随着经济的发展，重金属排放方式及排放量越来越多，环境污染日益严重。在全球范围内，重金属污染农作物田地始终是一个严峻的问题^[1-2]。美国环境保护局定义镉为潜在的致癌物，其在人体内不能被降解，且能够有效地保留在肾脏中，生物半衰期为10~30年，慢性镉中毒会造成肾功能紊乱，甚至会造成死亡^[3-5]。因此，大米中的镉含量应控制在标准安全值内(国际上为0.4 mg · kg^-1；中国为0.2 mg · kg^-1)^[6-8]。如何将镉污染稻米转化成可食用或可加工大米，是目前研究的一个热点。

目前，研究人员主要采用低镉富集作物的育种、土壤修复和植物修复以减少镉在谷物中的积累。但这些方法操作复杂、成本高、回收难，限制了这些方法进一步被开发利用。通过洗涤重金属污染的谷物或土壤是如今广泛接受的一种方法^[7-9]，但筛选出有效且环保的洗脱剂是一项具有挑战的任务。

天然低共熔溶剂(NADES)是一种绿色、可持续溶剂，已成为一种通用溶剂^[10-13]。NADES是指按一定化学计量比的2种或3种天然产物(氢键供体和氢键受体)通过加热的方式，使分子间氢键相互缔合形成的均匀液体^[10]。它具有合成方便、成本低、原料易获得、毒性低且理化性质可调节等优点^[10]。然而，NADES从未被用作从食品(或谷物)基质去除污染物的洗脱剂。在本研究中，以3类不同基质(糖类、醇类和有机酸类)的15种氯化胆碱作为氢键供体制备NADES，并通过洗涤的方式对镉污染的大米粉进行镉去除，同时，通过吸附动力学和吸附热力学的方式研究NADES去除重金属镉的相关机制。

稻米是我国居民主食之一，绿色高效地去除稻米原料中的重金属镉是稻米加工业亟需解决的问题之一。已有研究利用NADES去除土壤和污水中的重金属，本文采用NADES去除大米粉中重金属镉，为NADES去除稻米中重金属污染物的研究提供一定理论和试验依据，并为该技术在提高我国粮食等农产品质量安全的推广应用中提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 供试材料与试剂

含镉大米粉，产品编号GBW(E)100357(镉含量：2.16 mg · kg^-1)购于国家标准物质中心网。氯化胆碱(≥98.0%)、甘油(≥99.0%)、D-(+)-木糖、D-(+)-葡萄糖(≥99.5%)、果糖(≥99.0%)、山梨糖(≥99.0%)、甘露糖(≥99.0%)、D-(+)-半乳糖(≥99.0%)、蔗糖(≥99.5%)、L-(+)-阿拉伯糖(≥99.0%)、L-(+)-鼠李糖(≥99.0%)、海藻糖(≥99.0%)、木糖醇(≥99.0%)和山梨醇(≥99.0%)，均购于阿拉丁化学试剂有限公司。镉标准溶液(1 000 μg · mL^-1)购于上海麦恪林生化科技有限公司。硝酸(优级纯)购自南京化学试剂股份有限公司。

1.1.2 菌株及培养基

4种试验菌株分别为沙门氏菌(Salmonella enterica，ATCC 14028)、大肠杆菌(Escherichia coli，ATCC 25922)、单增李斯特菌(Listeria monocytogenes，CICC 21634)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，ATCC 25923)。营养琼脂(NA)培养基和胰蛋白胨大豆肉汤(TSB)培养基购自青岛海博生物技术有限公司。

1.1.3 试验仪器

SW-CJ-ID单人净化工作台购自苏州净化公司；LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌锅购自上海申安医疗器械厂；SHX-250B生化培养箱购自常州冠军仪器制造有限公司；SHZ-82A气浴恒温振荡器购自金坛市科析仪器有限公司；A3原子吸收分光光度计购自北京普析通用仪器有限公司；MARS6 XP1600微波消解仪购自美国CEM公司；09C20赶酸仪购自上海博通化学科技有限公司。

1.2 NADES的制备

按照一定摩尔比例准确称取氢键受体与氢键供体(表 1)，搅拌，并在适宜的温度下加热(80~100 ℃)直至形成均一、稳定的溶剂。冷却至室温，放置于干燥器中至恒质量。

1.3 NADES的黏度和pH值测定

采用旋转流变仪测定NADES的黏度。滴加适量体积的NADES于流变仪控温台面上，转子与温控台间隙1 mm，在40 ℃条件下，测定剪切率0~1 000范围内NADES的复合黏度。使用pH计测定NADES的pH值，待数值稳定后记录。

1.4 NADES的生物相容性测定

将供试菌株接种于TSB液体培养基中，置于气浴恒温振荡器中，以180 r · min^-1、37 ℃的条件培养24 h进行活化；再次接种于TSB液体培养基中，相同条件下培养18~24 h，600 nm处紫外分光光度计测定吸光值，当吸光值为0.6~0.8时，此时菌液浓度为10⁸ CFU · mL^-1；用灭菌的TSB培养基稀释100倍，使菌液浓度为10⁶ CFU · mL^-1。

