不同萃取劑對花生粕餅中重金屬的去除效果

葛一陳，楊洋,2，黎紅亮，曾紅遠，曾清如*

1.湖南農業大學資源環境學院 2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所

頻繁的人類活動對土壤造成了嚴重的重金屬污染，尤其是農田土壤重金屬的污染[1]。重金屬污染物不能被化學或生物降解，易通過食物鏈途徑在植物、動物和人體內積累，對生態環境、食品安全和人體健康構成嚴重威脅[2- 4]。土壤重金屬污染植物修復技術相比化學、物理等其他修復方法具有環境友好、安全、低成本等優勢[5]。但植物修復也存在一些局限性，如修復速度慢[6]，用于修復的植物大多沒有經濟價值[7]等。Blaylock等[8]采用乙二胺四乙酸強化印度芥菜來修復Pb污染土壤，發現每個生長季后可收獲地上部干重高達6 t/hm2，植物中Pb濃度高達10 000～15 000 mg/kg；Chen等[9]研究證明蜈蚣草(PterisvittataL.)是As超富集植物，其生物量鮮重約為36 t/hm2；Yang等[10- 11]發現Zn/Cd超富集植物東南景天地上部分的Zn濃度高達20 000 mg/kg，Cd濃度高達500 mg/kg，野外試驗表明其生物量干重可達1.8 t/hm2。一旦這些富集重金屬的有害生物得不到合理處置，生物質中的重金屬很可能會通過各種途徑重新釋放到環境中，從而造成二次污染。因此如何處置修復后富含重金屬的植物是植物修復技術推廣和發展的重要前提[12]。

一些油料作物對土壤重金屬修復有良好的應有前景，其不僅能降低土壤重金屬污染修復成本，還能產生經濟效益[13]。花生對重金屬有一定的耐性和積累能力[14]，可以用來修復土壤重金屬污染，但重金屬會積累在花生果實中，花生果實被榨取或浸提油后，絕大部分重金屬會積累在花生粕餅中。花生粕是一種較好的蛋白資源，粗蛋白濃度為49%左右。在飼料及其他工業蛋白資源日益匱乏的今天，開發利用花生粕蛋白具有現實意義和實用價值。

花生提油后重金屬主要富集于粕餅中，而目前對花生粕餅中重金屬的去除研究鮮見報道。筆者探討了幾種有機酸鹽和低濃度的鹽酸對粕餅中Pb、Zn、Cu、Cd的去除效果，比較萃取前后粕餅中蛋白質和一些營養元素的濃度變化，以期為花生粕餅的重金屬脫毒方法提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

花生品種為魯花14，大田試驗地在湖南省郴州市桂陽縣官溪村重金屬污染農田，其農田污染土壤Cd濃度為1.31 mg/kg。黎紅亮等[14]的前期研究顯示，石油醚對花生油的萃取率高，所得食用毛油符合GB 2716—2005《食用油衛生標準》。本試驗花生粕餅為石油醚萃取后獲得，粕餅中的重金屬、粗蛋白和營養元素濃度見表1。

表1 花生粕餅中重金屬、粗蛋白和營養元素濃度

1.2 試驗方法與儀器

花生粕餅通過酒精浸泡后能有效降解黃曲霉毒素等有害物質[15]，且70%～75%的酒精滅菌作用最強[16]。試驗采用鹽酸溶液(含70%乙醇)、檸檬酸鉀、酒石酸鉀萃取花生粕餅中的重金屬，固液比為1∶20，萃取時間為0～24 h，萃取次數為1～3次，取平均。

精確稱取2.00 g干燥的花生粕餅粉末置于60 mL離心瓶中，加入40 mL的萃取劑，其中設計0.10%、0.25%、0.50%、1.00% 濃度鹽酸和5、10、15、20、30 mmol/L 檸檬酸鉀、酒石酸鉀萃取梯度。常溫下將離心瓶置于翻滾機中，翻滾離心后，將花生粕餅烘干并磨碎，消解定容保存，以備上機檢測分析。

粗蛋白的消解：稱取0.5～0.8 g樣品粉末于消化管中，加入2片凱爾特催化片(CU3.5)，加入12 mL濃硫酸將樣品浸濕；打開排廢裝置，消化60 min，將消化管連同排廢罩一起取出，冷卻15 min；用80 mL蒸餾水稀釋、冷卻；在接收瓶中加入25～30 mL的硼酸和50 mL NaOH溶液，蒸餾后用0.2 mol/L標準滴定液滴定。

粕餅中重金屬及營養元素采用HNO3- H2O2消解[17]。粗蛋白濃度采用自動凱氏定氮法測定[18]，儀器為FOSS(KjeltcTM8400)；Pb、Cd濃度采用原子吸收分光光度計(VARIAN，AA- 240FS)法測定；Zn、Cu及其他營養元素濃度采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP- OES，OPTIMA- 8300)測定。

1.3 數據處理

試驗數據處理與圖表制作采用Excel 2010和Origin Pro 8軟件。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的萃取劑對花生粕餅中重金屬去除效果的影響

