微量元素硒在煙草上應用研究進展

李小勇,唐啟源,李良勇

(1湖南農業(yè)大學農學院,長沙 410128;2長沙市煙草公司瀏陽營銷部,湖南瀏陽 410300)

微量元素硒(Se)是人體 14種必須的微量營養(yǎng)元素之一[1],同時也是植物生長發(fā)育的有益元素,不僅在維護人體健康上發(fā)揮獨特的生理功能,而且在促進植物生長、改善品質、增加產量等方面發(fā)揮著重要生物學效應[2～4]。煙草是一種特殊的經濟作物,其卷煙產品作為一種“嗜好品”和特殊消費品,自 20世紀 50年代以來,“吸煙與健康”的問題一直是世界范圍內廣泛關注的問題和研究的熱點[5]。國內外大量研究表明,硒能降低卷煙煙氣中的焦油和自由基;抑制腫瘤的發(fā)生,能有效的降低肺癌的發(fā)生率[13～15];對重金屬的毒害有拮抗作用,從而減輕對人體的危害,提高煙草的安全性[6～9],因此硒在卷煙原料生產和配方設計中引起了煙草科研工作者廣泛的重視。本文對硒在我國卷煙制品和煙葉中的含量,煙葉中的硒的累積和分布規(guī)律及存在形態(tài),硒對煙草的生物學效應及降低卷煙及煙葉中有害物質的含量的特殊作用進行了綜述,旨在為低硒煙區(qū)生產“特色、優(yōu)質、安全”煙葉原料及煙草企業(yè)研發(fā)“低害”卷煙制品提供指導作用和有益參考。

1 我國卷煙制品中硒含量的現(xiàn)狀

我國卷煙制品中硒的含量存在明顯的差異。據(jù)王美珠等[11]對不同卷煙品牌香煙(包括國外的共 100支樣品)的測定結果表明,硒的含量范圍在0.037～0.441 mg/kg,幾何平均值為 0.128 mg/kg,自然分布狀態(tài)的差異高達 35%;在我國用高硒和低硒煙區(qū)煙葉制成的香煙,硒含量平均值分別為0.244 mg/kg和0.093mg/kg,兩者相差1.6倍;在頻數(shù)表現(xiàn)上43.0%的樣品屬于低硒煙,僅 3.0%的樣品屬于高硒煙,說明我國的大部分卷煙制品中的硒含量較低,主要與煙區(qū)植煙土壤的硒含量背景值差異和多數(shù)煙區(qū)分布在缺硒地區(qū)有關。在我國僅湖北恩施和陜西紫陽等少數(shù)地區(qū)的香煙存在富硒現(xiàn)象。

2 煙葉中硒含量與土壤中硒含量的關系

李國民等[17]對湘西自治州植煙土壤和煙葉硒含量的調查分析發(fā)現(xiàn),土壤硒含量較豐富,范圍為0.20～0.72μ g/g,煙葉的硒含量較高,范圍為 0.025～0.744 μ g/g。煙葉硒含量的高低,在很大程度上主要受植煙土壤母質的影響。我國低硒煙葉產區(qū)的土壤母質類型主要為灰質板巖、石灰?guī)r、泥質葉巖及黃土母質等,在低硒地區(qū)生產加工煙葉原料的卷煙硒含量為 0.061 μ g/g。我國成土母質母巖的富硒巖石出現(xiàn)在二疊紀和陶寒武硅質石巖,其發(fā)育成的土壤種植的煙葉的含硒量可達 4.11μ g/g[11]。但在同一母質發(fā)育成的土壤的類型不同,煙葉的硒含量也存在一定的差異。何佳文等[13]在高硒地區(qū) (湖北恩施 )對不同土壤 (石煤露區(qū),砂巖,炭質露區(qū),紫色砂巖露區(qū))種植的煙葉的硒含量分析,發(fā)現(xiàn)在石煤露區(qū)生產的煙葉的硒含量平均值為4.69μ g/g,紫色砂巖露區(qū)生產的煙葉的硒含量平均值為0.08μ g/g。潘文杰等[12]研究報道,煙葉的硒含量與土壤硒含量、土壤pH值呈正相關,與土壤速效磷和有機質含量呈負相關;還受氣候條件的影響,煙葉的硒含量與日均氣溫、日均10 cm的地溫呈顯著正相關,與降雨量(或相對濕度)呈顯著負相關。

3 硒在煙草中的主要形態(tài)及累積與分布

3.1 煙葉中硒的主要存在形態(tài)

