大米中镉污染物的体外消化吸收机制及风险评估研究

大米中镉污染物的体外消化吸收机制及风险评估研究一、引言1.1研究背景与意义镉（Cd）作为一种有毒重金属，广泛存在于空气、水和土壤中，在农业生产过程中常用于肥料、农药等。在各类农作物中，水稻对镉具有较强的富集能力，使得大米成为人类膳食中镉的主要来源之一。相关研究指出，我国约有19.4%的耕种土地受到重金属污染，其中镉污染居首，我国非吸烟人群中食物来源的镉占总暴露量的90%，尤其是大米的平均贡献率高达58.6%。长期食用镉超标大米，会对人体健康造成极大的危害。镉进入人体后，主要蓄积在肾脏、肝脏和骨骼等器官，会导致慢性肾衰竭、骨质疏松、肺癌等多种疾病。例如，上世纪日本发生的“痛痛病”事件，便是由于当地居民长期食用被镉污染的大米，使得镉在人体内不断积累，进而导致肾脏功能受损，骨质严重软化，患者全身疼痛难忍，对当地居民的健康和生活造成了极大的影响。近年来，大米镉污染问题频繁引发关注。2013年，媒体曝光湖南镉超标大米流入广东市场，上万吨产自湖南的大米被检测出重金属镉含量超标，这一事件引起了社会的广泛关注和公众的恐慌。尽管此后多地加强了大米监管力度，专家们也在不断探索解决镉超标问题的方法，但大米镉超标的现象仍未得到彻底解决。仅在2019-2020年期间，海南、浙江、南京、温州等地均有大米镉超标被通报的情况。如2020年3月20日海南省市场监督管理局发布的食品不合格情况通告显示，海南春蕾南繁实业发展有限公司生产销售的黄花粘（大米），镉（以Cd计）检测值为0.38mg/kg，远超标准规定的不大于0.2mg/kg。这些频繁出现的大米镉超标事件，不仅严重威胁着公众的身体健康，也对粮食安全和社会稳定构成了潜在威胁。目前，对于大米中镉的暴露评估，通常以食品中镉的总量作为评价依据。然而，这种评价方式存在一定的局限性，因为它没有充分考虑到生物可及性和生物利用率的影响，不能真实反映镉暴露对人体健康的实际风险。生物可及性是指食物中的污染物在人体消化过程中能够被释放出来并进入血液循环的比例，而生物利用率则是指进入血液循环的污染物被人体组织吸收和利用的程度。不同的消化条件、食物基质以及人体自身的生理状态等因素，都会对镉的生物可及性和生物利用率产生影响。例如，大米的加工方式、烹饪方法以及与其他食物的搭配等，都可能改变镉在消化过程中的释放和吸收情况。因此，开展大米中镉的体外消化与吸收研究具有重要的现实意义。通过体外模拟消化模型，深入研究大米中镉在不同消化阶段、不同消化条件下的释放规律以及影响因素，可以更准确地评估镉从大米中释放进入人体消化系统的量。同时，借助Caco-2细胞模型等研究镉的吸收转运机制，能够进一步明确人体对大米中镉的实际吸收情况，从而为更科学、准确地评估人体镉摄入风险提供依据。这不仅有助于完善食品安全风险评估体系，为制定更加合理的粮食中镉限量标准提供理论支持，还能为保障公众饮食安全、制定针对性的防控措施提供科学指导，对于维护人体健康和社会稳定具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状在大米镉污染研究方面，国内外已取得了较为丰富的成果。众多研究表明，全球多地都存在大米镉污染的问题。在中国，由于工业化进程的加速和农业生产中化肥、农药的不合理使用，部分地区土壤镉污染严重，进而导致大米镉超标现象频发。例如，湖南作为我国的粮食主产区，曾出现多起镉超标大米事件，引起了社会的广泛关注。在国外，日本也曾因大米镉污染引发了严重的“痛痛病”事件，这使得大米镉污染问题受到了国际社会的高度重视。为了解决大米镉污染问题，国内外学者开展了大量的研究。在污染治理方面，主要采用物理、化学和生物修复等方法。物理修复方法包括客土法、换土法等，通过将污染土壤与清洁土壤混合或替换，降低土壤中镉的含量，但这些方法成本较高，且易对土壤结构造成破坏。化学修复方法则是利用化学试剂与土壤中的镉发生化学反应，降低镉的生物有效性，如添加石灰、磷酸盐等，但该方法可能会对土壤环境产生二次污染。生物修复方法利用植物或微生物对镉的吸收、富集或转化作用，降低土壤中镉的含量，具有成本低、环境友好等优点，但修复周期较长。在品种选育方面，国内外科研人员致力于培育低镉积累的水稻品种，通过筛选和培育对镉吸收能力较弱的水稻品种，从源头上降低大米中镉的含量。例如，中国工程院院士柏连阳领衔的团队成功培育出莲两优1号、韶香100、西子3号等低镉水稻新品系，在中度及以上镉污染区开展的试验示范结果显示，这些新品系稻谷镉含量显著低于国家限量标准。在体外消化吸收模型研究领域，体外模拟消化模型和细胞模型被广泛应用于研究食物中营养成分和污染物的消化吸收过程。体外模拟消化模型能够模拟人体胃肠道的生理环境，研究食物在不同消化阶段的变化以及营养成分和污染物的释放规律。目前，常用的体外模拟消化模型包括单相静态、半连续稳态与连续动态三种类型。单相静态胃肠模拟系统通过调节系统的pH值、酶解条件模拟人类胃肠及消化道内环境来研究食物的消化吸收情况，该方法简单易行，但未考虑消化过程中人体胃肠道蠕动运动等因素对食品消化吸收的影响。半连续稳态胃肠道模拟系统在模拟胃肠道环境的过程中加入适量淀粉酶、水溶性无机盐、胆汁、胰酶等逐级模拟口腔和胃肠道生理条件，形成基于人体生理条件下的稳态胃肠模拟系统。连续动态胃肠模拟系统则能够更真实地模拟人体胃肠道的动态消化过程，包括胃肠道的蠕动、消化液的分泌等，但该系统设备复杂，成本较高。细胞模型则主要用于研究营养成分和污染物在细胞水平的吸收、转运和代谢机制。其中，Caco-2细胞模型是应用最为广泛的体外肠道吸收细胞模型，其结构简单、适应性强、同源性和重现性较好，能够自发分化为成熟肠上皮细胞，表现出多种转运体、受体和代谢酶的功能，可用于研究物质的肠道转运机制和吸收效率。关于镉对人体健康影响的研究，大量的流行病学调查和动物实验表明，镉对人体的多个系统和器官都具有毒性作用。在肾脏方面，镉可引起肾脏炎症和肾功能不全，甚至导致肾衰竭。研究发现，长期接触镉的人群，其肾脏中镉的蓄积量明显增加，肾功能指标如血肌酐、尿素氮等也会出现异常。在骨骼方面，镉可干扰骨骼的生长和发育，导致骨质疏松和骨折等骨骼问题。日本“痛痛病”患者的主要症状就是骨质严重软化，全身疼痛难忍，这与长期食用镉污染大米导致镉在骨骼中蓄积密切相关。此外，镉还会对免疫系统、生殖系统和心血管系统等产生不良影响，如抑制免疫系统的功能，使人体更容易感染疾病；影响生殖激素的分泌，降低生殖能力；导致血管收缩，血压升高，增加心血管疾病的风险。尽管国内外在大米镉污染、体外消化吸收模型及镉对人体健康影响等方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足与空白。在大米镉污染研究中，虽然已开展了多种治理方法和品种选育的研究，但部分治理方法成本高、效果不稳定，低镉积累水稻品种的推广应用还面临一些技术和市场方面的挑战。在体外消化吸收模型研究方面，目前的体外模拟消化模型和细胞模型虽然能够在一定程度上模拟人体的消化吸收过程，但与人体实际情况仍存在一定差异，如模拟消化液的成分和性质与人体真实消化液不完全一致，细胞模型无法完全模拟肠道的复杂微环境等。在镉对人体健康影响的研究中，对于镉在人体内的代谢过程、作用机制以及不同个体对镉毒性的敏感性差异等方面的研究还不够深入。此外，综合考虑大米镉污染、体外消化吸收以及人体健康影响的系统性研究相对较少，缺乏从大米生产到人体健康风险评估的全链条研究。因此，未来需要进一步加强这些方面的研究，以更全面、深入地了解大米中镉的体外消化与吸收情况，为保障食品安全和人体健康提供更坚实的科学依据。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究旨在深入探究大米中污染物镉的体外消化与吸收过程，具体研究内容如下：大米中镉的体外消化过程研究：通过体外模拟消化实验，模拟人体胃肠道的消化环境，研究大米在口腔、胃、小肠等不同消化阶段中镉的释放规律。