图3可得,麸皮吸附砷的能力随远小于吸附铝和铅的能力,由此说明麸皮对非金属元素吸附能力不强;麸皮吸附砷的能力跟吸附铝的能力一样,所有在测粒径范围的麸皮都是在pH=7条件下吸附砷能力小于pH=2;在pH=2条件下随麸皮粒径增加其吸附砷的能力先增加后减小,即粒径范围为0.074～0.125 mm麸皮吸附能力最大为228.25 μg·g-1,粒径范围为0.125～0.425 mm麸皮吸附铝能力最小为109 μg·g-1,而在pH=7条件下麸皮吸附砷的能力随粒径的减小而增加,其相关性数R=0.979,即在该条件下麸皮吸附砷的能力与粒径有很强的相关性。

图3 不同粒径麸皮吸附砷的能力Fig.3 Different particle size range of bran adsorption ability to arsenic

综上可得,通过研究麸皮吸附三种有代表性的有害元素(重金属铅、非重金属铝和非金属砷)可知,麸皮吸附非重金属铝的能力最强(>7000 μg·g-1),吸附重金属铅的能力次之(>371.75 μg·g-1,<4166.25 μg·g-1),吸附非金属砷的能力最差(<228.25 μg·g-1);麸皮对吸附三种有害元素的能力,都会因pH不同或粒径范围的不同而不同,在酸性环境中麸皮吸附铝和砷的能力强于中性环境,而在酸性环境中麸皮吸附铅的能力弱于中性环境;粒径对麸皮吸附有害元素有显著的影响,在同pH条件下,较小粒径范围麸皮M100、M200都有较强的吸附有害元素的能力,而粗麸皮M40在相同pH条件下,吸附三种有害元素的能力都低于M100、M200,这可能跟麸皮作用表面积有关。

3 结论

对麸皮矿物元素(钾、钙、镁、铁、锌、铜)进行检测,发现麸皮中含有大量的矿物元素,特别是钾、钙、锌、铁等元素;粒径对麸皮矿物质含量有显著性影响,在所测的矿物元素中粒径<0.074 mm的细麸皮含量都是最低的,钾、钙、镁、铁、锌、铜含量分别为7.222、0.812、2.008、95 g·kg-1、59.2 mg·kg-1、8.7 mg·kg-1。在麸皮中检测出铝、铅、砷、镉、铬等有害元素,且不同粒径麸皮有害元素含量也有显著差异,铝、铅、铬在麸皮粒径小于0.074 mm中的含量是最高的,其余元素都是在0.074～0.125 mm范围的中等粒径麸皮中最高,由此说明在使用麸皮加工产品时应选择较大粒径的麸皮。

通过对麸皮吸附铅、铝、砷三种代表性有害元素的研究,发现小麦麸皮对非重金属铝的吸附能力最强,其大于达7000 μg·g-1,对非金属砷吸附能力最弱,其小于228.25 μg·g-1,且pH条件和粒径对麸皮吸附有害元素显著的影响,酸性环境有利于麸皮对铝和砷的吸附,而酸性环境不利于对铅的吸附;粗麸皮(0.125～0.425 mm)吸附有害元素能力最弱,中等粒径麸皮(0.074～0.125 mm)吸附铝和砷的能力最强,细麸皮(<0.074 mm)吸附铅的能力最强。

[1]包成龙,许晓燕,刘博文. 小麦麸皮营养成分和综合利用 [J]. 粮食与油脂,2014(8):58-60.

[2]史建芳,胡明丽. 小麦麸皮营养组分及利用现状 [J]. 现代面粉工业,2012,26(2):25-28.

[3]Anson N M,Hemery Y M,Bast A,et al. Optimizing the bioactive potential of wheat bran by processing [J]. Food & Function,2012,3(4):362-375.

[4]Onipe O O,Jideani A I O,Beswa D. Composition and functionality of wheat bran and its application in some cereal food products [J]. International Journal of Food Science & Technology,2015,50(12):2509-2518.

[5]游勇,鞠荣. 重金属对食品的污染及其危害[J]. 环境,2007(2):102-103.

[6]涂宗财,胡月明,陈丽莉,等. 豆渣膳食纤维吸附重金属的研究 [J]. 食品与机械,2013,29(1):85-87.

[7]陈思思. 汉麻纤维对重金属离子的吸附性能研究[D]. 浙江理工大学,2016.

[8]孙颖. 小麦麸皮膳食纤维的脱色及超微粉碎加工[D]. 江南大学,2008.

[9]郑慧,王敏,孙新涛. 苦荞麸皮微粉对Pb2+、Cd2+、Hg2+的吸附特性研究[J].中国粮油学报,2008,23(1):44-47.

