TW201804913A - 從稻米除去重金屬 - Google Patents

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Abstract

將水和加工助劑跟收成後的稻米加以組合，以提供稻米、水、及加工助劑之混合物。將混合物保持一定時間，其足以從稻米分離出至少一部分重金屬污染物(大部分是重金屬離子)；此後，從混合物分離出至少一部分水和加工助劑，留下具有降低重金屬含量的稻米。

Description

從稻米除去重金屬
本案係關於處理收成後的稻米以除去重金屬。
稻米是最常吃的糧食作物之一，它是一種用於開發各種高品質蛋白質水平之產品的豐富又廉價來源。
有一個問題是稻米植物易於從植物所生長的肥料和水中攝取金屬，包括有毒的重金屬，諸如：砷、鎘、鉛、及汞。有一個特別的問題是稻米植物會將此等重金屬儲存在穀粒中，而非僅在葉子和莖中，因此，收成後的稻米一般含有重金屬(特別是鉛)，有時含有對定期攝取稻米的消費者而言可能有毒之量，其在公共衛生方面相當受關注。在本文中又被稱為「全米(whole rice)」或「未磨米(unpolished rice)」的糙米(Brown rice)一般比白米具有更高的重金屬含量，這是因為重金屬傾向積累在米糠中，而其在生產白米期間會被磨掉。USMESH 40的篩(0.42mm)上具有至少95%的滯留。
用於從加工流中除去重金屬的各種方法係為習知的，但大多數此等加工使用了烴溶劑或粗糙的加工條件，其並不適用於處理食品，諸如稻米。
因此，需要一種對環境安全和經濟的方法，以從收成後的稻 米除去重金屬，雖然對糙米而言該需求最大，但從白米除去重金屬也是有益的。
將水和加工助劑跟收成後的稻米加以組合，以提供稻米、水、及加工助劑之混合物。將混合物保持在容器中一定時間，其足以從稻米分離出至少一部分重金屬污染物(大部分是重金屬離子)；此後，從混合物分離出至少一部分水和加工助劑，留下具有降低重金屬含量的稻米。加工助劑最好是有機基質，有利的是活性碳，加工助劑具有足夠的粒徑，以輕易地從處理過的稻米中被分離出。
該處理之操作簡單，僅使用水和加工助劑，並可在具有溫度控制和混合能力的單一容器中操作。
藉由此加工，可分別降低95%和30%以上的鉛(Pb)含量和其他重金屬(As、Hg、及Cd)含量，而不使用烴溶劑。處理過的稻米之蛋白質含量基本上未受影響，且處理過的水稻留住了其天然存在含量的高於99%，纖維的滯留也良好，大約是80%。
根據參考附圖而進行的以下詳盡敘述，本發明之前述特徵和其它特徵、還有優點將變得更加明顯。
圖1是從全米除去重金屬之方法的流程圖。
提供以下對術語和縮寫之說明，以更佳地描述本發明之揭露內容，並指導在實行本發明之揭露內容時的所屬技術領域中具有通常知識 者。如在本文中所使用，「包含(comprising)」指的是「包括(including)」；「基本上由...所組成(consisting essentially of)」指的是「包括特定項目，還有實質上不影響特定項目之基本特徵的項目」；除非上下文另有明確規定，否則單數形式「一(a或an)」或「該(the)」包括了複數關係；除非上下文另有明確規定，否則術語「或(or)」是指所陳述之替代成分中的單一成分，或者是二或多種成分的組合。
除非另有說明，否則在本文中所使用的全部技術術語和科學術語，都具有如本發明之揭露內容所屬的技術領域中，具有通常知識者通常理解的相同意涵。雖然可將類似或等效於本文中所述之方法或材料者，用於實行或測試本發明之揭露內容，但下方描述了適合的方法和材料。材料、方法、及實例僅是說明性的，而非意圖作為限制，由於以下的實施方式和申請專利範圍，本揭露內容的其它特徵是明顯的。
除非另有指明，否則應將說明書或申請專利範圍中所使用的全部數字(其表達大小、數量、溫度、及時間等)都理解為藉由術語「約(about)」加以修飾；因此，除非另有暗示性或明白地指明，或除非上下文經所屬技術領域中具有通常知識者恰當地理解為具有更明確的結構，否則所列的數值參數是近似值，其可取決於在標準測試條件/方法(如所屬技術領域中具有通常知識者所習知)下所尋求的所需性質及/或檢測極限。當直接且明白地區分具體實例和所討論的先前技術時，除非記載了「約」一字，否則實施例編號並非近似值。
除非另有指明，否則應將關於組成物或材料的全部百分比都理解成重量百分比，即%(w/w)。
為了有助於檢閱本揭露內容的各種具體實例，提供了以下的具體術語說明：