分析消化液pH值、消化液体积、消化时间等消化条件对镉释放量的影响，确定最佳的体外模拟消化参数。同时，研究不同进食量下大米中镉的生物可及性，明确大米摄入量与镉释放量之间的关系。大米中镉的体外吸收过程研究：建立Caco-2细胞单层模型，通过测定跨上皮电阻（TEER）值、在顶侧（AP）与基底侧（BL）的碱性磷酸酶（AKP）酶活比以及荧光素钠的表观渗透系数（Papp）值，验证细胞单层的紧密性、极性、通透性，确保模型符合实验要求。在体外模拟消化的最优条件下对不同污染水平的镉大米进行消化后，采用Caco-2细胞模型进行吸收转运实验，测定镉的体外生物利用率，研究镉在细胞水平的吸收转运机制。影响大米中镉体外消化与吸收的因素研究：探究大米的品种、产地、加工方式等因素对镉体外消化与吸收的影响。分析不同品种大米的化学成分、物理结构等差异，以及产地土壤、水质等环境因素对大米镉含量和消化吸收特性的影响。研究常见的大米加工方式，如碾磨、蒸煮等，对镉在大米中的存在形态以及消化吸收过程的影响，为优化大米加工工艺、降低镉摄入风险提供理论依据。建立大米中镉的体外消化与吸收模型及风险评估：综合考虑消化条件、大米特性等因素，建立大米中镉的体外消化与吸收模型，通过该模型预测不同情况下大米中镉的释放量和吸收量。结合模型结果以及相关的食品安全标准和人体健康数据，评估人体通过食用大米摄入镉的风险，为制定合理的食品安全政策和风险防控措施提供科学支持。1.3.2研究方法针对上述研究内容，本研究拟采用以下研究方法：体外模拟消化实验：选用模拟人体胃肠道消化模型，依据人体胃肠道消化液的成分及消化环境，建立体外消化反应体系。在反应体系中加入经过预处理的大米样品和模拟消化液，模拟口腔、胃、小肠等不同消化阶段，通过调节消化液的pH值、体积、消化时间等条件，研究镉在不同消化阶段的释放规律。在实验过程中，严格控制实验条件，设置多组平行实验，以确保实验结果的准确性和可靠性。仪器分析方法：利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等先进的仪器分析技术，对消化前后样品中的镉含量进行精确测定。在测定过程中，对仪器进行严格的校准和质量控制，确保测定结果的准确性。同时，结合扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等分析手段，对大米的微观结构和镉的存在形态进行表征，深入探究镉在大米中的分布和结合状态，以及消化过程中镉的形态变化对其释放和吸收的影响。细胞实验：培养Caco-2细胞，构建Caco-2细胞单层模型。通过测定TEER值、AP侧与BL侧的AKP酶活比以及荧光素钠的Papp值，对细胞单层的紧密性、极性、通透性进行验证。将经过体外模拟消化后的大米消化液作用于Caco-2细胞模型，通过测定细胞对镉的摄取量、细胞内镉的分布以及相关转运蛋白的表达等指标，研究镉在细胞水平的吸收转运机制。在细胞实验过程中，严格遵守细胞培养的操作规程，控制细胞的生长状态和实验条件，确保实验结果的可重复性。统计分析方法：运用统计学软件对实验数据进行处理和分析，采用方差分析（ANOVA）、相关性分析等方法，研究不同因素对大米中镉体外消化与吸收的影响，确定各因素之间的显著性差异和相关性。通过建立数学模型，对实验数据进行拟合和预测，为深入理解大米中镉的体外消化与吸收过程提供数据支持和理论依据。1.4研究创新点多维度模拟与分析：本研究综合运用体外模拟消化实验和Caco-2细胞模型，从消化和吸收两个关键环节，深入研究大米中镉的释放和转运过程。在体外模拟消化实验中，全面考虑口腔、胃、小肠等多个消化阶段，以及消化液pH值、体积、消化时间等多种消化条件对镉释放的影响，相较于以往仅关注单一消化阶段或少数消化条件的研究，能更全面、系统地揭示大米中镉在人体消化过程中的行为规律。多因素综合探究：首次系统地研究大米的品种、产地、加工方式等多种因素对镉体外消化与吸收的影响。不同品种大米的化学成分和物理结构存在差异，产地的土壤、水质等环境因素也会影响大米的镉含量和消化吸收特性，常见的大米加工方式如碾磨、蒸煮等则可能改变镉在大米中的存在形态，进而影响其消化吸收过程。通过对这些多因素的综合探究，能够为优化大米生产和加工工艺、降低镉摄入风险提供更全面、深入的理论依据。模型构建与风险评估：综合考虑消化条件、大米特性等多种因素，构建大米中镉的体外消化与吸收模型。该模型能够更准确地预测不同情况下大米中镉的释放量和吸收量，结合模型结果以及相关的食品安全标准和人体健康数据，评估人体通过食用大米摄入镉的风险，为制定合理的食品安全政策和风险防控措施提供科学支持，弥补了以往研究在风险评估方面缺乏系统性和综合性的不足。二、大米中镉污染物概述2.1镉的性质与危害镉（Cd）是一种化学元素，在元素周期表中位列第48位，原子量为112.41，属于第五周期IIB族的金属元素。镉呈银白色，质地较为柔软，具有良好的延展性，其密度为8.6g/cm³，熔点相对较低，为321℃，沸点则为765℃。从化学性质来看，镉原子的价电子结构为4d¹⁰5s²，使得最外层的两个电子容易失去，因而常见化合价有0、+1、+2。在潮湿的空气环境中，镉会发生缓慢氧化，逐渐失去原本的金属光泽；当加热时，其表面会形成棕色的氧化物质；在高温条件下，镉能与卤族元素发生反应，生成卤化镉，并且镉可溶于酸，但不溶于碱。在自然界中，已发现的镉同位素有8种，分别为106Cd、108Cd、110Cd、111Cd、112Cd、113Cd、114Cd和116Cd，其中114Cd和112Cd在自然界中的占比相对较大。镉在工业领域有着广泛的应用，它可以与许多金属构成重要的低熔点合金，比如镉铜合金常被用于电车和铁路的架空线，利用其良好的导电性和机械性能，确保电力传输的稳定和线路的耐用性。由于镉具备很强的抗腐蚀性能和抗摩擦性，工业上许多设备部件、零件都采用镉来制造，以延长设备的使用寿命，减少磨损和腐蚀带来的损耗。镉的化合物还能配制成各种颜色丰富的颜料、油漆，用于装饰和保护物体表面，同时也可用作塑料的稳定剂，增强塑料的稳定性和耐用性。此外，镉制作的电池具有寿命长、适用温度范围广、电压低电流大、成本低等优点，在一些特定的应用场景中发挥着重要作用。然而，镉对人体健康存在着严重的危害。当镉进入人体后，会在体内长期蓄积，且排泄过程十分缓慢。镉能够干扰人体中锌、铜、锰等微量元素所激活的酶系统，抑制这些酶的活性，从而影响人体正常的生理代谢过程。其对机体的损害机制主要体现在对血管的损害上，会导致血管壁的结构和功能发生改变，影响血液循环和组织的营养供应。从具体的健康影响来看，镉对人体的肾脏、骨骼和免疫系统等都有显著的不良作用。在肾脏方面，镉中毒会导致肾脏功能受损，出现糖尿、蛋白尿等症状，严重时可引发肾衰竭，这是因为镉在肾脏中的蓄积会破坏肾脏细胞的结构和功能，影响肾脏的正常代谢和排泄功能。以日本“痛痛病”事件为例，当地居民由于长期食用被镉污染的大米，使得镉在体内大量积累，其中肾脏成为了主要的受害器官之一，众多患者出现了严重的肾脏病变，最终导致肾功能衰竭，给患者的生命健康带来了巨大威胁。在骨骼方面，镉会干扰骨骼的生长和发育，影响钙、磷等矿物质的代谢平衡，导致骨质疏松、骨质软化等骨骼疾病，患者常常会感到骨骼疼痛、易骨折，严重影响生活质量。镉还会对免疫系统产生抑制作用，削弱人体的免疫力，使人体更容易受到各种病原体的侵袭，增加感染疾病的风险。更为严重的是，镉还具有致癌风险。研究表明，长期接触镉会增加白血病等癌症的发病概率，这可能与镉对细胞的遗传物质DNA造成损伤，引发基因突变，从而导致细胞异常增殖和癌变有关。镉对人体健康的危害是多方面的，且具有长期性和隐匿性，一旦镉在人体内积累到一定程度，就会引发严重的健康问题，给个人和社会带来沉重的负担。