表2 不同濃度萃取劑及pH對花生粕餅中重金屬去除效果的影響

注：所有數據均表示為平均值±標準偏差(n=5)；不同字母表示在P≤0.05水平上差異顯著。

2.2 萃取時間對花生粕餅中重金屬去除效果的影響

圖1 萃取時間對花生粕餅中重金屬去除效果的影響Fig.1 Effect of extraction time on the removal efficiency of heavy metals from peanut meal

不同萃取時間下30 mmol/L酒石酸鉀、檸檬酸鉀和1.00%鹽酸對花生粕餅中重金屬的去除效果見圖1。從圖1可以看出，3種萃取劑條件下，粕餅中重金屬的去除率均隨著萃取時間的延長而增加，檸檬酸鉀和酒石酸鉀對Zn和Cu的去除率隨著萃取時間的延長始終在較低的水平。萃取時間為0～12 h時，花生粕餅中重金屬濃度迅速下降；12～24 h時，粕餅中重金屬萃取速率降低。Chao等[26]利用有機酸鹽對重金屬進行液相萃取時一般選擇萃取時間為6 h，因為重金屬離子與有機溶劑的絡合反應一般都發生在短時間內。本試驗中采用1.00%鹽酸萃取6 h時，粕餅中Cd的去除率為73.77%；12 h時，Cd的去除率達86.1%，粕餅中Cd濃度低于GB 13078—2017限值。萃取12 h時，30 mmol/L檸檬酸鉀和酒石酸鉀對花生粕餅中Pb的去除率為56.14%和74.43%，Cd的去除率為58.61%和62.70%。有學者提出有機溶液對重金屬的萃取效果主要受到萃取劑濃度的影響，而反應時間的影響并不大[27]。本試驗中，當萃取時間為12 h時，粕餅中重金屬的去除率達到一個較高的水平，12 h后隨時間的延長重金屬的去除率沒有明顯增加。

2.3 連續萃取對花生粕餅中重金屬去除效果的影響

通過2.1和2.2節試驗得出，有機酸鹽萃取劑溶液濃度為30 mmol/L，萃取時間為12 h是最適萃取條件。0.50%和1.00%的鹽酸萃取后粕餅中的重金屬濃度均低于GB 13078—2017限值，在連續萃取試驗中設定更低的鹽酸濃度(0.25%)，通過增加萃取次數使其達到較高鹽酸濃度時的去除率。從圖2可知，3種萃取劑連續萃取3次，花生粕餅中重金屬的去除率均呈上升趨勢。其中，連續萃取3次后，0.25%鹽酸對粕餅中Zn、Cd、Cu的去除率都達到了90%以上，高于其他2種萃取劑。酒石酸鉀對Zn的去除率從16.69%增加到89.91%，對Cu的去除率從44.27%增加到92.97%。檸檬酸鉀連續萃取對4種重金屬去除率的提升較另外2種萃取劑不顯著。30 mmol/L酒石酸鉀第3次萃取和0.25%鹽酸第2次萃取的花生粕餅Cd去除率為85.32%和91.39%,濃度為0.36和0.21 mg/kg，均滿足GB 13078—2017的要求。

2.4 連續萃取后花生粕餅中營養元素和粗蛋白濃度的變化

表3對比了3種萃取劑在連續萃取前后花生粕餅中營養元素和粗蛋白濃度的變化。從表3可以看出，檸檬酸鉀和酒石酸鉀連續萃取前后對粕餅中Fe、Al、Ca、Mg、P濃度影響不大，卻將大量的K元素帶到粕餅中，使連續萃取后粕餅中K濃度增加了3倍左右。鹽酸連續萃取后Ca、Mg、K濃度顯著下降，這是因為在酸性條件下，Ca、Mg、K等元素以離子態析出[28]。3種萃取劑連續萃取后粗蛋白從GB10382—1989《飼料用花生粕國家標準》一級標準降為二級標準，但粗蛋白流失較小。GB 10382—1989中沒有關于花生粕餅中營養元素的相關規定。

圖2 連續萃取對花生粕餅中重金屬去除效果的影響Fig.2 Effect of continuous extraction on the removal efficiency of heavy metals from peanut meal

表3 連續萃取前后花生粕餅中營養元素和粗蛋白的濃度

3 結論

(1)花生粕餅中重金屬去除率隨著3種萃取劑濃度的增加而增大，30 mmol/L的檸檬酸鉀、酒石酸鉀和1.00%鹽酸萃取后，花生粕餅中的Cd濃度分別為1.01、0.91和0.34 mg/kg，其去除率高于Pb、Cu和Zn。

(2)3種萃取劑對花生粕餅中重金屬都有一定的去除效果，并隨著萃取時間的延長去除率增加。萃取12 h后，對重金屬萃取效果趨于平穩。

(3)連續萃取3次后，3種萃取劑對Zn、Cu的去除率都有較大提升；30 mmol/L的酒石酸鉀第3次萃取和0.25%的鹽酸第2次萃取后，Cd的去除率為85.32%和91.39%，且粕餅中Cd濃度為0.36和0.21 mg/kg，均達到GB 13078—2017要求。

(4)3種萃取劑在去除粕餅中重金屬的同時對營養元素有一定的影響，其中低濃度的鹽酸相比于檸檬酸鉀和酒石酸鉀對部分營養元素影響較大，3種萃取劑對粗蛋白流失的影響較小。