糙米：如在本文中所使用，術語「糙米(brown rice)」、「未磨米(unpolished rice)」、「全米(whole rice)」、及「全穀米(whole grain rice)」指的是已除去外殼(outer hull)或外皮(husk)之收成後的米粒。
白米：如在本文中所使用，術語「白米(white rice)」和「已磨米(polished rice)」指的是藉由碾碎及/或磨光來除去糠層和胚芽的米粒。
重金屬：如在本文中所使用，術語「重金屬(heavy metals)」指的是砷、鎘、鉛、及汞。
在根據本發明之加工中，將水和加工助劑跟收成後的稻米加以組合，以提供稻米、水、及加工助劑之混合物，使用去離子水來達到最佳結果，但不需為了成功操作而將水去離子化。將混合物保持在容器中一定時間，其足以從稻米分離出至少一部分重金屬；此後，從混合物分離出至少一部分水和加工助劑，產生具有降低重金屬含量的稻米。
圖1說明了一種此用於處理全米的加工。在該加工中，於具有混合和溫度控制能力的適當尺寸容器裡組合全米和去離子水，其以重量對重量為基礎在>1.75：1和<2.25：1的液體對固體範圍比內。可以用較大量的水進行操作，該比例應使稻米被淹沒並容易被攪動，高達2.5：1之抽出比應是可操作的；高達3：1之比例亦然；以重量對重量為基礎在>1.75：1和<2.5：1的液體對固體範圍比內應是可操作的。然而，使用過量的水會降低重金屬的結合效率，並影響稻米的營養曲線(nutrient profile)；使用過量的水也會增加以商業規模操作時的加工時間和加工成本。有利的是，以重量對重量為 基礎，將兩份去離子水和一份全米加以組合，將去離子水添加至容器中，並冷卻至溫度在15-23ºC範圍內；在攪拌冷卻水的同時，將全米添加至容器內的水中以形成稻米和水的混合物；在添加稻米後繼續攪動。有利的是，在添加稻米之後，將混合物的溫度保持在不高於23ºC；可在稍為高於23ºC的溫度、特別是在高達25.6ºC的溫度下進行該加工。在太高的溫度下操作將導致並非所欲的蛋白質材料顯著抽出。在低至5ºC的溫度下操作是可能的，且在一定生產規模上可能是有利的，因此5-25.6ºC的溫度範圍是可操作的，在一些情況下，5-23ºC和15-25.6ºC的特別溫度範圍適用於商業生產。應藉由徹底攪伴(但並未劇烈的損傷了稻米)來攪動全米和水的混合物，可藉由使用適當的混合速度和攪拌葉片之配置來避免損傷，可藉由諸如搖動的另一技術來攪動稻米，但攪拌是具成本效益的，且經據信能產生最佳結果。
接著將加工助劑添加至水和稻米的混合物中，以重量對重量為基礎(加工助劑重量對水和稻米的混合物重量)，添加量為0.05%至1.0%的加工助劑；有利的是，以重量對重量為基礎，添加量為0.3%的加工助劑。在一個有利的具體實例中，以重量對重量為基礎(以活性碳重量對水和稻米的混合物重量)，將量為0.3%的活性碳添加至水和稻米的混合物中，活性碳粒徑呈20×40的顆粒形式。將水、稻米、及活性碳的混合物加以混合最少30分鐘，但不多於60分鐘，在這些條件下操作會導致重金屬離子快速結合，同時避免除去稻米介質內的蛋白質材料，若混合時間增加至60分鐘以上，則蛋白質材料開始被抽出，且稻米的結構瓦解，因此使過濾加工變得困難。
活性碳可呈具有足夠純度以用於處理食品的任何類型，受歡迎的活性碳源材料有：椰子、煤、及木材，顆粒活性碳(GAC)是用於本文中所述之加工的最佳活性碳形式。在20 x 40尺寸範圍內的顆粒活性碳(GAC)將於USMESH 20的篩(0.85mm)上具有至少90%的通透率，且於USMESH 40的篩(0.42mm)上具有至少95%的滯留。顆粒活性碳(GAC)主要適用於水相系統。較小粒徑的活性碳將起作用，然而，要用的最佳粒子係經尺寸化，以將其大部分留在一種過濾器上，該過濾器具有10 USMESH或更大的篩網。
在用活性碳處理後，用粗過濾加工將混合容器中的水排空。有利的是，使用具有8至10 USMESH之篩網的過濾器，以從混合物分離出水和活性碳。在一些情況下，在過濾加工期間攪動混合物是有益的，至少一部分水和至少一部分顆粒活性碳會通透過篩網而到達容器外之位置，與進行處理前之稻米中重金屬含量相較之下，被篩網留在容器中的全米具有降低之重金屬含量。