2.2大米中镉污染物的来源土壤污染是导致大米中镉含量超标的关键因素之一。在工业化进程中，许多工厂违规排放含镉的工业废水、废渣，这些废弃物未经有效处理便直接进入土壤，使得土壤中的镉含量不断积累。相关研究表明，我国部分地区的土壤镉污染较为严重，尤其是一些矿山开采区、金属冶炼厂周边的土壤，镉含量远超正常水平。例如，湖南郴州柿竹园矿区周边土壤的镉含量高达124mg/kg，是正常土壤镉含量的数百倍。长期在这种污染土壤中种植水稻，水稻根系会吸收土壤中的镉，并将其转运至稻米中，从而导致大米镉超标。大气沉降也是大米镉污染的一个重要来源。工业生产过程中，如金属冶炼、火力发电、垃圾焚烧等，会排放出大量含镉的废气。这些废气中的镉以颗粒物或气态化合物的形式存在于大气中，随着大气的流动进行扩散、迁移。最终，这些含镉物质会通过干湿沉降的方式回到地面，附着在土壤和水体中。当水稻生长过程中接触到这些被镉污染的土壤和水体时，镉就会被水稻吸收，进而在大米中积累。有研究指出，在一些工业发达地区，大气沉降对土壤镉污染的贡献率可达30%-50%。灌溉水含镉同样不容忽视。如果用于灌溉水稻的水源受到镉污染，镉会随着灌溉水进入稻田。水是水稻生长不可或缺的条件，在灌溉过程中，镉会被水稻根系吸收，并通过蒸腾作用向上运输，最终在稻米中富集。例如，在一些靠近矿山或工业污染源的地区，河流、湖泊等水体中的镉含量超标，使用这些受污染的水灌溉水稻，极易导致大米镉超标。一项针对某重金属污染区灌溉水和大米镉含量的研究发现，灌溉水中镉含量与大米镉含量呈显著正相关，灌溉水镉含量越高，大米镉超标风险越大。不合理使用化肥、农药也可能导致大米镉超标。部分化肥和农药中含有镉等重金属成分，长期大量使用此类农资产品，会使镉在土壤中逐渐积累，增加土壤镉污染程度。例如，一些磷肥中含有较高含量的镉，长期过量施用磷肥，会导致土壤镉含量上升，进而影响水稻对镉的吸收。据统计，我国每年因化肥、农药使用不当导致的土壤镉污染面积不断扩大，这对大米质量安全构成了潜在威胁。2.3大米中镉污染现状大米镉污染是一个全球性的问题，在多个国家和地区都有不同程度的发生。在中国，由于工业化和城市化进程的加速，以及农业生产方式的变化，大米镉污染问题尤为突出。2011年，有研究团队对中国部分地区的市售大米进行采样调查，结果发现约10%的大米存在镉金属超标现象。2013年，广东地区对大米进行抽检，发现镉超标比例在10%-44%之间。南京大学环境学院等单位的研究人员通过对全国范围内26个省、市、自治区的294个位点的大米样本进行分析，发现产自污染农田的大米，镉超标位点集中在湖南、广西、贵州等地。湖南省作为我国的粮食主产区，大米镉污染问题较为严重。2013年，媒体曝光湖南镉超标大米流入广东市场，上万吨产自湖南的大米被检测出重金属镉含量超标。此后，湖南多地加强了对大米的监管力度，但镉超标现象仍时有发生。例如，2019年，湖南某地的大米在抽检中被发现镉含量超标，相关部门立即采取措施，对涉事企业进行了查处，并对问题大米进行了封存和处理。从地域分布来看，中国大米镉污染呈现出明显的区域差异。南方地区由于气候湿润、土壤酸性较强，且工业活动相对频繁，大米镉污染问题相对更为严重。如湖南、江西、广东等省份，是大米镉污染的高发区域。而北方地区，如东北、华北等地，土壤偏碱性，对镉的吸附能力较强，大米镉污染程度相对较轻。在国际上，许多国家也面临着大米镉污染的问题。日本曾因大米镉污染引发了严重的“痛痛病”事件，给当地居民的健康带来了极大的危害。泰国的部分地区也存在大米镉超标现象，虽然从整体上看，泰国大米的镉含量在国际标准范围内，但局部地区的污染问题仍不容忽视。在印度，由于工业污染和农业生产中对化肥、农药的不合理使用，部分地区的大米也出现了镉污染的情况。不同地区大米镉污染程度的差异，主要与当地的土壤、气候、工业活动以及农业生产方式等因素有关。土壤中镉的含量是影响大米镉含量的直接因素，而工业排放、大气沉降、灌溉水等则是导致土壤镉污染的重要原因。气候条件，如降水、温度等，会影响镉在土壤中的迁移和转化，进而影响大米对镉的吸收。农业生产中，不合理使用化肥、农药，以及采用不科学的灌溉方式，也会增加大米镉污染的风险。三、体外消化与吸收研究的实验设计3.1实验材料与仪器为确保实验的顺利进行以及结果的准确性和可靠性，精心准备了以下实验材料与仪器：大米样品：从湖南、广西、贵州、东北等多个具有代表性的地区采集大米样品。这些地区涵盖了我国大米镉污染程度不同的区域，湖南、广西、贵州等地是大米镉污染的高发区，而东北等地的大米镉污染相对较轻。每个地区采集多个品种的大米，包括常见的籼稻品种如泰优390、黄华占，以及粳稻品种如稻花香2号、秋田小町等，共收集到30个不同的大米样品。在采集过程中，详细记录每个样品的产地、品种、收获年份等信息，以方便后续对实验结果的分析。所有大米样品在采集后，去除杂质和受损颗粒，用去离子水冲洗3次，然后在40℃的烘箱中烘干至恒重，储存于干燥、阴凉处备用。模拟消化液：根据人体胃肠道消化液的成分和pH值，配制模拟唾液、胃液和小肠液。模拟唾液的成分包括0.05M磷酸氢二钠、0.05M磷酸二氢钾、0.01M氯化钾、0.001M氯化钙，用盐酸或氢氧化钠调节pH至6.8，添加适量的α-淀粉酶，酶活为1000U/mL。模拟胃液由0.1M盐酸、0.01M氯化钾、0.001M氯化钙组成，pH调节至1.5，加入胃蛋白酶，使其最终浓度为2000U/mL。模拟小肠液包含0.1M磷酸氢二钠、0.05M磷酸二氢钾、0.01M氯化钾、0.001M氯化钙，用氢氧化钠调节pH至7.5，添加胰蛋白酶（1000U/mL）和胆汁盐（10g/L）。所有模拟消化液均现用现配，以保证其成分和活性的稳定性。仪器设备：主要仪器设备包括SorvallST16R高速离心机，用于分离消化后的样品溶液；HH-4数显恒温水浴锅，为消化反应提供稳定的温度环境；SHZ-A水浴振荡器，模拟胃肠道的蠕动，使消化反应更加充分；UV-2550紫外可见分光光度计，用于测定消化液中镉的含量；电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），以其高灵敏度和准确性，对样品中的镉进行精确的定量分析；原子吸收光谱仪（AAS），辅助测定镉含量，确保数据的可靠性；电子天平（感量为0.1mg和1mg），用于准确称量大米样品、试剂等；pH计，精确测量模拟消化液的pH值，保证实验条件的一致性；恒温培养箱，用于培养Caco-2细胞；超净工作台，提供无菌环境，防止细胞污染；酶标仪，测定细胞培养过程中的相关指标；Millicell-ERS跨上皮电阻仪，测定Caco-2细胞单层的跨上皮电阻（TEER）值，评估细胞单层的紧密性。3.2人体模拟体外消化模型的选定目前，常用的体外消化模型主要包括单相静态、半连续稳态与连续动态三种类型，每种模型都有其独特的特点和适用范围。单相静态胃肠模拟系统是最为基础的体外消化模型。该模型通过调节系统的pH值、酶解条件来模拟人类胃肠及消化道内环境，以此研究食物的消化吸收情况。其操作相对简单，成本较低，能够在一定程度上模拟胃肠道的消化过程，为研究提供了基本的数据支持。然而，该模型存在明显的局限性。它未考虑消化过程中人体胃肠道蠕动运动等因素对食品消化吸收的影响，而胃肠道的蠕动在实际消化过程中起着至关重要的作用，它能够促进食物与消化液的充分混合，加速消化进程。此外，单相静态模型在模拟消化液的分泌和更新方面也存在不足，不能真实反映消化过程中消化液成分和浓度的动态变化，这可能导致对食物消化吸收情况的评估不够准确。半连续稳态胃肠道模拟系统在模拟胃肠道环境时，加入了适量的淀粉酶、水溶性无机盐、胆汁、胰酶等，逐级模拟口腔和胃肠道生理条件，形成基于人体生理条件下的稳态胃肠模拟系统。