[10]王玮. 超微粉碎麸皮的功能特性及应用研究[D].河南工业大学,2016.

[11]王小平,雷激,刘江,等. 麸皮对挂面品质及抗氧化性的影响[J]. 食品科技,2016(2):185-191.

[12]王小平,雷激,孙曼兮. 麸皮酥性饼干制备的工艺优化[J]. 食品工业科技,2015,36(22):277-281.

[13]Pr ckler M,Siebenhandl-ehn S,Apprich S,et al. Wheat bran-based biorefinery 1:Composition of wheat bran and strategies of functionalization [J]. LWT-Food Science and Technology,2014,56(2):211-221.

[14]唐丽. 矿物质元素与人体健康[J]. 新疆职业大学学报,2002,10(4):94-96.

[15]范轶欧,刘爱玲,何宇纳,等.中国成年居民营养素摄入状况的评价[J].营养学报,2012,34(1):15-19.

[16]赵孝先,高玲,吴丽雅,等. 响应面法优化盐酸降解小麦麸皮中植酸研究[J]. 食品工业科技,2016,37(10):311-315.

[17]Coda R,Karki I,Nordlund E,et al. Influence of particle size on bioprocess induced changes on technological functionality of wheat bran [J]. Food Microbiology,2014,37:69-77.

[18]王小平,张广峰,雷激,等. 粒径对麸皮多酚及其抗氧化活性的影响[J]. 食品与发酵工业,2016,42(9):160-164.

[19]王子云,詹秀环. 铝的污染与危害[J]. 周口师范学院学报,2004,21(2):65-67.

[20]李梅,喻敏. 硼对果胶铝吸附解吸特性的影响[J]. 中国农业科学,2013,46(8):1595-1602.

[21]黄秋婵,韦友欢,吴颖珍. 砷污染对人体健康的危害效应研究[J]. 微量元素与健康研究,2009,36(4):65-67.

Effect of particle size on mineral element content and binding of harmful element of wheat bran

WANG Xin1,HUANG Tao-rui2,*,HUANG Li-juan1,ZHANG Ding-qiu1

(1.Sichuan Institute for Food and Drug Control,Chengdu 610097,China; 2.Sichuan Tourism College,Chengdu 610000,China)

To study the binding ability of wheat bran to harmful elements,the ability of adsorption for wheat bran with different particle sizes(<0.074、0.074～0.125、0.125～0.425 mm)to harmful elements(aluminum,arsenic,lead)was tested. In the meantime,minerals(potassium,calcium,magnesium,iron,zinc,copper)contents and harmful elements(aluminum,lead,arsenic,cadmium,chromium)contained by different-size brans were evaluated respectively in the study. The result showed that the particle size of wheat bran had a significant influence on the amounts of minerals and harmful elements(p<0.05).All the detected contents of minerals were the lowest from 0.074 mm size bran,and the contents of macro element potassium,calcium and magnesium were 7.222,0.812 and 2.008 g·kg-1respectively,and the contents of trace element iron,zinc and copper were 170,82.3 and 11.9 mg·kg-1respectively. However,the contents of harmful elements aluminum,lead,and chromium were the highest that were 13.7,0.1169,and 0.3150 mg·kg-1,respectively in these brans. 0.125 mm to 0.425 mm size bran contained a lot of macro elements(The contents of potassium and magnesium were 15.867 and 5.984 g·kg-1,respectively),and the detection contents of harmful elements were the lowest,and lead content was only 0.0449 mg·kg-1. Under the condition of different pH and different particle sizes,the change was consistent for bran adsorption aluminum and arsenic ability. The adsorption capacity increased firstly and then decreased with the decrease of particle size at pH=2. The adsorption capacity of bran at pH=7 remarkable increased with the decrease of particle size(p<0.05). And the adsorption capacity under pH=7 was much smaller than that at pH=2.The ability of bran for adsorbing lead was greater at pH=7 than that at pH=2. And the capacity significantly increased with the decrease of particle size at pH=7(p<0.05). Whereas,that binding capacity to lead increased first then decreased with the decrease of particle size at pH=2.In conclusion,particle size of wheat bran had remarkable influences on its mineral element content and capacity of binding harmful element.

wheat bran;minerals;harmful elements;adsorption

2017-01-13

王鑫(1983-)，女，硕士研究生，研究方向：食品检测，E-mail：stare1314@163.com。

*通讯作者:黄韬睿(1982-)，男，硕士，讲师，主要从事食品质量与安全及传统烹饪的工业化研究，E-mail：183607621@qq.com。

四川省高校重点实验室(szjj2016-087)。

TS209

A

1002-0306(2017)15-0093-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.018