植物中硒的主要形態(tài)有無機態(tài)、有機態(tài)和揮發(fā)態(tài)3種主要形式,而煙草中硒的主要形態(tài)為有機態(tài)。張馳等[16]研究結果顯示,在白肋煙中,葉片吸收無機硒進入植株體內代謝轉化成多種形態(tài)的有機硒,多為高分子量的化合物,占總量的 87%以上,其中主要為硒核酸、硒多糖、硒蛋白 3種存在形態(tài),分別占總硒量的74.54%,10.95%和2.30%;在蛋白質分級鹽析組分中存在5種不同的組分,各種蛋白質中硒的質量分數(shù)為D>C>B>E>A,分別占蛋白質結合硒的 41.50%,26.49%,21.46%,12.81%和0.25%;同時也發(fā)現(xiàn)煙葉中除生物大分子結合的硒外,還存在其他形式。在煙葉中并不是每一種蛋白質都含有硒,在含硒蛋白中硒質量分數(shù)也不相同。

3.2 硒在煙葉中的累積與分布

在煙葉中硒的含量不僅與土壤硒含量有關,通常還因不同的施硒方式和時期而影響其在不同的器官、部位和不同生育期的含量及分布。低硒土壤上施硒肥,烤煙和白肋煙各部位煙葉的硒含量均與土壤施硒量呈極顯著正相關,烤煙根、莖、葉的含硒量和富硒能力,均隨土壤硒含量的增加而增加,無論是在低硒土壤施硒或葉面施硒肥,富硒量均以葉最多,說明烤煙煙葉富硒能力最強,莖最弱[18,19,21]。但在白肋煙上,對硒的累積量和富硒能力均呈現(xiàn):葉>根>莖的分布規(guī)律,且均與土壤施硒量呈極顯著正相關,對土壤施硒的回收率為8.9%～18.1%,說明白肋煙對硒具有較弱的吸收量和轉運能力,屬于耐硒能力較弱的植物[20,21]。楊蘭芳等研究表明[19],在低硒土壤上施硒肥,烤煙植株不同器官含硒量依次為:根>葉>莖;而在葉面施硒的條件下則表現(xiàn)出:葉>根>莖;而白肋煙的硒含量均呈現(xiàn):葉>根>莖的分布規(guī)律[20,21]?？傊?土壤施硒后,不同類型煙草對硒累積和分布規(guī)律存在差異。

不同生育期施硒對烤煙的硒含量和分布也存在顯著的影響。在團棵期,煙葉的含硒量隨土壤含硒量和施硒量的增加而增加,并出現(xiàn)地下部分大于地上部分的規(guī)律;不同的噴施時期對烤煙根、莖、葉的富硒能力有顯著影響,根、莖富硒量表現(xiàn)為前-中期>中期>前期,葉的富硒量表現(xiàn)為:中期>前-中期>前期;葉面施硒優(yōu)于土壤施硒,且葉面施硒以中期(21～23片葉)效果最好[22]。也有研究報道[23],葉面噴施亞硒酸的時期不同,硒在煙株各部位的葉片中的分布規(guī)律也不一樣。在苗期,下部葉片>上部葉片;在團棵期,上部葉片>下部葉片;在成熟期,葉面噴施各部位葉片硒含量相似;而葉面噴 10～40 mg/m L硒肥微肥溶液,煙葉中硒平均含量可達 3.63μ g/g[25],能達到富硒煙葉的標準。

4 硒對煙草生長發(fā)育、生理特性、產量和品質的影響

4.1 硒對烤煙生長發(fā)育的影響

低濃度的硒對烤煙有促進生長的作用。當硒濃度為 4.0 mg/kg,烤煙地上部分的干重和根干重分別比對照增加 3.19%和 32.82%,當硒濃度為 8.0 mg/kg,烤煙開始受到危害,地上部分干重和根干重,分別比對照下降 54.70%和 3.34%;在葉面噴施硒肥的情況下,硒肥有促進煙株生長的作用,越早,促進作用越大[27,28]。馬友華等研究表明[29],在紅土壤上低硒處理(<4.94～6.18μ g/g)促進煙草前期生長 ,高硫 (150.0 μ g/g)處理則會加強低硒的促進作用;黃褐土上施硒肥則會抑制煙草的前期生長,施硫則會減弱低硒(<6.18μ g/g)處理對煙草生長帶來的抑制效應,硒和硫表現(xiàn)出明顯的拮抗作用。說明硒、硫互作效應對煙草生長的影響隨硒和硫處理濃度、土壤類型及煙草的不同生育階段而變化。

