研究表明，氢水能洗掉重金属【神奇】！
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在食品加工过程中，重金属转移到产品中会造成严重的健康问题。研究了富氢水洗涤培养奶油对黄油中砷(As)、镉(Cd)、锑(Sb)、汞(Hg)和铅(Pb)去除积累的影响。用普通水或由氢分子(H2)和镁(Mg)制备的HRW洗涤生的培养奶油黄油。普通水洗黄油样品中As(7%)、Cd(62%)和Pb(206%)的含量增加，Sb(26%)和Hg(17%)的含量降低，而HRW样品中As、Cd、Sb和Hg的含量降低了14 - 74%，只有Pb增加了29% (Mg)和3% (H2)。提出的方法是一种解决重金属在食品中的转移问题的绿色环保策略。
Alwazeer D, Ceylan M M, Bulut M, et al. Evaluation of the impact of hydrogen‐rich water on the deaccumulation of heavy metals in butter[J]. Journal of Food Safety, 2022: e13005.
1介绍
重金属存在于土壤、水和各种乳制品。重金属可以通过聚集、吸附和生物积累到达乳制品。许多报道揭示了德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii subsp)等乳酸菌的生物吸附和生物蓄积能力。保加利亚和嗜热链球菌对Pb等重金属的作用。
通常情况下，生的培养奶油在搅拌后用水洗涤，以去除任何残留的酪乳、牛奶固体和不良的风味或香气，例如洋葱味。洗涤水中存在不同的物理、化学和生物污染物会导致最终产品受到污染。化学污染物主要包括重金属和农药。人类健康可直接通过饮用水受到严重影响，也可通过含有重金属等污染物的食物受到间接影响。因此，必须考虑洗涤水的物理、化学、微生物质量和金属含量，以生产高质量和安全的黄油。
分子氢(H2)是一种无色、无臭、无味、具有还原性的惰性气体。最近，美国食品和药物管理局(FDA)承认在饮用水或饮料中使用氢气(H2)作为食品添加剂(E 949)，并宣布它们普遍被认为是安全的。H2的特点是其抗氧化活性和选择性清除强氧化剂如羟基自由基的能力。一些研究已经揭示了使用分子氢在改善不同食品的质量和延长保质期方面的优势，如白奶酪、橙汁，干杏，草莓，鱼，无脂发酵乳，脱脂酸奶，脱脂牛奶凝胶，和多不饱和脂肪酸丰富的乳制品饮料。上述研究表明，分子氢对产品质量的有益作用与其还原能力和抗氧化性能有关。
富氢水(HRW)是一种产品，有时被定义为创新的功能性饮料，由于其抗氧化性质，对人类健康具有许多公开的益处。HRW对重金属积累的研究主要集中在植物上。在之前的研究中，我们已经揭示了HRW减轻镍和汞等重金属对动物的毒性的能力。在之前的一项研究中，土耳其一些牛奶样本中重金属含量很高。本研究旨在评估天然培养黄油的HRW洗涤工艺对最终产品中重金属含量的影响。
2材料与方法
2.1准备黄油
用于培养奶油生产的全牛奶和酸奶细菌是从当地一家生产商(Yeni Yayla Dairy Products Company, Igdir，土耳其)获得的。根据Gonzalez, Duncan, O'Keefe, Sumner和Herbein(2003)的研究，黄油的生产经过了一些修改。过滤后，将生全脂乳在60℃预热5 min，之后使用手动分离器将其分离到奶油和脱脂乳。然后在68.8℃下对乳膏进行30 min巴氏消毒，之后进行最高至13℃的冷却步骤。然后用新鲜酸奶(2% v/v)接种巴氏消毒乳膏并且在+4℃孵育7天。然后用手揉捏培养的乳膏，去除分离的水相(酪乳)。用先前制备的冷水(0-4℃)洗涤获得的生培养的奶油黄油。随后将洗涤黄油样品储存于4℃直至分析。