被留在容器中的全米有利地係藉由潤洗加工而在相同容器裡經進一步純化，在該潤洗加工中係添加充分的去離子水以徹底覆蓋稻米；接著短暫地攪動稻米和水的混合物，攪拌1至2分鐘可有助於除去可能存在於稻米上的殘留加工助劑；接著藉由將容器排空而從混合物中除去水，以及可能的一些殘留活性碳，該將容器排空有利的是透過一種濾網器進行，該過濾器具有8至10 USMESH的篩網，在一些情況下，有益的是在排空期間攪動混合物；可進行複數次此潤洗加工，有利的是，將進行至少三次潤洗加工，導入三次潤洗加工已足以實質上除去全部的殘餘活性碳細料；在容器中之稻米和水相接觸的整個過程期間，稻米和水的混合物不應 超過25.6ºC，且最佳不應超過23ºC，以避免從稻米中過度除去蛋白質材料。
表1顯示了以下之重金屬污染物、纖維、蛋白質、及單醣之含量：未處理過的全米，以及藉由上述方法、以三種潤洗步驟處理過的可比較性全米。
Figure TW201804913AD00001
可將處理過和潤洗過的全米用於現存商業加工中，以製備濃化蛋白質成分，諸如：濃縮物和分離物；因此，如上述之處理全米的加工使得現存商業加工能提高稻米的蛋白質，且大幅降低重金屬含量，尤其是鉛(Pb)。此外，上述處理加工降低了超過20%(大部分呈可溶形式)的總可溶纖維含量和>50%的單醣，因此創造出重金屬含量大幅降低之熟全米的低卡洛里產品。
雖然上方實例描述了處理全米，但應該理解的是，可將該加工延伸至除了處理全米以外，亦可將該加工施用於處理白米，其不含穀粒的糠成分和胚芽成分。除了會將白米(而非全米)添加至容器中的水之外， 用於處理白米的一個實例方法將與上述加工完全相同，白米普遍係經營養強化，所以最佳將是在任何產品的營養強化發生前就導入重金屬除去加工。處理白米不如處理全米重要，其原因在於全米一般具有較高的重金屬含量(由於米糠的存在)，然而，因為消費白米的水平遠高於消費糙米(由於白米的高澱粉含量提供了有用的能量來源)，所以對消費者而言，從白米的胚乳除去重金屬就提供了實質上的健康益處。
在本文所述的加工中，可用另一加工助劑材料來代替全部或一部分活性碳。據信作用之機制大部分為重金屬和帶負電荷基質的離子性結合，因此，替代加工助劑材料最好帶有負電荷，舉例而言，替代加工助劑可為活性碳粒子，其已遭表面修飾以增加活性碳的負電荷。沸石是微孔矽鋁酸鹽礦物，斜發沸石為其中一個實例，食品級斜髮沸石將在本文所述之任何加工中作為加工助劑而起絕佳作用。替代加工助劑最好將呈顆粒形式，其具有上方所討論之關於活性碳的尺寸，舉例而言，粒徑20×40適用於斜髮沸石顆粒和其它替代加工助劑。
用海藻酸鈣微珠來作為加工助劑也將相當有效，基本上重金屬離子將透過競爭結合(Le Châtelier原理)而與附著在海藻酸鹽介質(基於海藻)上的鈣離子進行交換。此特別的有機基質係經相對於活性碳進行測試，並被發現到除去了~95%水平的鉛(Pb)含量，然而，即使這種材料相當廉價和豐富，但活性碳更甚於此，且在處理米介質時更易於處理。
雖然用上述特別加工實現了有利結果，但變化是有可能的。可改變稻米、水、及加工助劑的混合順序，可形成水和加工助劑的混合物，並接著將稻米添加至該混合物；也將有可能形成稻米和加工助劑的乾式混 合物，並接著將水添加至該乾式混合物中；若成分混合的特別順序有利於在一定生產規模上操作，則可接著改變混合順序，以從生產觀點而言使加工更有效率。大多數用於稻米的生產規模加工涉及在收成後的稻米浸泡/清洗，故在一些情況下，可在生產加工的此步驟期間中併入加工助劑；在一些情況下，也可將加工助劑用於標準化生產加工，以濃縮稻米之蛋白質，而不是用於稻米浸泡/清洗常發生的加工開始時。在中游或進一步在下游併入此加工對降低生產規模之成本能有幫助，並使總體加工更順暢，可在稻米蛋白質濃縮加工的不同點上使用加工助劑，如果順利，該加工中會有進一步發生的過濾、混合、及清洗步驟發生，最重要的操作準則是混合時間；水溫；液體對固體比；以及確保在與用於降低重金屬含量之加工助劑摻合期間，稻米不會被損傷。
上述加工為批次加工。稻米流可經連續加工，或經使用相同加工參數、以週期性脈衝進行加工，舉例而言，用於加工稻米流之儀器可包含：抽出器容器(具有冷卻、混合、及排空能力)、用於將稻米連續性或週期性裝載至抽出器容器的輸送裝置、容納DI水和加工助劑之混合物的貯留槽(具有冷卻和混合能力)、僅含有DI水的貯留槽(具有冷卻能力)、用於從液體分離出固體的分離器單元、乾燥器、及篩分單元，還有用於在容器間移動流體的各種輸送泵。