4.2 硒對烤煙生理特性的影響

高家合等研究發(fā)現(xiàn),低濃度的硒(<8.0 mg/kg)對烤煙的葉綠素 a,葉綠素b,葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量有明顯的促進作用,并能提高煙株體內活性氧的防御體系,使 MAD酶活性下降;高濃度的硒(16.0 mg/kg)則對其有抑制作用,對活性氧防御體系產生脅迫反應,SOD,POD酶活性下降,MAD上升,且硒含量的變化與 MAD含量呈極顯著的正相關,因而提出MAD作為硒脅迫對烤煙生長最敏感的生理指標;葉面噴施硒對不同部位煙葉葉綠素含量的影響效果是一樣的,在栽后 75 d,第 5片葉的葉綠素 a,葉綠素 b,葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量均極顯著高于對照,但第 10片葉的葉綠素a含量顯著高于對照,而第 14片葉的葉綠素a顯著低于對照[27,28]。馬友華等研究結果表明[30],施硒對煙葉的葉綠素含量的影響程度隨土壤的類型和施硫量而變化,其中硒 6.18 mg/kg和硫 75.0 mg/kg配施最有利于提高葉綠素的含量,在缺硫的情況下,施硒量的不同對煙葉的 SOD,POD酶活性無明顯影響,但增施硫和硒可明顯提高黃褐土上煙葉的 SOD活性及紅土壤上煙葉 POD活性。

4.3 硒對烤煙品質的影響

不同的施硒肥方式、時期及硒肥量對烤煙內在化學成分的影響存在明顯的差異。土壤施硒和葉面施硒均能顯著提高煙葉的鉀含量,使鉀的含量分別增加6.62%～80.11%和 7.57%～38.90%,這對改善我國煙葉鉀含量具有普遍意義;在施硒量為 50.0 mg/kg,煙葉的施木克值、糖堿比值、氮堿比值等化學指標最理想;在 0.5～5.0 mg/kg,對煙堿含量非常有利;在 0.5～10 mg/kg,能提高煙葉的還原糖和總糖含量,煙葉的蛋白質含量與土壤硒的含量呈極顯著正相關(r=0.963 0);葉面施硒及不同的施肥時期對煙葉的煙堿、還原糖、總糖、蛋白質含量均有顯著的影響,在前-中期(15葉)、前期 (10葉 )每株噴 250μ g/g亞硒酸鈉能使煙葉的煙堿、總糖和蛋白質含量適中[32,33]。

張池等報道,葉面噴施亞硒酸鈉能使白肋煙的水溶性糖、還原性糖、非還原性糖分別提高 41.25%,23.37%和32.77%;使總氮、蛋白質和煙堿的含量分別提高22.22%,23.68%和 28.64%,使煙葉中的氯含量下降 40.36%[31]。另有研究表明,適量的硒(6.18μ g/g)和硫(75.0μ g/g)配合處理能使煙葉具有較高的總糖、煙堿和硒的含量,及較低的蛋白質含量[34]。由此可見,施硒顯著改善不同類型的煙草的品質,只是不同施肥方式、時期和施硒量對其煙葉內在化學成分作用的效果不一樣。

4.4 硒對煙葉其他礦質元素的影響

在煙草中發(fā)現(xiàn),低硒可以促進煙草氮代謝,而高硒則抑制其氮代謝,煙株中氮的含量隨硒含量的增加呈先降低而后上升的趨勢,在低硒(4.94μ g/g)與低硫(<94.0μ g/g)和高硒 (9.88 μ g/g)與高硫 (>94.0 μ g/g)處理中,硒和硫對煙株的氮的吸收表現(xiàn)出拮抗作用。硒硫互作對煙草中的氮的吸收和累積因煙草部位和生育期的不同而異[30]。高硒(>6.18 mg/kg)降低了前期煙草全株磷含量而低硒(<6.18 mg/kg)則增加;成熟煙葉不施硫時,施硒增加了煙葉磷含量;施硫時,硒則降低了煙葉磷含量,硒與磷作用的性質不僅與硒濃度高低有關,而且與煙草生育期、生長器官及硒、硫相互作用有關[35]。在煙草生長前期,植株全株及地上部的硒積累量在低硫(<75 mg/kg)條件下隨施硫增加而增多,硒硫表現(xiàn)為協(xié)同作用;在高硫(>75 mg/kg)條件下,煙草硒積累量則隨施硫的增加而減少,表現(xiàn)為拮抗作用;不施硒時,施硫會降低成熟煙葉硒含量,表現(xiàn)為硒硫拮抗作用,施硒時,成熟煙葉硒含量則隨施硫量的增加而增多,表現(xiàn)為硒硫協(xié)同作用。由此可見,硒和硫之間存在著既相互協(xié)同又相互拮抗的關系,二者隨土壤或營養(yǎng)液中硒與硫的含量和濃度以及硒肥的種類而變化[36,37]。