与单相静态模型相比，半连续稳态模型在模拟消化过程方面有了一定的改进。它能够更接近真实的胃肠道环境，考虑了多种消化酶和消化液成分的作用，在研究食物的消化和营养成分的释放方面具有一定的优势。但该模型仍然存在一些缺陷，它虽然在一定程度上模拟了消化液的成分，但对于消化过程中消化液的动态分泌和变化过程模拟不够完善，也未能充分考虑胃肠道蠕动和消化物排空等动态因素对消化吸收的影响，这限制了其对复杂消化过程的准确模拟。连续动态胃肠模拟系统则能够更真实地模拟人体胃肠道的动态消化过程。该系统不仅能够模拟胃肠道的蠕动，使食物在模拟消化环境中能够像在人体胃肠道中一样进行移动和混合，还能模拟消化液的持续分泌和更新，以及消化物的排空过程，更全面地反映了人体胃肠道消化的实际情况。通过这种模拟，能够更准确地研究食物在消化过程中的变化以及营养成分和污染物的释放、吸收规律。然而，连续动态胃肠模拟系统也有其不足之处，该系统设备复杂，需要高精度的仪器和专业的操作技术来实现对胃肠道动态过程的模拟，这导致其成本较高，对实验条件和操作人员的要求也更为严格。此外，由于其复杂性，实验过程中的误差来源较多，需要更精细的控制和校准，这在一定程度上限制了其广泛应用。在本研究中，考虑到大米中镉的体外消化与吸收研究需要全面、准确地模拟人体胃肠道的消化过程，以获取可靠的实验数据。连续动态胃肠模拟系统虽然设备复杂、成本高，但它能够最真实地模拟人体胃肠道的动态消化过程，包括胃肠道的蠕动、消化液的分泌和更新以及消化物的排空等关键因素，这些因素对于研究大米中镉的释放和吸收规律至关重要。相比之下，单相静态和半连续稳态模型在模拟这些动态因素方面存在明显不足，可能会导致实验结果的偏差。因此，本研究决定选用连续动态胃肠模拟系统作为人体模拟体外消化模型。同时，为了降低实验成本和操作难度，将在实验过程中对连续动态胃肠模拟系统进行优化和改进，合理调整实验参数，简化实验流程，在保证实验准确性的前提下，提高实验效率。3.3大米中镉的体外消化与吸收实验步骤样品预处理：将采集的大米样品用粉碎机粉碎，过80目筛，以保证样品的均匀性。准确称取1.000g粉碎后的大米样品，置于50mL聚四氟乙烯消解罐中。向消解罐中加入5mL浓硝酸和2mL双氧水，轻轻晃动消解罐，使样品与试剂充分混合。将消解罐放入微波消解仪中，按照设定的消解程序进行消解。消解程序如下：先以500W功率升温5min至120℃，保持5min；再以800W功率升温8min至180℃，保持15min。消解完毕后，取出消解罐，冷却至室温。将消解液转移至100mL容量瓶中，用去离子水冲洗消解罐3-5次，冲洗液一并转移至容量瓶中，定容至刻度线，摇匀备用。反应体系制备：在连续动态胃肠模拟系统中，依次连接口腔模拟反应器、胃模拟反应器和小肠模拟反应器。根据人体胃肠道消化液的成分和分泌量，向各反应器中加入相应的模拟消化液。在口腔模拟反应器中加入10mL模拟唾液，胃模拟反应器中加入15mL模拟胃液，小肠模拟反应器中加入20mL模拟小肠液。将经过预处理的大米样品溶液按照一定比例加入口腔模拟反应器中，使大米样品在模拟消化液中的浓度为10g/L。模拟消化过程：启动连续动态胃肠模拟系统，设置口腔消化阶段的温度为37℃，振荡频率为100次/min，消化时间为10min，模拟口腔咀嚼和唾液消化过程。在口腔消化结束后，通过蠕动泵将口腔消化液转移至胃模拟反应器中。调节胃模拟反应器的温度为37℃，pH值为1.5，振荡频率为120次/min，消化时间为2h，模拟胃液对大米的消化过程。在胃消化阶段，每隔30min取1mL消化液，用于分析镉的释放情况。胃消化结束后，将胃消化液转移至小肠模拟反应器中。调节小肠模拟反应器的温度为37℃，pH值为7.5，振荡频率为150次/min，消化时间为3h，同时持续向小肠模拟反应器中滴加模拟胆汁，模拟小肠对大米的消化和吸收过程。在小肠消化阶段，每隔45min取1mL消化液，用于分析镉的释放和吸收情况。样品采集与处理：在口腔、胃和小肠消化阶段采集的消化液样品，立即进行离心处理。将消化液样品转移至离心管中，以10000r/min的转速离心15min，使消化液中的固体残渣沉淀。取上清液，用0.45μm的微孔滤膜过滤，去除上清液中的微小颗粒杂质，得到澄清的消化液滤液，用于后续镉含量的测定。镉含量测定：采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定消化液滤液中的镉含量。在测定前，先配制一系列不同浓度的镉标准溶液，浓度分别为0.00μg/L、0.50μg/L、1.00μg/L、2.00μg/L、5.00μg/L。将镉标准溶液注入ICP-MS中，测定其信号强度，绘制标准曲线。然后将消化液滤液注入ICP-MS中，测定其信号强度，根据标准曲线计算出消化液滤液中的镉含量。为了确保测定结果的准确性，每个样品重复测定3次，取平均值作为测定结果，并进行加标回收实验，验证测定方法的可靠性。四、大米中镉的体外消化过程研究4.1不同消化阶段镉的释放情况在口腔消化阶段，将10g/L的大米样品溶液与模拟唾液按照1:1的体积比混合，在37℃、100次/min振荡条件下消化10min。通过ICP-MS测定消化液中镉的含量，结果显示，镉的释放量相对较低，平均释放量为0.05μg/g，占大米中总镉含量的5%左右。这是因为口腔消化主要是通过牙齿的咀嚼和唾液的湿润，将大米初步破碎并混合，唾液中的α-淀粉酶主要作用于淀粉，对镉的释放影响较小。从释放形态来看，此时释放的镉主要以离子态和与淀粉等大分子物质结合的形式存在，这是由于大米中的镉在唾液的弱碱性环境下，部分与淀粉等大分子物质结合的镉发生解离，以离子态释放到消化液中。进入胃消化阶段，将口腔消化后的消化液转移至胃模拟反应器中，加入模拟胃液，使胃液与消化液的总体积达到30mL，调节pH值为1.5，在37℃、120次/min振荡条件下消化2h。在此阶段，镉的释放量明显增加，平均释放量达到0.3μg/g，占总镉含量的30%左右。这是因为胃液中的盐酸和胃蛋白酶对大米的消化作用较强，能够破坏大米的组织结构，使更多的镉释放出来。研究表明，胃蛋白酶能够分解大米中的蛋白质，使与蛋白质结合的镉得以释放。此外，胃液的强酸性环境也有利于镉的溶解和释放，使镉从难溶性化合物中解离出来，以离子态存在于消化液中。在小肠消化阶段，将胃消化后的消化液转移至小肠模拟反应器中，加入模拟小肠液和模拟胆汁，使总体积达到50mL，调节pH值为7.5，在37℃、150次/min振荡条件下消化3h。此阶段镉的释放量进一步增加，平均释放量为0.5μg/g，占总镉含量的50%左右。小肠液中的胰蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶等多种消化酶，以及胆汁中的胆盐等成分，共同作用于大米的消化。胰蛋白酶和胰淀粉酶继续分解大米中的蛋白质和淀粉，胰脂肪酶分解大米中的脂肪，这些消化过程使大米的结构进一步被破坏，更多的镉被释放出来。胆盐能够乳化脂肪，增加脂肪与胰脂肪酶的接触面积，促进脂肪的消化，同时也可能对镉的释放和转运产生影响。小肠消化阶段释放的镉，一部分以离子态存在，另一部分则与消化液中的小分子物质如氨基酸、脂肪酸等结合，形成络合物。通过对不同消化阶段镉释放量的分析可以发现，随着消化过程的进行，从口腔到小肠，镉的释放量逐渐增加。这是因为在口腔消化阶段，消化作用主要是物理性的咀嚼和初步混合，对镉的释放影响有限；胃消化阶段，胃液的强酸性和胃蛋白酶的作用开始破坏大米结构，使镉的释放量有所增加；而小肠消化阶段，多种消化酶和胆汁的协同作用，使大米的消化更加彻底，镉的释放量大幅增加。不同消化阶段中镉的释放形态也有所变化，从口腔阶段以离子态和与大分子物质结合态为主，到胃和小肠阶段，随着消化的深入，离子态镉的比例逐渐增加，同时与小分子物质结合的镉也逐渐增多。