紫蘇全生長(zhǎng)期16種無機(jī)元素的分布規(guī)律

龔?qiáng)瑠?胡思平 艾鑫衛(wèi) 黃文鄴 蔡 濤 廖照江

(1. 三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 宜都市環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 湖北 宜昌 443000)

紫蘇(Perillafrutescens)，別名：桂荏、白蘇、赤蘇等；為一年生草本植物，屬于唇形科一屬；紫蘇為《中國(guó)藥典》收載入藥，屬于第1批次被我國(guó)衛(wèi)生部頒布的既是食品又是藥品的60種中藥之一．紫蘇因有多種活性成分而備受中國(guó)乃至世界的關(guān)注．紫蘇籽油中含有不飽和脂肪酸-α-亞麻酸，具有一定的預(yù)防性降低血脂的作用，紫蘇總黃酮有抗氧化性，揮發(fā)油、有機(jī)酸、酚等化合物具有廣泛的抗菌活性[1-5]．目前，對(duì)紫蘇屬植物藥用價(jià)值的研究主要集中在揮發(fā)油上[6-7]，而對(duì)其無機(jī)元素的相關(guān)報(bào)道甚少．中藥中微量元素的含量是中藥品質(zhì)非常重要的基礎(chǔ)保障，紫蘇作為藥食兩用的中藥，對(duì)其無機(jī)元素研究十分必要[8-15]．

本研究以紫蘇全生長(zhǎng)期根、莖、葉部位為研究對(duì)象，應(yīng)用ICP-MS對(duì)紫蘇樣品中16種無機(jī)元素(Na、Mg、K、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Cd、Hg、Pb)進(jìn)行了定量測(cè)定，并進(jìn)行分析，旨在對(duì)紫蘇全生長(zhǎng)期根、莖、葉部位從無機(jī)元素角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化分析，為全面評(píng)價(jià)的紫蘇的藥食兩用價(jià)值提供理論基礎(chǔ)，為紫蘇植物資源合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇子藥材購(gòu)買于湖北宜昌西陵區(qū)．該樣本經(jīng)三峽大學(xué)王玉兵副教授鑒定為湖北紫蘇(Perilla.Frutescens)．

標(biāo)準(zhǔn)品：混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(含量：100 mL；批號(hào)：8517)購(gòu)自Thermo Elemental；硝酸(優(yōu)級(jí)純)購(gòu)自天津市科密歐試劑有限公司；過氧化氫(優(yōu)級(jí)純)購(gòu)自天津市科密歐試劑有限公司；水為娃哈哈純凈水．

1.2 儀器

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀X Series 2(PlasmaLab 2.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))美國(guó)Thermo公司；德國(guó)sartorius BS224S電子天平：深圳市朗普電子科技有限公司；DZF-6020型真空干燥箱：上海-恒科技有限公司．

1.3 方法

1.3.1 電感耦合等離子體質(zhì)譜條件

檢測(cè)K、Na、Mg、Al采用冷焰模式，F(xiàn)e、Co、Cd、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Pb采用碰撞池反應(yīng)模式(即CCT模式)[16]測(cè)試．在最優(yōu)化儀器工作條件后，兩種模式的相關(guān)工作參數(shù)見表1．其中霧化氣、助燃?xì)?、冷卻氣及載氣均為氬氣，CCT碰撞氣為氦氣．

表1 ICP-MS儀器工作參數(shù)

續(xù)表1 ICP-MS儀器工作參數(shù)

1.3.2 樣品采集與制備

紫蘇種子于2017年6月5日播種，直至2017年6月15日發(fā)芽長(zhǎng)出兩對(duì)葉片，對(duì)幼苗進(jìn)行移栽，將幼苗移栽至面積(5 m×7 m)實(shí)驗(yàn)田，每組幼苗隨機(jī)種植．移栽后每隔20 d后按規(guī)則采樣(20、40、60、80、100、120 d)．

