豆渣膳食纖維吸附重金屬的研究

涂宗財 胡月明 陳麗莉 王 輝 阮傳英

（1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.南昌大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047；3.江西師范大學(xué)，江西 南昌 330022）

豆制品加工過程中會產(chǎn)生大量的豆渣，其中含有的豐富的碳水化合物是極好的膳食纖維來源。研究證實，膳食纖維能夠預(yù)防心血管疾?。?］、Ⅱ型糖尿?。?］、腸道癌［3］及肥胖癥［4］等，其 中 豆 渣 膳 食 纖 維 （soybean residue dietary fibre，SDF）是眾多天然膳食纖維源中價廉質(zhì)高的一種。

汞、鎘和鉛是一類危害人體健康的化學(xué)物質(zhì)，由于環(huán)境的污染，很多食物中都能檢測到這些重金屬元素，它們不易排出，都有在生物體內(nèi)富集的潛在危機(jī)，其量達(dá)到一定程度可導(dǎo)致中毒以及癌癥［5］。膳食纖維對重金屬離子的束縛主要依靠化學(xué)吸附，同時也存在物理吸附［6］。化學(xué)吸附主要依靠纖維中來自糖醛酸的羧基和木質(zhì)素的酚酸等基團(tuán)與重金屬離子結(jié)合，因此受pH的影響較大，pH值升高，這些基團(tuán)解離增多，可以和帶正電的重金屬陽離子以離子鍵結(jié)合；反之，羧基解離減少，可能降低了吸附效果，即酸性環(huán)境不利于膳食纖維對重金屬離子的吸附［7］；物理吸附則是范德華力作用的結(jié)果，受溫度影響，反應(yīng)速率一般很快。

目前，已有學(xué)者研究了麥麩膳食纖維［8，9］、果渣膳食纖維［10］、米糠半纖維素［11］等都有一定的吸附重金屬能力，而不同條件改性的膳食纖維對重金屬的吸附能力不同。發(fā)酵法具有工藝簡單、成本低、產(chǎn)量大、無污染等優(yōu)點；動態(tài)高壓微射流（dynamic high pressure microfluidization，DHPM）技術(shù)則是一種高效的超微細(xì)化物理改性技術(shù)，在均質(zhì)過程中，劇烈的處理條件，如液體高速撞擊、高速剪切、空穴爆炸、高速震蕩等作用可能影響物料的高級結(jié)構(gòu)［12－14］，從而導(dǎo)致其功能性質(zhì)的改變。

膳食纖維在人體內(nèi)對重金屬離子的吸收主要發(fā)生在腸道和胃中。本試驗分別針對乳酸菌發(fā)酵和DHPM處理得到的SDF，在生理條件下（37℃，pH 2.0和7.0）模擬腸道和胃pH環(huán)境評價其對Hg、Cd和Pb的吸附能力。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

新鮮豆渣：南昌市青山湖市場；

保加利亞乳桿菌（CICC編號：20249）和嗜熱鏈球菌（CICC編號：20391）：中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心；

氯化汞、氯化鎘和硝酸鉛等：分析純，市售。

1.2 主要儀器

微射流均質(zhì)機(jī)：M－110EH型，美國Microfluidics公司；

凍干機(jī)：LGJ－1型，北京亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司；

離心機(jī)：TDL－5－A型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

原子熒光光度計：AFS－230E型，北京海光公司；

等離子體發(fā)射光譜儀：Optima－5300DV型，美國PE公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

（1）發(fā)酵豆渣膳食纖維：新鮮豆渣→漂洗→調(diào)配（料液比1∶15）→膠體磨磨漿2次→滅菌→接種（保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌1∶1混合）→42℃發(fā)酵至pH ＝4.0±0.3→調(diào)pH為中性→凍干得到發(fā)酵豆渣膳食纖維（fermented soybean residue dietary fibre，F(xiàn)SDF）。

（2）DHPM豆渣膳食纖維：新鮮豆渣→調(diào)配料液比1∶30→均質(zhì)機(jī)40MPa處理2次→150MPa DHPM處理2次→凍干得到DHPM 豆渣膳食纖維（DHPM－treated soybean residue dietary fibre，DSDF）。

250mL三角瓶中分別加入100mL 150mg／L的重金屬溶液［HgCl2，CdCl2和Pb（NO3）2］和1.0g膳食纖維樣品，于37℃，120r／min振蕩，于不同時間取5.0mL，4 000r／min離心10min，上清液測定殘留重金屬離子濃度［9］。采用原子熒光法測定Hg2＋含量，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定Cd2＋和Pb2＋含量。