5 硒對煙葉及卷煙煙氣中有害物質的影響

5.1 硒對煙葉中TSNA含量水平的影響

T SNA是煙草中特有的N-亞硝基化合物,是由煙草中的生物堿亞硝化作用而生成的,是一種致腫瘤物質,對吸煙者的健康有著嚴重的危害作用。汪安云等[38]研究發(fā)現(xiàn),不同濃度亞硒酸鈉微肥對自然晾曬調制煙葉中 TSN A的含量影響是不同的:濃度為 10μ g/m L,能提高上、中、下部煙葉的 TSNA水平,隨著處理濃度的增加,TSNA水平逐漸降低;當濃度增加到 40 μ g/mL,T SNA的水平達到最低,以后逐漸平穩(wěn);而濃度在 10～80μ g/mL范圍內,煙葉中 TSNA的含量存在有較好的負相關;不同部位的煙葉中的 TSNA總量在噴施微肥的處理與對照間都表現(xiàn)出相同的規(guī)律:即中部葉>上部葉>下部葉。

5.2 硒對卷煙煙氣中焦油和自由基含量的影響

硒對卷煙煙氣中的有害成分具有拮抗作用,能降低煙氣中有害物質,尤其是焦油含量和毒性,抑制腫瘤產生,降低肺癌發(fā)生率,減輕吸煙對人體的健康危害。不同的硒含量范圍對卷煙焦油和自由基的影響程度是不同的,但卷煙中天然硒含量與焦油含量及焦油中的自由基濃度都呈負相關關系(r=-0.996 6和-0.942 5),卷煙中硒含量在 0.1～1.0μ g/g,焦油下降特別明顯,在 0.08～0.60μ g/g,自由基濃度降低尤為明顯,其原因在于硒對自由基產生附集加合作用,形成了容易衰變的硒加合自由基,縮短了自由基的保留時間,降低了自由基濃度[40,41]。主流煙氣中的硒含量是香煙含硒量的8%～11%,它對人體血清中的硒水平有輕微的影響,抽吸高硒煙可起到微量補硒的作用[11]。卷煙的硒含量水平為 3.0± 0.5μ g/支,煙氣中有害物質明顯低于一般卷煙產品,其中焦油含量,3,4-苯并芘含量和自由基濃度比一般卷煙產品下降了 19.5%,22.5%和27.1%[13]。另外,劉建福等[5]使用富硒煙葉研制生產的一種低焦油、低自由基的富硒烤煙型卷煙,可使卷煙的焦油量下降到 12.0 mg/g,自由基總量下降 40%,主流煙氣中的含硒量比普通卷煙的硒含量增加140%。由此可看出,硒能明顯降低卷煙煙氣中有害物質的含量,在一定程度上提高人體血硒水平,對人體的免疫功能有促進作用。

6 研究展望

煙葉及煙草制品硒含量的高低與人體健康密切相關,而我國眾多煙區(qū)屬于缺硒或低硒地區(qū),煙葉及卷煙制品的硒含量明顯偏低,因此,在低硒煙區(qū)開展硒在煙草上的應用研究,是開辟“降焦,減害”的一條新思路,對煙草企業(yè)開發(fā)“低害”卷煙具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前在煙草上,對硒的研究主要其中硒對煙的營養(yǎng),如硒在煙草各部位或器官的分布,土壤硒含量與煙葉硒含量的關系,噴施硒肥對煙草的生長、發(fā)育、品質的影響等方面;在栽培上,主要通過土壤施硒肥和葉面噴施外源硒來提高煙葉中的硒含量。而在煙草基礎和應用研究上,還缺乏一定的廣度和深度,如對富硒烤煙品種的篩選及親本選育研究少;硒營養(yǎng)在煙株體內的代謝過程和內在作用生理機制都缺乏深入研究;在煙葉生產上如何依據(jù)煙草對硒的吸收營養(yǎng)特性,而采取有效的調控措施或施硒方式提高煙葉中的硒含量等都缺乏有益的探索,對硒在煙草卷煙煙氣中的遷移轉化規(guī)律及“降焦,減害”的重要機理研究的深度不夠等,今后還有待加強上述各方面重點研究,這無疑對提高煙葉及卷煙產品的安全性有重要指導和參考作用,同時對維護消費者的健康都具有積極的意義。

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