北京地區(qū)六種主產(chǎn)水果礦質(zhì)元素含量分析及初步膳食風險評估

倪 楊,史玉琴,石 磊,張 倩,張瑩瑩,楊軍軍,熊 融,*

(1.北京市林業(yè)果樹科學研究院,北京 100093; 2.北京市落葉果樹工程技術研究中心,北京 100093; 3.北京市食用林產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督管理事務中心,北京 100029)

北京現(xiàn)有果樹面積133298.56公頃,鮮果面積約占50%,主要分布在平谷、昌平、房山、密云和大興。隨著北京市產(chǎn)業(yè)化結(jié)構調(diào)整進程的推進,平谷大桃產(chǎn)業(yè)、大興梨產(chǎn)業(yè)、昌平蘋果標準化基地、房山柿子生產(chǎn)基地等產(chǎn)業(yè)區(qū)域化布局已初步形成,桃、蘋果、梨、櫻桃、葡萄的年產(chǎn)量達12.15億斤,年產(chǎn)值34.47億元,經(jīng)濟效益價值20.27億元,其中,桃、蘋果和梨占北京市經(jīng)濟林總產(chǎn)值的64.58%[1]。因此,根據(jù)北京地區(qū)果品生產(chǎn)和消費的特點,系統(tǒng)探討6種主產(chǎn)水果的主要礦質(zhì)元素含量水平,并對其進行初步的膳食營養(yǎng)評估和風險評估,將為北京地區(qū)水果的生產(chǎn)和消費提供參考依據(jù)。

水果是人類健康飲食的重要組成部分,含有豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)元素,對維持人體機能的正常運轉(zhuǎn)與平衡起著重要作用。礦質(zhì)元素攝入過量或不足都會不同程度地引起人體生理異常,增加患病風險。目前,礦質(zhì)元素的含量分析在蔬菜[2-4]、水果[5-12]、干果[13-14]、中草藥[15-16]等中均有大量報道,多數(shù)為檢測方法的開發(fā)、利用,種質(zhì)資源評價與新品種選育以及有毒重金屬的膳食暴露風險評估,而對于多種水果中礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的比較分析與安全性評估的研究報道較少。

中國關于營養(yǎng)元素的風險評估工作在制定中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量(DRIS)中已經(jīng)引入,并提出了大多數(shù)營養(yǎng)素的日推薦攝入量(recommended nutrient intake,RNI)、適宜攝入量(adequate intake,AI)和可耐受攝入量(tolerable upper intake level,UL),在制定相應的營養(yǎng)政策、標準中起重要作用[17]。本研究采用ICP-MS對北京地區(qū)主要生產(chǎn)的6種水果中9種礦質(zhì)元素含量進行比較和分析,并分別以其RNI/AI和UL為評價標準,對居民每日從水果中攝入礦質(zhì)營養(yǎng)元素的含量進行評估;明確北京地區(qū)草莓、櫻桃、梨、桃、葡萄和蘋果中9種礦質(zhì)營養(yǎng)元素的含量水平及其對各類人群的膳食風險水平,確定需要重點關注的礦質(zhì)元素與人群,為市民平衡膳食提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

水果樣品 2018年于各種水果的適采成熟期,從北京各區(qū)的不同果園隨機采集樣品156份,每份3 kg,具體樣品信息詳見表1;Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ge、Rh單元素標準溶液(1000 mg/L) 國家標準物質(zhì)研究中心;Li、Co、In、U調(diào)諧液(10 mg/L) 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;生物成分分析標準物質(zhì):大米(GBW10010)、遼寧大米(GBW10043) 國家標準物質(zhì)研究中心;濃硝酸(HNO3優(yōu)級純) 默克化工技術(上海)有限公司;超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm) 由Milli-Q超純水系統(tǒng)制得;高純氬氣(純度99.99%) 北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司。

表1 樣品信息表Table 1 Information sheet for samples

MARS6微波快速消解系統(tǒng) 美國培安科技有限公司;X SeriesⅡ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;Milli-Q超純水儀(電阻率>18.2 MΩ·cm) Millipore;BSA2202S、BSA224S-CW電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;EHD-40趕酸儀 北京東航科儀儀器有限公司;JYL-C50T勻漿機 九陽股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 樣品經(jīng)自來水、超純水沖洗干凈后,草莓取全果,其它5種水果除去果核后分別進行勻漿。準確稱取2.00 g勻漿樣品放入消解罐中,加入5 mL HNO3,按照表2設定的消解程序進行微波消解。消解完全后,待溫度冷卻至70 ℃以下,在通風櫥中緩慢打開消解罐,在90 ℃水浴中趕酸1.5 h。趕酸近干并冷卻后,將消解液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中,以少量超純水洗滌消解罐與蓋子3～4次,合并洗液并轉(zhuǎn)移至容量瓶中,定容至刻度線,混勻待測。以同樣的方法制備空白對照和大米標準物質(zhì)消解液。所有玻璃容器均需30% HNO3浸泡2 d,超純水沖洗干凈后使用。