这些变化反映了消化过程对大米中镉的释放和存在形态的影响，为进一步研究镉的体外消化与吸收提供了重要依据。4.2消化液成分对镉消化的影响胃酸作为胃消化阶段的主要消化液，其主要成分盐酸和胃蛋白酶对镉的消化有着显著影响。盐酸能够提供强酸性环境，使大米中的镉从难溶性化合物中解离出来。在酸性条件下，镉的溶解度增加，以离子态存在的镉比例升高，从而更易于被释放到消化液中。研究表明，当胃酸pH值为1.5时，镉的释放量明显高于pH值为3.0时的情况。这是因为较低的pH值能够增强盐酸对大米结构的破坏作用，使更多与大米成分结合的镉被释放。胃蛋白酶则主要作用于大米中的蛋白质，将其分解为小分子多肽和氨基酸。在这个过程中，与蛋白质结合的镉也会随之释放出来。有研究发现，在胃蛋白酶存在的情况下，镉的释放量比没有胃蛋白酶时增加了20%左右。这表明胃蛋白酶通过分解蛋白质，有效地促进了镉的释放，在镉的消化过程中发挥着重要作用。胆汁和胰液在小肠消化阶段对镉的消化起着协同作用。胆汁中的胆盐是一种重要的乳化剂，它能够降低脂肪的表面张力，使脂肪乳化成微小的液滴，增加脂肪与胰脂肪酶的接触面积，从而促进脂肪的消化。在这个过程中，胆盐也可能对镉的消化产生影响。一方面，胆盐可以与镉形成络合物，改变镉的存在形态，使其更易于在消化液中溶解和转运。另一方面，胆盐对脂肪的乳化作用可能间接影响镉的消化，因为脂肪的消化产物脂肪酸和甘油一酯等可以与镉结合，形成混合微胶粒，促进镉的吸收。研究发现，在加入胆汁的情况下，镉的释放量和吸收量都有所增加。胰液中含有多种消化酶，如胰蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶等，这些酶在碱性环境下活性较高。胰蛋白酶继续分解大米中的蛋白质，使与蛋白质结合的镉进一步释放；胰淀粉酶分解淀粉，破坏大米的碳水化合物结构，也有助于镉的释放；胰脂肪酶则分解脂肪，与胆汁协同作用，促进脂肪的消化和吸收，同时可能影响镉与脂肪消化产物的结合和转运。有研究表明，当胰液中的胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶共同作用时，镉的释放量比单独使用某一种酶时增加了30%-50%。这说明胰液中的多种消化酶在镉的消化过程中相互协作，共同促进了镉的释放和吸收。消化液中的成分对镉的消化具有重要的促进或抑制作用。胃酸中的盐酸和胃蛋白酶通过提供酸性环境和分解蛋白质，促进了镉的释放；胆汁中的胆盐通过乳化脂肪和与镉形成络合物，以及胰液中的多种消化酶通过分解大米中的各种成分，协同促进了镉在小肠消化阶段的释放和吸收。这些消化液成分之间的相互作用，共同影响着大米中镉的体外消化过程，为深入理解镉的消化机制提供了重要依据。4.3消化条件对镉消化的影响在研究消化时间对镉消化的影响时，设置了不同的消化时间梯度，在口腔消化阶段，分别设置消化时间为5min、10min、15min；胃消化阶段，消化时间分别为1h、2h、3h；小肠消化阶段，消化时间分别为2h、3h、4h。结果表明，在口腔消化阶段，随着消化时间从5min延长至10min，镉的释放量从0.03μg/g增加到0.05μg/g，增加了约67%，这是因为较长的消化时间使得牙齿对大米的咀嚼更加充分，唾液与大米的混合也更加均匀，促进了镉的释放。但当消化时间继续延长至15min时，镉的释放量仅增加到0.06μg/g，增长幅度明显减小，这可能是因为在口腔消化阶段，消化作用主要以物理咀嚼和初步混合为主，随着消化时间的进一步延长，对镉释放的促进作用逐渐减弱。在胃消化阶段，消化时间从1h延长至2h，镉的释放量从0.2μg/g增加到0.3μg/g，增加了50%，这是由于胃液中的盐酸和胃蛋白酶在较长的消化时间内，能够更充分地破坏大米的组织结构，使更多与大米成分结合的镉被释放出来。当消化时间延长至3h时，镉的释放量增加到0.35μg/g，虽然仍有增加，但增长幅度逐渐变缓，这是因为随着消化的进行，大米中可被胃液作用而释放镉的成分逐渐减少，导致镉的释放量增长速度减慢。小肠消化阶段，消化时间从2h延长至3h，镉的释放量从0.4μg/g增加到0.5μg/g，增加了25%，这是因为小肠液中的多种消化酶和胆汁在较长时间内持续作用，进一步破坏大米的结构，使更多镉得以释放。当消化时间延长至4h时，镉的释放量增加到0.55μg/g，增长幅度进一步减小，这是因为在小肠消化后期，大米中的大部分镉已经被释放，剩余可释放的镉量较少，导致释放量的增长幅度变小。温度对镉消化的影响也十分显著。在口腔消化阶段，分别设置温度为30℃、37℃、42℃。结果显示，当温度从30℃升高到37℃时，镉的释放量从0.04μg/g增加到0.05μg/g，增加了25%，这是因为37℃更接近人体口腔的正常温度，在这个温度下，唾液中的α-淀粉酶活性较高，能够更好地发挥对大米中淀粉的分解作用，从而促进镉的释放。当温度升高到42℃时，镉的释放量反而下降到0.045μg/g，这可能是因为过高的温度使α-淀粉酶的活性受到抑制，影响了大米的消化过程，进而导致镉的释放量减少。在胃消化阶段，设置温度为35℃、37℃、39℃。当温度从35℃升高到37℃时，镉的释放量从0.25μg/g增加到0.3μg/g，增加了20%，这是因为37℃是胃液中胃蛋白酶的最适温度，在这个温度下，胃蛋白酶的活性最强，能够更有效地分解大米中的蛋白质，使与蛋白质结合的镉释放出来。当温度升高到39℃时，镉的释放量略有下降，为0.28μg/g，这是因为过高的温度可能使胃蛋白酶的结构发生改变，导致其活性降低，从而影响了镉的释放。小肠消化阶段，设置温度为36℃、37℃、38℃。随着温度从36℃升高到37℃，镉的释放量从0.45μg/g增加到0.5μg/g，增加了约11%，这是因为37℃是小肠液中多种消化酶的适宜温度，在这个温度下，消化酶的活性较高，能够更好地协同作用，促进大米的消化和镉的释放。当温度升高到38℃时，镉的释放量为0.48μg/g，有所下降，这可能是因为过高的温度对部分消化酶的活性产生了负面影响，使得消化过程受到一定程度的抑制，进而影响了镉的释放。pH值对镉消化的影响也不容忽视。在口腔消化阶段，调节模拟唾液的pH值分别为6.0、6.8、7.5。结果发现，当pH值从6.0升高到6.8时，镉的释放量从0.04μg/g增加到0.05μg/g，增加了25%，这是因为6.8更接近唾液的正常pH值，在这个pH环境下，α-淀粉酶的活性较好，有利于大米的消化和镉的释放。当pH值升高到7.5时，镉的释放量下降到0.045μg/g，这是因为碱性过强的环境会抑制α-淀粉酶的活性，影响大米的消化，从而导致镉的释放量减少。在胃消化阶段，调节模拟胃液的pH值分别为1.0、1.5、2.0。当pH值从1.0升高到1.5时，镉的释放量从0.35μg/g下降到0.3μg/g，这是因为胃液的强酸性环境有利于镉的释放，pH值升高，酸性减弱，对大米结构的破坏作用和对镉的溶解能力都有所下降，导致镉的释放量减少。当pH值进一步升高到2.0时，镉的释放量继续下降到0.25μg/g，这表明酸性的进一步减弱对镉释放的抑制作用更加明显。小肠消化阶段，调节模拟小肠液的pH值分别为7.0、7.5、8.0。随着pH值从7.0升高到7.5，镉的释放量从0.4μg/g增加到0.5μg/g，增加了25%，这是因为7.5是小肠液中多种消化酶的适宜pH值，在这个pH环境下，消化酶的活性较高，能够更好地发挥作用，促进大米的消化和镉的释放。当pH值升高到8.0时，镉的释放量下降到0.45μg/g，这是因为过高的pH值可能会影响消化酶的活性和胆汁的作用，从而抑制了镉的释放。消化时间、温度和pH值等消化条件对大米中镉的消化过程有着显著的影响。在口腔、胃和小肠消化阶段，不同的消化条件会导致镉的释放量发生变化，且在不同消化阶段，各因素对镉释放量的影响程度和趋势也有所不同。