2.2 HRW准备
使用两种HRW制备方法(buut， Çelebi Sezer, Ceylan， & Alwazeer, 2022):氢气泡水(H2水)和镁水(Mg水)。用装有针头的软管将分子氢以1 L/min的速度直接气泡到2 L饮用水中10 min。用于制备Mg水、320 Mg镁粉(粒径<0.1 mm;Sigma-Aldrich，德国)溶于2 L饮用水中。制备的HRW中氢含量约为1.6 mg/L。先前将用于制备HRW之所有水类型冷却于0-4℃。
2.3重金属测量
根据Mohamed, Zainudin和Yaakob(2020)经过修改后，在东安纳托利亚高技术应用与研究中心(DAYTAM)使用ETHOS UP微波消解系统和Agilent 7800 ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)进行重金属分析。简单地说，将1 g试样称量到干燥和清洁PTFE容器中。然后，加入9 ml HNO3和1 ml H2O2。将容器盖上盖子，导入微波消解系统(Milestone, Sorisole, Italy)，采用两步消解程序进行消解。在20 min内将血管温度升高至210℃，再停留15 min使其完全消化。将得到的溶液冷却，用5 ml超纯水稀释，用滤纸过滤。重金属定量采用安捷伦7800电感耦合等离子体质谱仪(Agilent Technologies)进行。采用Mass Hunter 4.4工作站软件7800 ICP-MS Top C.01.04进行元素水平计算。所有元素均采用0、10、25、50、100、250和500 ppb标准溶液。
2.4 pH和eh测量
采用数据采集多参数接口(Consort多参数分析仪C3040，比利时)测定氧化还原电位(Eh、mV)和pH值。采用SP60X (Consort，比利时)Eh电极和SP10 R (Consort，比利时)pH电极。
2.5统计分析
数据采用方差分析(ANOVA)。均数间的差异采用Duncan多重比较检验，以p < 0.05为差异有统计学意义。05年的水平。采用SPSS 20软件进行统计分析。所有实验均采用3个重复(n = 3;buut等人，2022年)。
3结果与讨论
3.1 pH值
用普通饮用水自来水洗涤生黄油时，废水的pH值下降到4.78，而用Mg水和H2水洗涤时，废水的pH值分别下降到5.6和4.9(表1)。Mg洗涤废水的pH值最高，因为Mg在水中形成碱性溶液，即Mg(OH)2。
表1。研究中不同水类型的pH值和氧化还原电位(Eh)值
3.2氧化还原电位
黄油的氧化还原电位(Eh)值取决于洗涤过程中使用的水的类型。废弃的镁洗涤水表现出最低的值，即- 379 mV，这是由于镁与水长时间缓慢反应形成氢气(Öz, Filiz， & Figen, 2017)。而在H2洗涤水的情况下，溶解的氢的存在仅限于几个小时，并有下降的趋势。而用普通水清洗生黄油，Eh值增加到氧化范围，即+72 mV(表1)。
3.3重金属
表2显示了全脂牛奶和生奶油样品的重金属含量如下(以ppb表示):2.2和10.5(砷)，1.1和1.0(镉)，6.1和18.7(锑)，0.1和5.0(汞)，4.1和35.4(铅)。此外，所有洗涤用水的饮用水中As、Cd、Sb、Hg和Pb的重金属含量分别为8.8、0.1、2.7、0.1和10.2 ppb(表2)。此外，结果显示，脱脂乳的重金属含量分别为3.5、0.6、3.5、0.4和48.2 ppb。
表2。在黄油制备中使用/生产的不同产品中的重金属含量