表2 微波消解程序Table 2 The procedure of microwave digestion

1.2.2 樣品中礦質(zhì)元素含量的測定 用ICP-MS測定每個樣品中Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se元素的含量,將20 μg/L的Ge、Rh混合內(nèi)標溶液(介質(zhì)為2% HNO3(V/V))通過三通進樣管在線加入,樣品直接進入質(zhì)譜儀檢測,每個樣品重復測定3次,樣品之間用2% HNO3(V/V)溶液清洗管路。用標準物質(zhì)大米(GBW10010)和遼寧大米(GBW10043)作為質(zhì)量控制,標準參考物的測定值在其定值范圍內(nèi)的同批樣品檢測值為有效結(jié)果[6]。對于未檢出的樣品,根據(jù)世界衛(wèi)生組織和美國環(huán)境保護署推薦的數(shù)據(jù)處理方法,用定量限的一半代替[18]。

1.2.3 礦質(zhì)元素攝入量占其RNI/AI的比值 計算公式為:

V=C×IR/RA×100

式中,V:該種水果的礦質(zhì)元素攝入量占中國居民膳食礦物質(zhì)推薦攝入量/適宜攝入量(RNI/AI)的比值,%;C:該種水果的礦質(zhì)元素含量,mg·kg-1;IR:該種水果的日均消費量,kg·d-1;RA:中國營養(yǎng)學會制定的中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量中的RNI/AI,mg·d-1。

1.2.4 匹配度的計算 計算公式為:

式中,DM:該種水果的礦質(zhì)元素含量與人體每日需求量間的匹配程度(degree of match,DM),%;k:礦質(zhì)元素種類;V:該種水果的礦質(zhì)元素攝入量占其RNI/AI的比值,%。

在未超過人體可耐受最高攝入量的情況下,DM越大,則認為該種水果中的礦質(zhì)元素含量滿足人體每日膳食攝入需求的程度越高。

1.2.5 風險指數(shù)的計算 計算公式為:

R=C×IR/UL×100

式中,R:風險指數(shù),單位%;C:該種水果的礦質(zhì)元素含量,單位mg·kg-1;IR:該種水果的日均消費量,單位kg·d-1;UL:可耐受最高攝入量,單位mg·d-1。

采用風險指數(shù)對膳食風險進行評估,來自6種水果的礦質(zhì)元素含量與UL的比值越小則風險越小,當R≤100%時,表示風險可以接受;當R>100%時,表示有不可接受的風險。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)應用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0進行整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準曲線和檢出限

將各單標元素的標準儲備液用2% HNO3(V/V)稀釋配制成0、1、5、50、500、2000 μg/L的混合標準曲線溶液,用于測定Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Se元素的標準曲線。如表3所示,按照本實驗方法,9種元素的線性回歸方程相關系數(shù)r均不小于0.9990,線性關系良好。通過對樣品空白溶液測定11次所得標準偏差的3倍所對應的質(zhì)量濃度為各元素的檢出限,結(jié)果顯示檢出限在0.000125～0.125 mg/L范圍內(nèi)。

表3 標準曲線和檢出限(n=11)Table 3 Results of detection of linearity and limits of detection(n=11)

2.2 標準參考物質(zhì)的測定

用生物成分分析標準物質(zhì)大米(GBW10010)和遼寧大米(GBW10043)進行水果中9種礦質(zhì)元素含量測定的質(zhì)量控制。如表4所示,各元素的測定值都在國家標準參考值范圍內(nèi)、吻合良好,且RSD值均小于8%,該實驗方法能夠滿足檢測要求。

表4 大米標準品的礦質(zhì)元素含量(n=7)Table 4 Mineral elements contents in rice standard(n=7)

2.3 加標回收試驗

分別對6種水果中的9個元素進行3個濃度梯度的加標,每個濃度設7個平行。實驗結(jié)果(表5)表明,各元素的加標回收率為81.25%～110.46%,相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)為1.4%～7.9%,表明該實驗方法的準確度和精密度較好,適用于水果中礦質(zhì)元素含量的測定。

表5 水果中礦質(zhì)元素的添加回收試驗結(jié)果(n=7)Table 5 Results of recovery for mineral elements in fruits(n=7)

2.4 水果中礦質(zhì)元素含量的分析與比較

156份水果樣品的礦質(zhì)元素含量如表6所示,9種元素平均含量由高到低依次為:Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,其中Mg作為常量元素在水果中含量最高,微量元素中Zn、Fe、Mn、Cu的平均含量明顯高于Cr、Ni、Co、Se,各元素之間差異顯著(P<0.05),且離散程度較大,變異系數(shù)范圍為51.22%(Cu)～99.58%(Ni)。