NADES细菌毒性：采用Hayyan等^[14]的方法并稍作修改。取直径为6 mm经NADES浸泡过夜的滤纸片，置于接种供试菌株的培养基上，37 ℃培养24 h直至抑菌圈形成。重复3次。筛选出抑菌效果较佳的NADES进行最小抑菌浓度测定。

最小抑菌浓度(MIC)测定：采用Zhao等^[11]的96孔板法测定NADES的MIC并稍作修改。取供试菌液50 μL于孔板中，同时加入待测浓度为8~52 mmol · L^-1的NADES稀释液(每2 mmol · L^-1为1个梯度)，使其总体积为100 μL。装好样后振荡混合并密封，在37 ℃生化培养箱中培养20 h后，600 nm处酶标仪测定吸光值。每个浓度测定4次，取平均值。

1.5 NADES去除大米粉中重金属镉的效果测定

准确称取80 ℃烘干4 h的含镉大米粉标准样品0.3 g，置于10 mL离心管中，向其加入2 mL NADES涡旋使其混合均匀后60 ℃水浴1 h。水浴过程中，每隔15 min在(40±1)℃的条件下超声5 min。水浴后12 000 r · min^-1离心20 min，弃上清液。再分别加入2 mL超纯水，12 000 r · min^-1离心10 min，取沉淀。每个处理3个重复，以等体积的水为对照组。

采用孙昕炀^[15]的方法并稍作修改。经预处理后的大米样品，每份加入10 mL浓硝酸，用CEM MARS-5微波消解仪消解充分，消解完成后于赶酸仪上进行赶酸处理，直至剩0.5~1.0 mL溶液，最后定容于50 mL容量瓶，用0.45 μm水系微孔滤膜过滤，待测。

镉含量测定参考《食品中镉的测定：GB/T 5009.15—2014》并稍作修改。用原子分光光度计石墨炉方法绘制镉标准曲线和检测待测样品中镉含量，测定条件为：检测波长228.8 nm；狭缝1.3 nm；进样量10 μL；载气(氩气)99.99%。所用水均为超纯水，玻璃器皿均经5%(体积分数)硝酸溶液浸泡过夜。

1.6 NADES去除大米粉中重金属镉的机制研究 1.6.1 吸附等温线

采用吴亚男^[16]的方法并稍作修改。以ChXy为研究对象，取初始浓度为50、100、200、400、500、600、700、800和900 mg · L^-1标准镉溶液，25 ℃条件下浸泡大米粉48 h，45 ℃真空干燥48 h后，测定其镉含量。将上述大米粉分别取0.3 g于7 mL ChXy中，40 ℃、180 r · min^-1振荡24 h吸附达到平衡后，12 000 r · min^-1离心后收集上清液，微波消解后，采用原子吸收光谱法测定其镉离子含量。

1.6.2 吸附动力学

采用吴亚男^[16]的方法并作修改，ChXy为研究对象，取含镉大米粉0.3 g，40 ℃、180 r · min^-1振荡8 h，吸附时间分别为1、5、10、120、150、180、240和480 min，12 000 r · min^-1离心后收集上清液，微波消解后，原子吸收光谱法测定镉离子含量。

2 结果与分析 2.1 NADES的生物相容性 2.1.1 NADES对细菌生长的影响

以2种革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌和单增李斯特菌)和2种革兰氏阴性菌(大肠杆菌和沙门氏菌)为指示菌，测定15种NADES的抑菌效果。

由表 2可见：糖类和醇类基质的NADES未对4种细菌产生抑制作用，而有机酸基质的NADES则表现出明显的生长抑制。为探究这种抑制机制是由单一组分化合物引起的，还是由两者共同作用引起的，我们对有机酸基质NADES各组分进行细菌生长抑制试验。结果(表 3)显示，10 mol · L^-1氯化胆碱溶液没有表现出抑制作用，说明有机酸自身pH值远低于细菌最适生长值(pH值为6.5~7.5)，从而表现出抑制效果。因此，除有机酸基质的NADES外，糖类和醇类基质的NADES对细菌没有表现出明显的毒性，可认为是生物相容性良好的溶剂。

2.1.2 最小抑菌浓度(MIC)

由表 4可知：3种有机酸基质NADES对不同细菌的毒性有明显差异，抑菌基质没有表现出明显的选择性。

2.2 NADES对大米粉中重金属镉的去除效果

由表 5可见：3种不同基质的NADES均表现出良好的去除效果。与对照相比，糖类、有机酸和醇类去除率分别为51.29%~79.19%、73.61%~95.93%和62.45%~90.35%，其中，ChTar和ChXy镉去除率达到90%以上。而NADES黏度结果显示，ChTar黏度远大于ChXy，黏度在很大程度上影响NADES的加工性能，故选用ChXy作为后续研究对象。大米悬浮液的pH值为6.35，本研究所使用的NADES均具有酸性，且大部分NADES的pH值小于大米悬浮液。