普通水洗黄油样品分别含有11.2、1.6、13.8、4.2和108.4 ppb的As、Cd、Sb、Hg和Pb，这些水平高于HRW样品(图1)。这些结果表明，普通水样是Mg和H2水洗样品的2.0和1.9 (As)、2.7和2.0 (Cd)、1.9和1.2 (Sb)、3.2和3.0 (Hg)和2.4和3.0 (Pb)倍。由图1可知，普通水洗样品的重金属含量约为hrw水洗样品的2-3倍。
普通水黄油样品的重金属含量比牛奶增加了401% (As)、41% (Cd)、127% (Sb)、3,461% (Hg)和2,516% (Pb)。然而，在镁水洗黄油样品中，重金属含量发生了不同的变化，其中+147% (As)， - 43% (Cd)， +21% (Sb)， +1,022% (Hg)和+1,005% (Pb)。关于H2水洗黄油样品，与牛奶相比，重金属水平的变化如下:+164%(砷)，- 25%(镉)，+81%(锑)，+1,059%(汞)，+783%(铅)(表3)。
表3。经不同水洗处理后，黄油样品中与牛奶相关的不同重金属含量变化百分比
当筛选在HRW黄油样品中积累的重金属时，我们发现，除了Pb (p < .05)外，镁黄油样品的含量(图1)和增长率(表3)都低于H2黄油样品(表3)。这一现象可以解释为缓慢和长期的生产氢的Mg方法，特别是在寒冷的条件下。只有在两种HRW黄油类型中Cd变化率降低，镁黄油样品的水平最低(表3)。
上述结果表明，随着洗涤水和重金属的变化，其积累行为会发生变化。在所有情况下，我们都注意到普通水(氧化条件)比HRW(还原条件)的重金属累积量更高。
关于洗涤过程对黄油中重金属积累的影响，我们注意到，与奶油相比，对照样品中重金属的含量最高(图1;p < . 05)。此外，与奶油样品相比，黄油样品中重金属的累积量随着所用洗涤水和金属的变化而变化(表4)。在所有情况下，对照样品显示出最高的增幅(砷、镉、铅)或最低的降幅(锑、汞)。表4还显示了HRW样品，即Mg和H2在生黄油洗涤过程中表现出重金属水平的下降，除了Pb分别增加了29和3% (p < .05)。值得注意的是，普通水洗黄油样品中Pb的增长率为206%。这意味着HRW可以降低黄油中Pb的积累。这些结果表明，普通水洗(氧化条件)有利于生黄油中重金属的积累，而HRW(还原条件)则降低了重金属的积累。
表4。不同水洗涤后黄油样品中不同重金属含量的变化百分比
重金属在植物、食物、水和土壤中的积累机制已被报道，包括聚集、降水、化学和生物吸附。介质的理化性质，尤其是pH值和氧化还原(Eh)值，金属的化学形态，以及介质的化学和生物组成在重金属的积累过程中起着关键作用。Hg2+与蛋白质巯基的结合有报道。因此，由于H2具有还原性，可能会干扰重金属-巯基结合机制，导致重金属从包含蛋白质的产物中释放/降解。
在文献中，pH和Eh对重金属积累的影响已经在土壤、沉积物和废水研究中得到了广泛的探索;然而，除了微生物对重金属的生物积累外，没有关于Eh和pH对食品中重金属积累的影响的文献报道。
研究发现还原条件(如HRW)会增加铅的迁移率。还原条件可以使金属氧化物，例如铅氧化物可溶。这也可以解释为什么相对于普通水黄油(氧化条件)，HRW黄油(还原条件)中的重金属含量较低。在还原条件下(HRW)，大部分的Pb以可溶形式被发现，这可能有助于其转移到水相，即浪费的洗涤水(洗涤过程中产生的水)。可以假设，用还原水洗涤生黄油，即HRW可能会破坏吸附在细菌细胞表面和内部的重金属离子和/或与蛋白质聚集的重金属离子的不稳定，从而导致它们向水相移动。
许多植物研究都是为了评价HRW对重金属积累的影响。HRW处理苜蓿幼苗根系显著降低了Hg的积累，根系中Hg含量减少。此外，HRW预处理的苜蓿根、白菜和小白菜幼苗积累的Cd量较少，HRW导致Cd积累减少的机制未知。