采樣方法為對(duì)角線取樣，在實(shí)驗(yàn)田對(duì)角線上選定5個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)上按規(guī)定的面積(50 cm×50 cm)內(nèi)采樣，每個(gè)點(diǎn)采取至少一株紫蘇，按根、莖、葉三部位進(jìn)行采收．根據(jù)植物生長(zhǎng)情況，按不同生長(zhǎng)時(shí)期可分為：營(yíng)養(yǎng)期(0～60 d)、開花期(60～100 d)、結(jié)果期(100～120 d)．

紫蘇樣品采集后，先用自來水洗去上面的泥土等雜質(zhì)，然后用去離子水清洗3遍，再用紗布吸取樣品表面水分．于105℃下殺青，再在65℃烘48 h，制成干樣．然后用中藥粉碎機(jī)粉碎，準(zhǔn)確稱取粉碎后紫蘇樣品0.500 0 g置入聚四氟乙烯消解罐中．向消解罐中加入2.00 mL濃硝酸和2.00 mL過氧化氫，然后密封消解罐并置入烘箱中，180℃恒熱8 h，冷卻后小心打開消解罐，用稀硝酸溶液稀釋并精確定容于50 mL容量瓶中，制得待測(cè)樣本溶液，每個(gè)部位每個(gè)時(shí)期平行四個(gè)樣本，全程做空白對(duì)照樣．

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

內(nèi)標(biāo)溶液的配制：用移液管移取銠(Rhodon)標(biāo)準(zhǔn)液和錸(Rhenium)標(biāo)準(zhǔn)液各1.00 mL于1000 mL容量瓶中，加1%稀硝酸精確定容，配制成1000 μg·L-1的內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液，然后再用移液管移取1.00 mL內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液，移至100 mL容量瓶中，用1%稀硝酸精確定容，配制成濃度為10 μg·L-1內(nèi)標(biāo)使用液．

待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：用移液管移取多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液1.00 mL于100 mL容量瓶中，加1%稀硝酸溶液精確定容，得到多元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，然后采用逐級(jí)稀釋法將多元素混合標(biāo)準(zhǔn)液釋成質(zhì)量濃度為0.5、5.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液．

在選定測(cè)定參數(shù)下，將所配制的混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液用ICP-MS法測(cè)定各元素含量，繪制出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見表2．

表2 各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.4 精密度試驗(yàn)

取標(biāo)準(zhǔn)曲線第3點(diǎn)溶液10 μg·L-1，連續(xù)進(jìn)樣6次，各元素含量RSD在0.780 2%～4.823%，均小于5%，說明儀器精密度良好．

1.3.5 重復(fù)性試驗(yàn)

取紫蘇莖(20171015)樣品粉末0.500 0g，平行6份，按“2.3.2”項(xiàng)下方法操作得供試品溶液，測(cè)定，各元素RSD為1.250%～7.904%，結(jié)果均小于8%．

1.3.6 加標(biāo)回收率試驗(yàn)

取紫蘇莖(20171015)樣品粉末0.250 0 g，精密稱定，加2.00 mL多元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液100 μg·L-1，按“2.3.2”項(xiàng)下方法操作，計(jì)算各元素的加樣回收率在84.35%～109.7%．

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)研究了紫蘇3個(gè)生長(zhǎng)期、3個(gè)部位中16種元素的含量和變化趨勢(shì)．紫蘇的3個(gè)部位：根、莖、葉．16種元素是：K、Mg、Na、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se和Hg、Pb、Cd．其中前13種是生命必需元素，后3種有毒重金屬元素．3個(gè)生長(zhǎng)期為營(yíng)養(yǎng)期(0～60 d)、開花期(60～100 d)、結(jié)果期(100～120 d)．

2.1 16種元素在全生長(zhǎng)期的含量及變化規(guī)律

2.1.1 16種元素含量分類

按含量分類，16種元素可分為4類，高含量元素：K、Mg，它們的含量通常在465～24 000 μg·g-1．中等含量元素：Al、Fe、Na，它們含量一般在35～3 471 μg·g-1，低含量元素：Pb、Mn，Zn、Cu，Cr、Ni，含量處于0～365 μg·g-1．痕量元素：As、Co，Hg、Se，Cd，其含量處于0.04～4.30 μg·g-1．