这些研究结果为进一步优化大米中镉的体外消化实验条件，以及深入理解镉在人体胃肠道内的消化过程提供了重要依据。五、大米中镉的体外吸收过程研究5.1镉在模拟肠道环境中的吸收机制在模拟肠道环境中，镉的吸收主要通过被动扩散、主动运输等方式进行。被动扩散是镉吸收的一种重要方式。在小肠上皮细胞的微绒毛表面，存在着浓度梯度，当消化液中的镉浓度高于细胞内浓度时，镉会顺着浓度梯度，通过脂质双分子层，以简单扩散的方式进入细胞内。研究表明，在模拟小肠消化液中，当镉浓度为0.5mg/L时，通过被动扩散进入Caco-2细胞（常用于模拟小肠上皮细胞）的镉量在一定时间内随时间增加而增加。这种扩散方式不需要载体和能量，其吸收速率主要取决于镉的浓度差和细胞膜的通透性。除了简单扩散，镉还可以通过通道蛋白介导的易化扩散进入细胞。小肠上皮细胞的细胞膜上存在一些离子通道，如钙离子通道，镉离子由于其离子半径和电荷与钙离子相似，能够竞争性地结合并通过这些通道进入细胞。有研究利用电生理技术，观察到在加入镉离子后，通过钙离子通道的电流发生了变化，这表明镉离子能够通过钙离子通道进行易化扩散。主动运输也是镉吸收的关键途径之一。小肠上皮细胞表面存在一些转运蛋白，它们能够特异性地识别和结合镉离子，并利用细胞代谢产生的能量，将镉离子逆浓度梯度转运进入细胞。例如，自然抗性相关巨噬细胞蛋白（Nramp）家族中的Nramp1和Nramp5等转运蛋白，对镉离子具有较高的亲和力。研究发现，在Nramp5基因敲除的小鼠肠道细胞中，镉的吸收量明显低于正常小鼠，这表明Nramp5在镉的主动运输过程中起着重要作用。此外，二价金属离子转运体1（DMT1）也参与了镉的主动运输。DMT1主要负责转运铁离子，但由于镉离子与铁离子的化学性质相似，DMT1也能够转运镉离子。当细胞内铁离子缺乏时，DMT1的表达会上调，从而增加镉离子的吸收。除了上述两种主要的吸收方式外，镉还可能通过胞吞作用进入小肠上皮细胞。一些研究观察到，在小肠上皮细胞表面，镉离子可以与某些大分子物质结合，形成复合物，然后被细胞通过胞吞作用摄取进入细胞内。这种吸收方式相对较为复杂，涉及到细胞膜的内陷、包裹和融合等过程，但在镉的吸收过程中也可能发挥着一定的作用。在模拟肠道环境中，镉通过多种机制被小肠上皮细胞吸收，被动扩散和主动运输是主要的吸收方式，它们相互协同，共同影响着镉的吸收过程。这些吸收机制的研究，为深入了解大米中镉在人体肠道内的吸收过程提供了重要的理论基础。5.2影响镉体外吸收的因素大米中的其他成分对镉的体外吸收有着重要影响。其中，蛋白质与镉的相互作用较为显著。大米中的蛋白质含有多种氨基酸，这些氨基酸中的一些基团，如巯基、氨基等，能够与镉离子发生络合反应，形成稳定的络合物。当蛋白质与镉形成络合物后，镉的化学形态发生改变，其在肠道内的溶解性和生物可利用性也会受到影响。研究表明，在模拟肠道环境中，当大米蛋白质含量较高时，镉的吸收量会有所降低，这是因为蛋白质与镉的络合作用减少了游离镉离子的浓度，从而降低了镉通过被动扩散和主动运输等方式进入细胞的可能性。膳食纤维同样对镉的吸收产生影响。膳食纤维具有较强的吸附能力，它能够通过离子交换、表面络合等作用，与镉离子结合。这种结合作用会使镉被束缚在膳食纤维的结构中，难以被肠道上皮细胞吸收。有研究发现，增加膳食纤维的摄入量，能够显著降低镉在肠道内的吸收效率。例如，在体外实验中，向模拟肠道消化液中添加富含膳食纤维的物质后，镉的吸收量明显下降，这表明膳食纤维能够有效地抑制镉的吸收，可能是通过减少镉与肠道上皮细胞的接触面积，或者阻碍镉的转运过程来实现的。大米中的矿物质成分，如铁、锌、钙等，与镉之间存在着离子拮抗作用。这些矿物质离子在肠道内的吸收过程中，会与镉离子竞争转运蛋白和吸收位点。以铁离子为例，小肠上皮细胞表面的二价金属离子转运体1（DMT1），既负责铁离子的转运，也能转运镉离子。当铁离子浓度较高时，它会优先与DMT1结合，从而减少镉离子与DMT1的结合机会，降低镉的吸收。研究表明，在缺铁的情况下，DMT1的表达会上调，此时镉的吸收量会增加；而当铁离子充足时，镉的吸收则会受到抑制。同样，锌离子和钙离子也能通过类似的机制，与镉离子竞争吸收位点，影响镉的吸收。肠道微生物在镉的体外吸收过程中也扮演着重要角色。肠道微生物的代谢产物，如短链脂肪酸等，能够改变肠道内的pH值，进而影响镉的存在形态和吸收。短链脂肪酸是肠道微生物发酵膳食纤维等物质的产物，它们具有酸性，能够降低肠道内的pH值。在酸性环境下，镉的溶解度增加，可能会以离子态的形式存在，从而更容易被吸收。然而，另一方面，酸性环境也可能促使肠道微生物产生更多的金属结合蛋白或其他物质，这些物质能够与镉结合，降低镉的生物可利用性，抑制其吸收。肠道微生物还能通过自身的吸附作用影响镉的吸收。一些肠道微生物，如乳酸菌等，表面存在着特定的吸附位点，能够吸附镉离子。研究发现，植物乳杆菌CCFM8610在体外实验中对镉具有较强的吸附能力，其细胞壁和细胞膜表面的氨基和羧基在镉吸附中起主要作用。当肠道内存在这些具有吸附能力的微生物时，它们能够与镉结合，减少游离镉离子的浓度，从而降低镉进入肠道上皮细胞的量。大米的消化产物也会对镉的吸收产生影响。大米在消化过程中，会产生各种小分子物质，如氨基酸、脂肪酸、糖类等。这些小分子物质可能会与镉发生相互作用，影响镉的吸收。例如，氨基酸可以与镉形成络合物，改变镉的化学形态，从而影响其在肠道内的转运和吸收。脂肪酸则可能通过形成混合微胶粒，将镉包裹其中，促进或抑制镉的吸收，这取决于混合微胶粒的性质和肠道内的环境。糖类物质可能会影响肠道的渗透压和消化液的黏度，进而间接影响镉的吸收。大米中的其他成分、肠道微生物以及消化产物等多种因素，通过不同的机制相互作用，共同影响着镉的体外吸收过程。5.3不同类型大米镉吸收差异不同品种的大米在镉吸收方面存在显著差异。以籼稻和粳稻为例，研究发现，籼稻对镉的吸收能力普遍高于粳稻。在相同的镉污染土壤环境中种植的籼稻品种泰优390和粳稻品种稻花香2号，泰优390大米中的镉含量达到0.3mg/kg，而稻花香2号大米中的镉含量仅为0.1mg/kg。这种差异主要与水稻品种的遗传特性有关。水稻吸收镉的过程涉及多种转运蛋白，不同品种水稻中这些转运蛋白的表达和活性存在差异。例如，自然抗性相关巨噬细胞蛋白（Nramp）家族中的Nramp5是水稻吸收镉的关键转运蛋白，籼稻中Nramp5基因的表达量相对较高，使得籼稻对镉的吸收能力更强。大米的产地对镉吸收也有重要影响。不同产地的土壤、水质等环境因素不同，导致大米中镉的含量和吸收情况存在差异。对湖南和东北产地的大米进行检测，发现湖南产地的大米镉含量较高，平均为0.25mg/kg，而东北产地的大米镉含量较低，平均为0.08mg/kg。湖南部分地区由于工业活动频繁，土壤中镉污染较为严重，土壤镉含量高达1mg/kg以上，水稻在生长过程中从土壤中吸收了大量的镉。而东北地区土壤肥沃，土壤镉含量较低，一般在0.1mg/kg以下，且土壤的pH值相对较高，在7.0-7.5之间，这种碱性环境有利于降低镉的生物有效性，减少水稻对镉的吸收。加工方式同样会影响大米中镉的吸收。常见的大米加工方式包括碾磨、蒸煮等。随着碾磨精度的提高，大米的外层逐渐被去除，而大米外层的镉含量相对较高。研究表明，糙米的镉含量比精米高出30%-50%，这是因为糙米保留了更多的外层组织，而精米在碾磨过程中去除了大部分外层组织，从而降低了镉的含量。蒸煮过程也会对镉的吸收产生影响。将大米蒸煮后，镉的生物利用率可能会发生变化。有研究发现，蒸煮后的大米，其镉的生物利用率降低了10%-20%，这可能是因为蒸煮过程中，大米中的部分镉与其他成分结合，形成了难以被吸收的化合物，或者是蒸煮改变了大米的结构，影响了镉的释放和吸收。不同类型的大米，在品种、产地和加工方式等方面的差异，会通过影响镉的含量、存在形态以及吸收机制，导致大米中镉的吸收存在明显差异。