2.3 NADES对大米粉中重金属镉的去除机制 2.3.1 吸附等温线

采用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型对镉吸附进行拟合，模型拟合结果如图 1所示，其相关系数分别为0.778和0.936。Freundlich等温吸附模型具有更高的线性度，能够更好描述Cd²⁺在NADES上的吸附。天然低共熔溶剂对Cd²⁺有较大的吸附量，说明NADES用于重金属污染治理有广阔的前景。

2.3.2 吸附动力学

用吸附动力学模型对数据进行拟合，拟合结果如图 2。虽然拟一级动力学方程与试验数据拟合也比较好，但是拟二级动力学方程明显优于拟一级动力学方程，这表明NADES是以化学吸附为主^[17]，而吸附剂和吸附质之间发生了电子位移、化学键的变化等化学反应现象。

由图 2可见：吸附过程大致分为2个阶段。第1阶段为快速吸附阶段，主要是外表面扩散控制，此时大米粉外表面Cd²⁺含量相对较高，NADES有多个活性吸附位点，吸附量迅速增加；第2阶段为平缓吸附阶段，主要是内扩散控制，随着反应的进行，大米粉外表面基本转移，天然低共熔溶剂开始穿过大米粉表层进入大米粉内部孔隙，继续吸附，但随着吸附剂中活性位点减少，扩散速率逐渐降低，吸附量缓慢增加，直至吸附剂量达到饱和后，吸附过程结束。

3 讨论

天然低共熔溶剂(NADES)是一种新型绿色溶剂，具有合成方便，成本低、毒性低且性质易调节等特性^[11]。除此之外，NADES具有很好的加工性能和环境经济效益，例如低挥发性、良好的溶解性和生物降解性，这些性质使其在食品、医药和化妆品等领域引起了广泛的关注^[18-19]。

本研究表明，通过加热法制备NADES快捷且简便。氯化胆碱与糖类、醇类制备而成的NADES是一种良好的生物相容性，氯化胆碱与有机酸形成的NADES由于其pH值远低于试验菌种最适pH值，故抑制试验菌的生长。为进一步探索有机酸基质NADES的毒理学性质，对3种有机酸基质的NADES进行最小抑菌浓度(MIC)的测定。由于革兰氏阴性菌细胞壁上有保护作用的脂多糖^[20]，对传统杀虫剂的耐药性与革兰氏阳性菌相比相对较强。这说明有机酸基质NADES的毒理学基质不同于传统杀虫剂的毒害机制。因此，有机酸基质NADES具有较高的抑菌性可能主要与其溶液显酸性的pH值有关，因为环境pH会影响细菌的增殖和代谢，除此之外，可能与所选组分化合物的种类和化学结构有关。但综合来看，NADES可被认为是一个生物相容性较好的无毒或低毒的溶剂。

农产品重金属污染问题是全球性问题^[1-2]，本试验采用洗脱的方式，研究NADES对镉污染大米粉去除镉的效果，结果表明3种基质的NADES均表现良好的去除效果，去除率为51.29%~95.93%。其中，ChTar和ChXy镉去除率达到90%以上。

在大米中，镉通过络合的方式与大米中有机化合物相结合，主要是与大米蛋白相结合^[21]。大米中的有机物作为氢键供体与镉离子以氢键受体的方式相结合，NADES作为洗脱剂通过破坏这种氢键从而去除大米粉中的镉离子。大米悬浮液的pH值为6.35，呈弱酸性。镉去除过程可分为2个部分：裂解和络合。大米中有机含碳化合物作为路易斯碱提供电子对，吸引并结合作为路易斯酸的Cd²⁺。本研究使用的NADES均具有酸性，因此，当酸性NADES加入镉污染的大米粉中时，由于引入了H⁺，使H⁺攻击大米粉中电子位点，与Cd²⁺竞争电子对，从而将其从大米粉表面中释放出来，并与洗脱液中NADES阴离子结合达到去除Cd²⁺的目的^[22]。初步探讨得出，NADES自身pH呈弱酸性，能向体系内引入H⁺从而和Cd²⁺竞争电子对，达到去除Cd²⁺的目的。

重金属去除机制主要有吸附、离子交换以及沉淀等^[23]。NADES结构性质特殊，本文通过吸附动力学和吸附热力学的方式研究NADES去除重金属镉的机制。模型拟合结果显示，NADES对大米粉中镉的吸附更符合Freundlich多分子层吸附模型以及拟二级动力学模型，这说明NADES吸附过程是以化学吸附为主的多分子层吸附^[24]。同时，颗粒内部扩散模型拟合结果进一步证明NADES吸附过程是混合多种扩散模型。本文只选取ChXy这一种去除率较高的NADES作为机制研究对象，但其他NADES去除重金属镉机制仍需更深入研究。