2.1.2 16種元素含量的變化趨勢(shì)

16種元素含量隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，總體上都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(如圖1所示)，下降趨勢(shì)特別明顯的是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、As這8種元素，營(yíng)養(yǎng)期20 d時(shí)在莖中的含量非常高，隨后快速下降．下降趨勢(shì)最明顯的K、Mg、Na、Fe、Al等5種元素，除了保持總的下降趨勢(shì)外，在莖中的含量下降趨勢(shì)尤為明顯，降幅分別是2、6、74、86和99倍．這與紫蘇生長(zhǎng)過程莖的擴(kuò)張幅度最大相一致．根和葉中的這5種元素雖有下降趨勢(shì)，但降幅不大．也就是說，在紫蘇各部位擴(kuò)張過程中，這5種元素也繼續(xù)吸收同化并保持相對(duì)穩(wěn)定的含量．這表明，隨著生長(zhǎng)期順延、紫蘇有機(jī)物含量不斷增加，這5種無機(jī)元素的總量也是保持增加態(tài)勢(shì)，并與有機(jī)物增量基本持平并略有下降．

圖1 全生長(zhǎng)期16種元素含量動(dòng)態(tài)變化

大部分元素(如K、Mg、Al、Fe、Zn、Cu、Cr、Ni、Co、As)含量隨生長(zhǎng)時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)，但在結(jié)果期的100 d出現(xiàn)回升，即下降曲線在100 d出現(xiàn)峰值．只有As、Se、Hg未顯現(xiàn)出下降趨勢(shì)，并且這3種元素在生長(zhǎng)的中后期還出現(xiàn)峰值．也有少數(shù)元素：Se和Hg，分別在結(jié)果期的100 d出現(xiàn)峰值．大部分元素含量總體呈下降趨勢(shì)，可以用全生長(zhǎng)期的生物量的增長(zhǎng)規(guī)律做出合理解釋．本文對(duì)紫蘇全生長(zhǎng)期的干重進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果見表3．由表3可見，紫蘇全株生物量隨著生長(zhǎng)期的推進(jìn)，呈急劇增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)．所以，在生物量的稀釋作用下，元素含量呈總體下降趨勢(shì)．

表3 不同生長(zhǎng)期紫蘇單株干物質(zhì)(單位：g·株-1)

在100～120 d區(qū)間，增幅至此已經(jīng)十分平緩，導(dǎo)致含量出現(xiàn)了峰值．所以，峰值的出現(xiàn)，可能并不存在特別的生理過程和增殖方式，而是生物量增幅至此處于停滯所致．

2.2 16種元素在根莖葉中的含量規(guī)律

根、莖、葉屬于紫蘇的不同功能部位，其組織結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能不同，對(duì)不同元素的吸收同化也呈現(xiàn)出比較大的差別(如圖2所示)．

2.2.1 16種元素在根中的含量

根中，以100 d計(jì)，K、Mg、Al、Fe、Na、Cu、Zn的含量呈階梯狀，含量分別是3 682、2 172、540.4、401.1、263.9、43.90、43.79 μg·g-1，K和Mg的含量最高，Al、Fe、Na次之，而Cu和Zn的較低．除了其中的Al元素以外，K、Mg、Fe、Na、Cu、Zn均屬于營(yíng)養(yǎng)元素，紫蘇各部位都表現(xiàn)為K高Na低、Cu富Zn足的狀態(tài)，符合人類對(duì)K和Na攝取比例，以及對(duì)Cu、Zn元素的微量攝取需求．