可提供一排達十二個之多的批次抽出器容器序列，其中各容器具有約2,000加侖總體積容量的槽，各槽將具有混合能力，還有透過乙二醇冷卻系統之溶液溫度控制。透過輸送裝置將稻米添加進個別的抽出器之後，將冷卻水和加工助劑的混合物泵送進各抽出器容器以進行混合；當混 合完成後，將各抽出器排空以盡可能除去水，接著將DI水泵送進各槽中以短暫潤洗稻米，隨後再次進行排空以除去整體的殘餘活性碳細料；最後，將夠新鮮/冷卻的DI水泵送進各抽出器容器，以將稻米輸送至分離器單元，在此將從稻米除去水。如果稻米會由於泵送至分離器而被損傷，則可建構儀器，使得稻米、水、及加工助劑的混合物將藉由重力(而非泵送)而從抽出器容器底部被直接排空進入分離器，接著會將分離過的稻米輸送至乾燥單元以進行乾燥，乾稻米接著經篩分並包裝以供消費；若分離過的稻米係待用作商業蛋白質濃縮加工之原料，則不必要求乾燥分離過的稻米。藉由依序對抽出器容器進行供料和排空，將有可能從批次抽出器容器序列中產生處理過的稻米之實質連續流。
也可使用具有一或多個成分入口的單一抽出容器來進行連續性或週期性加工，係以通道隔開該成分入口與一或多個成分出口，該通道在鄰接至入口的入口區域和鄰接至出口的出口區域之間延伸。在此加工中，會透過輸送裝置將稻米連續性或週期性添加進通道入口區域，亦會將冷卻水和加工助劑連續性或週期性輸送進抽出器容器的通道入口區域，以與稻米進行混合；接著會使稻米、水、及加工助劑的混合物流過通道，朝向出口區域；當從入口區域流向出口區域時，將藉由混合葉片來攪拌混合物，或可藉由圓柱形旋轉槽來界定通道，該圓柱狀旋轉槽將在混合物從入口區域移至出口區域時旋轉，從而使其轉動。可沿著通道在隔開的位置上提供潤洗站，以將通道中的水和加工助劑排空，並添加淡水以進行潤洗；一旦稻米到達出口區域，則透過一或多個出口而將其從通道中排出，將排出稻米輸送至分離器單元，在此將從稻米分離出水；接著將稻米乾燥或運 送至商業蛋白質濃縮設備。
雖然已詳細說明了本發明的一或多個具體實例，但熟諳此技藝者將認同的是，在不脫離以下申請專利範圍中所列的本發明範疇之下，可對該等具體實例進行修飾和修改。

Claims (16)

  1. 一種用於處理含有重金屬之稻米的方法，該方法包含：將含有重金屬的稻米跟加工助劑和水加以組合，以提供稻米、加工助劑、及水的混合物；使容器中之該稻米跟該等加工助劑和水保持相接觸一定時間，其足以從該稻米分離出至少一部分該等重金屬；以及從該混合物分離出該等加工助劑和水，以提供具有降低該等重金屬含量的稻米。
  2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該加以組合包含：以重量對重量為基礎，用1.75：1至2.25：1的液體對固體範圍比來組合該等稻米和水；以及包括該加工助劑，其量為該等稻米和水之組合重量的0.05wt%至1.0wt%。
  3. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中該加以組合包含：以重量對重量為基礎，用2份水對1份稻米來組合該等稻米和水，以形成該等稻米和水的混合物；且接著將0.3wt%的該加工助劑添加至該等稻米和水的該混合物。
  4. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該加以組合包含：在溫度15-23ºC下向容器中提供該水；在溫度15-23ºC下將該稻米添加至該水，以形成該等稻米和水的混合物；且藉由攪拌該等稻米和水的該混合物來攪動該等稻米和水的該混合物， 同時保持該等稻米和水的該混合物之溫度；接著將該加工助劑添加至該等稻米和水的該混合物。
  5. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該保持包含使該稻米跟該等加工助劑和水保持相接觸30分鐘至60分鐘之時間。
  6. 根據申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：在該分離之後，在溫度15-23ºC下將水添加至該具有降低該等重金屬含量的稻米，以形成包含該等水和具有降低該等重金屬含量的稻米之混合物；攪動該等水和具有降低該等重金屬含量的稻米之該混合物，同時使該等水和具有降低該等重金屬含量的稻米之該混合物之溫度保持在15-23ºC；以及從該等水和具有降低該等重金屬含量的稻米之該混合物中分離出水。
  7. 根據申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含依序進行複數次根據申請專利範圍第6項之步驟。
  8. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其中經添加至該容器的該水為去離子水。