另一方面，重金属在细菌中的积累水平已被报道达到干重的50%。分离到一些耐铅的LAB，其最低抑菌浓度为800 mg/L，去除效率为0.0460 mg/h/g细胞(湿重)，并提出作为Pb去除益生菌的应用。Pb离子与细菌的结合效果最好，而As的结合效果非常差。此外，有机酸等LAB代谢物也被报道通过螯合和产生金属有机分子来增强重金属的生物吸附效果。嗜热链球菌(更强)和德氏乳杆菌亚种的保护作用。据报道，保加利亚可以通过在大鼠体内吸附Pb和Cd的特性来对抗Pb和Cd的毒性。
pH的影响被认为是决定水中Pb命运的重要因素。据报道，在pH中性或碱性的情况下，水中发现的Pb离子有被络合、沉淀或吸附到悬浮沉积物的趋势。据报道，铅与天然水体中发现的主要阴离子形成低溶解度的化合物。作者报告说，氢氧化物、碳酸盐、硫化物以及较少见的硫酸盐可能在从水中析出Pb过程中发挥溶解度控制作用。
研究结果表明，酪乳中的铅含量是奶油的1.4倍。Hayashi, Ito, Ohira和Akuzawa(1982)也报道了类似的结果，他们发现酪乳中的Pb含量是奶油的2.5倍，而成熟奶油黄油的Pb含量是甜奶油黄油的4倍。此外，我们的结果表明，与牛奶相比，铅水平增加了约2,515%(普通水黄油)，1,005% (Mg水黄油)和783% (H2水黄油)。Enb等人(2009)报道，与牛奶相比，水牛的Pb水平增加了270%(奶油)和456%(黄油)，奶牛产品的Pb水平增加了272(奶油)和460%(黄油)。后者的研究人员报告说，与水牛牛奶相比，黄油中的金属含量集中了560-770%，与水牛奶油相比集中了140-160%。作者未对浓度现象提供任何解释。与生乳相比，生乳中较高的铅水平可能与黄油制备中使用的不同处理设备释放的污染铅有关，以及LAB的生物积累。据报道，在21个黄油样品中，铅含量较高，范围在328-751 ppb之间。这表明在人造黄油制造中发现食源性铅的高风险。Murphy等人(1977)报道，成熟奶油黄油(如我们的产品)中铅的含量大约是甜奶油黄油样品的4倍。这表明在酸黄油制造中发现食源性铅的高风险。这一现象与生产成熟奶油黄油时使用的奶油的pH值较低有关，这导致了更多的污染Pb的吸收，也可能导致更多的污染Pb从水相(如洗涤水)迁移到脂肪相。
洗涤水中砷含量，本研究中使用的饮用水砷含量为10.3 ppb。这一数值接近天然矿泉水中食品法典规定的最大允许浓度，即10 ppb(欧洲食品安全局，2009)。普通水黄油样品中的As含量在11.08 ~ 11.44 ppb之间。在欧盟的254份黄油样品中发现了类似的砷含量，范围为5.5 - 11.6 ppb (EFSA, 2009)。在生物体和食物中发现的大多数砷物种都含有氧化态+5的砷。在较高的土壤氧化还原水平(+200 - +500 mV)下，As的溶解度较低，溶液中的大部分As(65-98%)以As(V)的形式存在。后者的作者发现，在碱性pH条件下(如Mg水)，或As(V)还原为As(III)的还原条件下(如Mg和H2水)，As的重要比例可以释放到溶液中，当还原到- 200 mV时，可溶性As含量比+500 mV增加了13倍。这也显示了在黄油洗涤中使用HRW(还原条件)以减少As在黄油中的积累的重要性。
4结论
洗涤原培养黄油是黄油制造中的重要步骤，目的是去除造成产品酸味的不良味道和微生物代谢产物。洗涤水的化学性质对黄油的质量起着重要的作用。本研究表明，用氧化还原电位值较高的普通饮用水洗涤生黄油可能导致生产的黄油中食源性重金属蓄积。然而，使用具有还原特性的HRW可以减少重金属在黄油中的积累。在黄油制造中使用HRW的特点是不需要补充设备或昂贵的材料。由于HRW在产品或环境中具有无毒残留，因此提出的解决方案可以被认为是解决重金属在食品中的转移问题的一种绿色环保的方法。