1.3.2 原子熒光測定參數(shù) 參照文獻(xiàn)［15］。燈電流15mA；載氣流量：500mL／min；屏蔽氣流量1 000mL／min；負(fù)高壓280V；原子化器溫度200℃；原子化器高度8mm；讀數(shù)時間10s；讀數(shù)方式：峰面積；測量方式：標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 等離子體發(fā)射光譜測定參數(shù) 參照文獻(xiàn)［16］。霧化氣流速0.8L／min；輔助氣流速0.2L／min；冷卻氣流速15L／min；樣品提升量1.5L／min；射頻功率1 200W；軸向觀測方向。元素測定波長分別為 Cd 228.802nm，Pb 220.353nm。

2 結(jié)果與討論

圖1～3分別描述了體外模擬腸道和胃pH環(huán)境下不同方式處理的SDF對3種重金屬離子的吸附能力。本試驗在體外模擬腸道pH 條件下（pH ＝7.0），SDF對 Hg2＋、Cd2＋和Pb2＋都有較強(qiáng)的吸附作用，其中對Pb2＋的吸附作用最強(qiáng)，對Hg2＋的吸附作用次之，對Cd2＋的吸附作用較弱。SDF分別經(jīng)發(fā)酵和DHPM處理后，吸附重金屬離子作用都有所增強(qiáng)。在胃pH條件下（pH＝2.0），SDF對Hg2＋和Cd2＋的吸附作用很弱，但對Pb2＋的吸附作用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于對 Hg2＋和Cd2＋的吸附作用。由圖3可知，在pH＝2.0條件下，發(fā)酵和DHPM會增強(qiáng)SDF對Pb2＋的吸附作用。隨著吸附時間的延長，對重金屬離子的吸附量增大，10～20min均能達(dá)到吸附的相對平衡，這說明在胃腸排空前，膳食纖維可以迅速完成對攝入的重金屬離子的吸附作用。

圖1 豆渣膳食纖維對Hg2＋的體外吸附能力Figure 1 In vitro binding capacity of soybean dietary fibres for Hg2＋

圖2 豆渣膳食纖維對Cd2＋的體外吸附能力Figure 2 In vitro binding capacity of soybean dietary fibres for Cd2＋

圖3 豆渣膳食纖維對Pb2＋的體外吸附能力Figure 3 In vitro binding capacity of soybean dietary fibres for Pb2＋

由圖1～3可知，對同一種重金屬離子的吸附過程中，pH＝7.0條件下比pH＝2.0條件下吸附效果好，說明小腸環(huán)境更適合膳食纖維對重金屬離子的吸附。Thompson等［17］研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)膳食纖維在pH＝6.8時對金屬離子的束縛能力最強(qiáng)，pH＝0.65時則會進(jìn)行解吸釋放。

由圖1～3還可以看出，在對重金屬離子的吸附作用中，DSDF達(dá)到吸附平衡比SDF和FSDF要快些，只需約10min，說明經(jīng)DHPM處理增強(qiáng)了反應(yīng)速率較快的物理吸附作用。劉成梅等［18］研究也表明，DHPM處理后的樣品，顆粒高度破碎，比表面積增加，組織松散，可溶性膳食纖維含量增加。顆粒變小、表面積增大使DSDF與重金屬離子接觸的更充分從而增強(qiáng)對重金屬離子的物理吸附作用。

3 結(jié)論

體外試驗?zāi)M腸道pH條件下，SDF有較強(qiáng)的吸附Hg2＋、Cd2＋和Pb2＋的作用，吸附效果Pb2＋＞Hg2＋＞Cd2＋；在胃的pH條件下吸附能力顯著減弱，表明腸道環(huán)境比胃環(huán)境更適合SDF對重金屬離子的吸附，且吸附作用20min內(nèi)能達(dá)到相對平衡。發(fā)酵和DHPM都增強(qiáng)了SDF吸附重金屬離子的作用。可以看出，同一種膳食纖維，對不同重金屬離子的吸附作用不同；經(jīng)不同方式處理的膳食纖維對同一種重金屬離子吸附作用也不同；在不同酸度條件下膳食纖維對重金屬離子的吸附作用差別也很大。這說明，膳食纖維對重金屬離子的吸附作用與改性方式、重金屬的種類和pH條件有關(guān)。

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