  9. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其進一步包含：連續性或週期性將一部分該稻米、活性碳、及該水添加至該容器；且連續性或週期性從該容器中除去一部分該等稻米、加工助劑、及水。
  10. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該加工助劑基本上係由以下所組成：活性碳、表面修飾過的活性碳、一種形式的沸石、海藻酸鈣、或其混合物。
  11. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該加工助劑基本上係 由顆粒活性碳所組成。
  12. 根據申請專利範圍第11項之方法，其中：該顆粒活性碳具有USMESH 20至USMESH 40的粒徑範圍；且過濾器為8至10 USMESH的篩網。
  13. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其中：該加工助劑基本上係由顆粒活性碳所組成；且。該分離包含透過過濾器將該容器排空，該過濾器具有足以留住該稻米的孔徑，且足以使至少一部分該水和至少一部分該顆粒活性碳通透過該過濾器而到達該容器外之位置。
  14. 根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該稻米為全米。
  15. 一種用於處理含有重金屬之全米的方法，該方法包含：以重量對重量為基礎，用1.75：1至2.5：1之液體對固體範圍比來組合含有重金屬的全米和在溫度15-23ºC下的水，以形成該等全米和水的混合物；攪動該等全米和水的該混合物，同時將該等全米和水的該混合物之溫度保持在5.0-25.6ºC；接著將0.05wt%至1.0wt%的顆粒活性碳(具有20 x 40 USMESH之粒徑)添加至該等全米和水的該混合物，以提供該等全米、活性碳、及水的混合物；在溫度5.0-25.6ºC下，使該全米跟該等活性碳和水在容器中保持相接觸30分鐘至60分鐘之時間；且透過8至10 USMESH的篩網將該容器排空，以使至少一部分該水和至少一部分該顆粒活性碳通過到達該容器外之位置，以及留住該全米並從而 提供具有降該等低重金屬含量的全米；在進行排空之後，在溫度5.0-25.6ºC下將該水添加至該具有降低該等重金屬含量的全米，以形成包含該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之混合物；攪動該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物，同時針對將該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物，將其溫度保持在5.0-25.6ºC；以及從該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物中分離出水。
  16. 一種用於處理含有重金屬之全米的方法，該方法包含：以重量對重量為基礎，用1.75：1至2.25：1之液體對固體範圍比來組合含有重金屬的全米和在溫度15-23ºC下的水；攪動該等全米和水的混合物，同時將該等全米和水的該混合物之溫度保持在15-23ºC；接著將0.05wt%至1.0wt%的顆粒活性碳(具有20 x 40 USMESH之粒徑)添加至該等全米和水的該混合物，以提供該等全米、活性碳、及水的混合物；在溫度15-23ºC下，使該全米跟該等活性碳和水在容器中保持相接觸30分鐘至60分鐘之時間；且透過8至10 USMESH的篩網將該容器排空，以使至少一部分該水和至少一部分該顆粒活性碳通過到達該容器外之位置，以及留住該全米並從而提供具有降該等低重金屬含量的全米；在進行排空之後，在溫度15-23ºC下將該水添加至該具有降低該等重金 屬含量的全米，以形成包含該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之混合物；攪動該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物，同時針對將該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物，將其溫度保持在15-23ºC；以及從該等水和具有降低該等重金屬含量的全米之該混合物中分離出水。
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