圖2 根、莖、葉部位無機(jī)元素含量動(dòng)態(tài)變化

2.2.2 16種元素在莖中的含量

仍以100 d為例，莖中含量最高的元素是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、Cr、Mn、Ni，分別是11 442、3 866、195.0、173.8、43.86、22.01、14.49、12.10、6.798、3.795 μg·g-1．K、Mg含量最高，K含量尤其高；Na、Fe、Al含量居中，Zn、Cu、Cr、Mn、Ni的含量較低．K作為機(jī)體重要的電解質(zhì)，能維持肌肉的韌性和正常心律，并促進(jìn)蛋白質(zhì)、碳水化合物的代謝．紫蘇莖有順氣、安胎、化痰和發(fā)散風(fēng)寒等功效，可能與K含量有關(guān)．

2.2.3 16種元素在葉中的含量

葉部位含量，仍以100 d計(jì)，含量最高的元素是K、Mg、Al、Fe、Na、Zn、Mn、Cu、Cr、Ni、As、Se、Hg、Pb，含量分別是6926、6571、893.6、666.3、273.3、55.80、37.08、12.95、3.990、3.220、2.460、0.420 1、2.450、2.301 μg·g-1．葉部位的這14種元素依然是呈臺(tái)階分布，其中，K、Mg含量高，Al、Fe、Na含量較高，Zn、Mn含量居中，其余元素含量較低，紫蘇葉中含有豐富的人體有益元素．

2.3 根、莖、葉3部位中人體毒害元素分布

非金屬元素As和重金屬元素Cd、Hg、Pb，被認(rèn)為是對(duì)人體毒性最大的4種元素．紫蘇根莖葉中As、Cd、Hg、Pb含量都比較低，列在表4中．

表4 120 d時(shí)根莖葉As、Cd、Hg、Pb的含量(單位：μg·g-1)

2.3.1 4種毒害元素的含量變化

As、Cd、Hg、Pb，這4種元素都呈現(xiàn)出隨生長(zhǎng)期的下降趨勢(shì)，隨著紫蘇各部位有機(jī)物含量的增長(zhǎng)，這4種元素被稀釋，含量減少．

As、Hg兩種元素在結(jié)果期的100 d出現(xiàn)回升，這可能是因?yàn)锳s為生命必需元素，與紫蘇組織中特定物質(zhì)有識(shí)別與結(jié)合，并在結(jié)果期含量升高．而Hg元素具有揮發(fā)性和烷基化特點(diǎn)，在結(jié)果期通過葉的表面吸附而使其含量上升．

2.3.2 4種毒害元素的根莖葉3個(gè)部位的含量比較

As、Cd、Hg和Pb，這4種毒害元素在根、莖、葉3部位中的含量都較低，總體小于3 μg·g-1．其中As<0.1 μg·g-1，Cd<0.3 μg·g-1、Hg<0.5 μg·g-1，Pb<2.0 μg·g-1．As、Cd、Hg、Pb的含量均低于《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[17](WM/T 2-2004)(As≤2.0 μg·g-1、Cd≤0.3 μg·g-1，Hg≤0.2 μg·g-1、Pb≤5.0 μg·g-1)的限量標(biāo)準(zhǔn)，僅紫蘇葉中Hg元素含量超過的限量標(biāo)準(zhǔn)，有可能與其土壤背景有關(guān)，有待進(jìn)一步研究．常量元素中K、Na、Mg在機(jī)體中以離子狀態(tài)存在，參與酶的激化過程，維持體內(nèi)滲透壓和酸堿平衡，且毒害元素含量低可以保障食用安全、增加營(yíng)養(yǎng)價(jià)值．

3 結(jié) 論

1)紫蘇在營(yíng)養(yǎng)期(幼苗期)對(duì)各無機(jī)元素的需求量是最大的，16種元素都是在20 d時(shí)含量最高．

2)紫蘇的莖部位的無機(jī)元素含量最高，有8種元素在莖部位的含量都遠(yuǎn)高于根葉部位．

3)紫蘇的根莖葉中毒害元素含量都比較低，As、Cd、Pb低于中國(guó)藥典標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值．