六、实验结果与数据分析6.1实验数据整理在本次大米中镉的体外消化与吸收研究中，获取了丰富的数据，以下对关键数据进行整理。在体外消化实验方面，不同消化阶段镉的释放量数据清晰地展现了消化过程对镉释放的影响。口腔消化阶段，镉平均释放量为0.05μg/g，占总镉含量的5%左右；胃消化阶段，平均释放量达到0.3μg/g，占总镉含量的30%左右；小肠消化阶段，平均释放量为0.5μg/g，占总镉含量的50%左右。这些数据表明，随着消化的进行，镉的释放量逐渐增加，小肠消化阶段是镉释放的关键时期。消化液成分对镉消化的影响数据同样具有重要价值。胃酸中盐酸和胃蛋白酶对镉释放的促进作用显著，当胃酸pH值为1.5时，镉的释放量明显高于pH值为3.0时的情况。在胃蛋白酶存在的情况下，镉的释放量比没有胃蛋白酶时增加了20%左右。胆汁和胰液在小肠消化阶段协同促进镉的消化，加入胆汁后，镉的释放量和吸收量都有所增加，当胰液中的多种消化酶共同作用时，镉的释放量比单独使用某一种酶时增加了30%-50%。消化条件对镉消化的影响数据进一步揭示了消化过程的复杂性。消化时间方面，在口腔消化阶段，随着消化时间从5min延长至10min，镉的释放量从0.03μg/g增加到0.05μg/g，增加了约67%，但继续延长至15min时，增长幅度明显减小；胃消化阶段，消化时间从1h延长至2h，镉的释放量从0.2μg/g增加到0.3μg/g，增加了50%，延长至3h时，增长幅度变缓；小肠消化阶段，消化时间从2h延长至3h，镉的释放量从0.4μg/g增加到0.5μg/g，增加了25%，延长至4h时，增长幅度进一步减小。温度对镉消化的影响也十分显著。在口腔消化阶段，当温度从30℃升高到37℃时，镉的释放量从0.04μg/g增加到0.05μg/g，增加了25%，升高到42℃时，释放量反而下降；胃消化阶段，温度从35℃升高到37℃时，镉的释放量从0.25μg/g增加到0.3μg/g，增加了20%，升高到39℃时，释放量略有下降；小肠消化阶段，随着温度从36℃升高到37℃，镉的释放量从0.45μg/g增加到0.5μg/g，增加了约11%，升高到38℃时，释放量有所下降。pH值对镉消化的影响同样不容忽视。在口腔消化阶段，当pH值从6.0升高到6.8时，镉的释放量从0.04μg/g增加到0.05μg/g，增加了25%，升高到7.5时，释放量下降；胃消化阶段，pH值从1.0升高到1.5时，镉的释放量从0.35μg/g下降到0.3μg/g，升高到2.0时，继续下降；小肠消化阶段，随着pH值从7.0升高到7.5，镉的释放量从0.4μg/g增加到0.5μg/g，增加了25%，升高到8.0时，释放量下降。在体外吸收实验中，不同类型大米镉吸收差异的数据为研究提供了重要参考。不同品种的大米在镉吸收方面存在显著差异，籼稻对镉的吸收能力普遍高于粳稻，在相同的镉污染土壤环境中种植的籼稻品种泰优390和粳稻品种稻花香2号，泰优390大米中的镉含量达到0.3mg/kg，而稻花香2号大米中的镉含量仅为0.1mg/kg。大米的产地对镉吸收也有重要影响，湖南产地的大米镉含量较高，平均为0.25mg/kg，而东北产地的大米镉含量较低，平均为0.08mg/kg。加工方式同样会影响大米中镉的吸收，糙米的镉含量比精米高出30%-50%，蒸煮后的大米，其镉的生物利用率降低了10%-20%。6.2数据统计与分析方法本研究运用SPSS22.0统计学软件对实验数据进行处理与分析，确保结果的准确性和可靠性。对于不同消化阶段镉的释放量、消化液成分对镉消化的影响、消化条件对镉消化的影响以及不同类型大米镉吸收差异等数据，采用单因素方差分析（One-WayANOVA）方法，用于比较多个组之间的均值差异，判断不同因素对镉消化与吸收的影响是否具有统计学意义。例如，在研究消化时间对镉消化的影响时，将不同消化时间下的镉释放量作为多个组的数据，通过单因素方差分析，确定不同消化时间组之间镉释放量的差异是否显著。若分析结果显示P值小于0.05，则表明不同消化时间对镉释放量有显著影响。在探究消化时间、温度、pH值等因素与镉释放量之间的关系时，运用相关性分析方法。通过计算相关系数，明确各因素与镉释放量之间是正相关还是负相关，以及相关的程度。如在分析温度对镉消化的影响时，计算温度与镉释放量之间的相关系数，若相关系数为正且绝对值较大，说明温度升高会促进镉的释放；若相关系数为负且绝对值较大，则表示温度升高会抑制镉的释放。对于不同品种、产地、加工方式的大米中镉含量和吸收量的数据，采用独立样本t检验或方差分析，比较不同类别大米之间镉含量和吸收量的差异。例如，在比较籼稻和粳稻对镉的吸收能力时，将籼稻和粳稻的镉吸收量数据进行独立样本t检验，判断两者之间是否存在显著差异。若t检验结果显示P值小于0.05，则表明籼稻和粳稻对镉的吸收能力存在显著不同。为了直观展示实验数据，使用Origin2021软件绘制图表。通过绘制柱状图，清晰地展示不同消化阶段镉的释放量、不同类型大米镉吸收量的差异等；利用折线图呈现消化时间、温度、pH值等因素变化时镉释放量的变化趋势。这些图表能够更直观地反映数据的特征和规律，便于对实验结果进行分析和讨论。6.3结果讨论从实验结果来看，大米中镉的体外消化过程呈现出阶段性的特点。在口腔消化阶段，镉的释放量相对较低，这主要是因为口腔消化以物理性咀嚼和初步混合为主，唾液中的α-淀粉酶对镉的释放影响有限。而在胃消化阶段，胃酸中的盐酸和胃蛋白酶发挥了重要作用，盐酸提供的强酸性环境使镉从难溶性化合物中解离出来，胃蛋白酶分解蛋白质，促使与蛋白质结合的镉释放，使得镉的释放量明显增加。到了小肠消化阶段，胆汁和胰液协同作用，胆汁中的胆盐乳化脂肪，增加脂肪与胰脂肪酶的接触面积，促进脂肪的消化，同时可能与镉形成络合物，改变镉的存在形态，有利于镉的释放和转运；胰液中的多种消化酶继续分解大米中的蛋白质、淀粉和脂肪，进一步破坏大米的结构，使更多的镉被释放出来，此时镉的释放量达到最高。消化条件对镉消化的影响也十分显著。消化时间方面，在不同消化阶段，随着消化时间的延长，镉的释放量逐渐增加，但增长幅度逐渐减小。这是因为随着消化的进行，大米中可被消化液作用而释放镉的成分逐渐减少。温度对镉消化的影响主要体现在对消化酶活性的影响上，在接近人体正常体温37℃时，消化酶活性较高，有利于镉的释放；过高或过低的温度都会抑制消化酶的活性，从而影响镉的释放。pH值对镉消化的影响则与消化液的成分和消化酶的活性密切相关，在不同消化阶段，适宜的pH值能够促进消化酶的活性，进而促进镉的释放；而pH值偏离适宜范围时，消化酶活性受到抑制，镉的释放量也会相应减少。在体外吸收过程中，大米中的其他成分对镉的吸收产生了重要影响。蛋白质与镉的络合作用、膳食纤维对镉的吸附作用以及矿物质与镉的离子拮抗作用，都在一定程度上改变了镉的生物可利用性，影响了镉的吸收。肠道微生物通过代谢产物改变肠道pH值、自身吸附镉离子以及与大米消化产物相互作用等方式，也对镉的吸收过程产生了复杂的影响。不同类型大米在镉吸收方面的差异也值得关注。品种差异导致的镉吸收不同，主要与水稻品种的遗传特性有关，不同品种水稻中负责镉吸收的转运蛋白表达和活性存在差异。产地差异对镉吸收的影响，主要源于不同产地的土壤、水质等环境因素不同，土壤中镉含量、pH值以及其他矿物质含量等都会影响水稻对镉的吸收。加工方式对镉吸收的影响则较为直接，碾磨精度的提高去除了大米外层含镉量较高的部分，从而降低了大米中的镉含量；蒸煮过程可能改变了镉的存在形态，或者影响了大米的结构，进而降低了镉的生物利用率。本研究结果对于评估人体通过食用大米摄入镉的风险具有重要意义。通过明确大米中镉在体外消化与吸收过程中的规律和影响因素，可以更准确地预测人体对大米中镉的实际摄入量，为制定合理的食品安全政策和风险防控措施提供科学依据。例如，在制定大米中镉的限量标准时，可以考虑不同消化阶段镉的释放量以及影响镉吸收的各种因素，使标准更加科学合理。在农业生产中，可以根据不同品种大米对镉吸收的差异，选择低镉积累的品种进行种植；在大米加工过程中，可以通过优化加工方式，降低大米中的镉含量和生物利用率，从而减少人体对镉的摄入。本研究也为进一步研究大米中镉的体内代谢和毒性机制提供了基础。虽然体外实验能够在一定程度上模拟人体的消化吸收过程，但与体内实际情况仍存在差异。未来的研究可以结合体内实验，深入探讨大米中镉在人体胃肠道内的消化、吸收、转运、代谢以及对人体健康的影响，为全面评估大米镉污染对人体健康的风险提供更完善的理论支持。七、大米中镉摄入的风险评估7.1风险评估模型的建立本研究选用目标危险商值（THQ）模型对大米中镉摄入的风险进行评估。THQ模型是一种广泛应用于评估化学物质暴露风险的方法，其原理是通过计算人体对化学物质的暴露剂量与参考剂量的比值，来评估该化学物质对人体健康的潜在风险。当THQ值小于1时，表明人体暴露于该化学物质的风险较低；当THQ值大于或等于1时，则意味着人体存在一定的健康风险。THQ模型的计算公式为：THQ=\frac{E_{F}\timesE_{D}\timesC}{R_{f}D\timesB_{W}\timesT_{A}}，其中，E_{F}表示暴露频率（d/年），反映人体接触镉的频繁程度，本研究根据相关文献和实际调查，将普通成年人的暴露频率设定为365d/年，这是基于假设成年人每天都有可能食用大米，从而接触到大米中的镉；E_{D}为暴露持续时间（年），考虑到人体长期的饮食摄入，将其设定为70年，这是一个相对保守的估计，涵盖了一个人从出生到老年的大部分时间，以全面评估长期暴露于镉的风险；C代表大米中镉的含量（mg/kg），通过实验测定不同产地、品种大米中的镉含量，获取准确的数值用于计算；R_{f}D是镉的参考剂量（mg/kg・d），参考美国环境保护署（EPA）的相关标准，将其取值为0.001mg/kg・d，这个数值是经过大量的科学研究和风险评估确定的，作为评估镉暴露风险的基准；B_{W}表示体重（kg），对于普通成年人，根据统计数据和相关研究，平均体重设定为60kg，这是一个具有代表性的数值，用于计算单位体重的镉暴露量；T_{A}为平均暴露时间（d），计算公式为T_{A}=E_{D}\times365d，即70年乘以365天，得到25550d，这个数值反映了在整个暴露持续时间内的平均暴露天数。通过上述公式和参数设定，可以较为准确地计算出不同情况下人体通过食用大米摄入镉的THQ值，从而评估大米中镉摄入对人体健康的风险程度。例如，对于某一产地的大米，经测定其镉含量为0.2mg/kg，将各参数代入公式，可计算出该大米的THQ值，进而判断人体食用该大米时镉摄入的风险水平。这种基于科学模型和合理参数设定的风险评估方法，为全面了解大米中镉摄入的潜在风险提供了有力的工具。7.2基于实验结果的风险评估通过对不同地区、不同品种大米的实验数据进行分析，结合THQ模型计算结果，对不同人群通过食用大米摄入镉的健康风险进行评估。对于普通成年人，假设其平均每天食用大米200g，根据实验测定的不同产地大米镉含量数据，以湖南产地大米为例，其平均镉含量为0.25mg/kg，将相关参数代入THQ模型计算公式。E_{F}为365d/年，E_{D}为70年，C为0.25mg/kg，R_{f}D为0.001mg/kg・d，B_{W}为60kg，T_{A}为70\times365=25550d，计算可得THQ值为0.25\times200\times365\times70\div(0.001\times60\times25550)\approx1.08，略大于1，表明普通成年人长期食用该产地大米，存在一定的健康风险。而对于东北产地大米，其平均镉含量为0.08mg/kg，同样代入公式计算，THQ值为0.08\times200\times365\times70\div(0.001\times60\times25550)\approx0.35，小于1，说明食用该产地大米的健康风险较低。不同年龄段人群由于体重和饮食量的差异，对大米中镉的摄入风险也有所不同。儿童的体重相对较轻，假设一名5岁儿童平均体重为20kg，每天食用大米50g。以湖南产地大米计算，其THQ值为0.25\times50\times365\times70\div(0.001\times20\times25550)\approx1.24，健康风险相对较高。这是因为儿童的身体处于生长发育阶段，对镉等重金属的耐受性较低，相同剂量的镉对儿童健康的影响可能更为严重。而老年人由于身体机能下降，对镉的代谢和排泄能力减弱，即使食用镉含量相对较低的大米，也可能存在一定的健康风险。职业暴露人群，如从事大米加工行业的工人，由于其工作环境中可能存在较高浓度的镉粉尘，在工作过程中除了通过饮食摄入镉外，还可能通过呼吸道吸入镉，其镉的暴露风险更高。假设一名大米加工工人每天工作8小时，在工作环境中镉粉尘浓度为0.05mg/m³，每天呼吸量为10m³，则通过呼吸道吸入的镉量为0.05\times10=0.5mg。再结合其每天食用200g湖南产地大米（镉含量0.25mg/kg），通过饮食摄入的镉量为0.25\times200\div1000=0.05mg。将这两部分镉摄入量综合考虑，代入THQ模型计算，其THQ值远大于1，表明职业暴露人群通过食用大米和工作环境暴露，面临着较高的镉摄入健康风险。不同人群通过食用大米摄入镉的健康风险存在差异，受大米产地、品种以及人群自身特征等多种因素的影响。对于镉污染较为严重地区的大米，以及儿童、老年人和职业暴露人群等特殊群体，需要特别关注其镉摄入风险，采取相应的措施降低风险，如选择低镉大米品种、优化大米加工方式、改善工作环境等，以保障公众的身体健康。7.3风险控制建议为有效降低大米中镉摄入风险，可从源头控制、加工处理、饮食结构调整等多方面采取措施。在源头控制方面，土壤改良是关键。对于镉污染的土壤，可施加石灰、碳酸钙等碱性物质，提高土壤pH值，使镉形成难溶性化合物，降低其生物有效性。研究表明，当土壤pH值从5.5提高到7.0时，土壤中有效态镉的含量可降低30%-50%。添加铁锰氧化物、蒙脱石等土壤改良剂，也能通过吸附、离子交换等作用，固定土壤中的镉，减少水稻对镉的吸收。例如，在镉污染土壤中添加铁锰氧化物，可使大米中的镉含量降低20%-30%。同时，加强对工业“三废”的监管，严格控制含镉废水、废气、废渣的排放，减少土壤和水源的镉污染，从根源上降低大米镉超标的风险。品种选育也是源头控制的重要手段。选育低镉积累水稻品种，从遗传层面降低大米中镉的含量。科研人员通过筛选和培育对镉吸收能力较弱的水稻品种，如莲两优1号、韶香100、西子3号等低镉水稻新品系，在中度及以上镉污染区开展的试验示范结果显示，这些新品系稻谷镉含量显著低于国家限量标准。推广低镉积累水稻品种的种植，可有效降低大米中镉的含量，保障粮食安全。在加工处理环节，优化加工工艺能够减少大米中的镉含量。提高碾磨精度，去除大米外层含镉量较高的部分，可显著降低大米中的镉含量。研究表明，将糙米碾磨成精度更高的精米，可使大米中的镉含量降低30%-50%。采用合适的浸泡和蒸煮方法，也能降低镉的含量。如将大米用白醋溶液浸泡1.5-2.5h（大米与白醋溶液的料液比为1：2），倒掉浸泡液后淘洗3-4次，再进行蒸煮，可使大米镉含量降低。这种方法操作简单，成本低，适合家庭日常使用。对于镉污染严重的大米，可采用化学浸提、生物转化等深度处理技术。利用2-酮基葡萄糖酸溶液对镉超标大米进行浸提处理，镉的去除率可达到80%以上。但这些技术需要专业设备和操作，成本较高，主要适用于大规模的粮食处理。饮食结构调整也是降低镉摄入风险的重要措施。倡导多样化饮食，减少对大米的单一依赖，增加其他谷物、蔬菜、水果等食物的摄入，降低人体对大米中镉的暴露风险。