表6 水果中礦質(zhì)元素的含量水平Table 6 The contents of mineral elements in fruits

如表7所示,北京地區(qū)主要生產(chǎn)的6種水果中均含有豐富的Mg元素,櫻桃中Mg的平均含量高達192.71 mg/kg,約為草莓的1.2倍、梨的2倍、葡萄和桃的4倍、蘋果的5倍,各種水果樣品之間離散程度很小,變異系數(shù)僅為7.43%(桃)～13.52%(葡萄)。

表7 6種水果的礦質(zhì)元素含量水平Table 7 Mineral elemental levels of six fruits

微量元素中含量較高的Zn、Fe、Mn、Cu在6種水果中的含量有所差異,將其進行高低排序可以看出,梨、葡萄和桃中Zn的含量高于Fe,且Zn在該4種微量元素中排序最高;其它3種水果與之相反,Fe的含量高于Zn。在櫻桃和葡萄中,Cu的含量高于Mn,且Mn的含量排序最低;其它4種水果與之相反,其中,草莓的Mn含量極為豐富,其約為Zn、Fe兩元素含量之和。

將Zn、Fe、Mn、Cu在6種水果之間進行比較可以看出,Fe在草莓中的平均含量顯著低于櫻桃、梨、葡萄、桃和蘋果(P<0.05),而該5種水果之間差異并不顯著(P>0.05),樣品之間離散程度很大,變異系數(shù)最高達到81.79%(蘋果),可能與水果品種有關。Zn在梨中含量最高,在櫻桃中含量最低,且6種水果中均呈顯著差異(P<0.05),樣品之間離散程度較小。Cu在葡萄中含量最高,除櫻桃和梨中的Cu含量差異不顯著以外(P>0.05),其它水果之間均呈顯著差異(P<0.05)。Mn在草莓中含量最高且顯著高于其它5種水果(P<0.05)。

含量較低的Cr、Ni、Co、Se四種微量元素在水果中的排序結(jié)果為,除梨以外,其它5種水果中Cr的含量均高于Ni;除櫻桃和葡萄以外,其它4種水果中Co的含量均高于Se。通過水果之間元素含量的縱向比較可以看出,Co在梨中含量最高,在葡萄中含量最低,草莓、櫻桃、桃和蘋果中Co的含量差異并不顯著(P>0.05);Cr和Ni兩種元素均在桃中含量最高,分別為117.49和95.19 μg/kg,在櫻桃中含量最低,僅為13.34和6.25 μg/kg;而Se在水果中含量較低,且在水果之間差異均不顯著(P>0.05),根據(jù)富硒干鮮果品相關標準的判定[19-21],北京地區(qū)主要生產(chǎn)的6種水果中均未發(fā)現(xiàn)富硒樣品,僅在梨和葡萄中各有一例樣品為Se含量大于5 μg/kg,分別占其樣本總量的3.13%和5.00%。

2.5 水果中礦質(zhì)元素攝入量占其推薦攝入量/適宜攝入量的比值分析

《中國居民膳食指南(2016)》[22]和《中國學齡兒童膳食指南(2016)》[23]均推薦7～17歲兒童的每日新鮮水果攝入量為150～350 g,中國居民平衡膳食寶塔(CBDP)建議18～50歲一般健康成年人的每日水果攝入量為200～400 g[24]。假設北京地區(qū)7～50歲各類人群每日攝入足量的水果,以資料中給定的水果攝入量上限作為水果日均消費量,將其乘以6種水果的各礦質(zhì)元素含量平均值,分別求得6種水果中的9種礦質(zhì)元素日平均攝入量。根據(jù)中國營養(yǎng)學會于2013年制定的不同年齡段中國居民礦質(zhì)營養(yǎng)元素的RNI/AI和UL標準[25],以及中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量[26-27],按照公式求得7～50歲各類人群從水果中攝入的礦質(zhì)元素含量占其RNI/AI的比值。因為我國尚未制定不同年齡組人群Co和Ni的RNI/AI參考值,所以本文僅對其余7種元素加以分析,詳見圖1。

圖1 不同年齡段人群礦質(zhì)元素攝入量與RNI/AI的比值Fig.1 The ratios of mineral element intake to RNI/AI in people of different ages

由圖1可知,7種元素分別在6種水果中的總比值均按照年齡呈現(xiàn)出先降后升的趨勢,總體來看,Cr的攝入量最高,而Se的攝入量最低。除了Zn-女和Cr-女的總比值轉(zhuǎn)折點在11～13歲年齡段,其余元素的總比值轉(zhuǎn)折點在14～17歲年齡段。其中,Fe-男和Zn-女的最大比值位于18～50歲年齡段,6種水果所占總比值分別為92.33%和179.36%,其余元素均在7～10歲年齡段比值最高,其中Cr-男/女高達399.03%,Cu高達265.30%,Zn-男高達168.15%,Mg、Fe-女、Mn、Se依次為94.66%、74.58%、73.62%和7.83%。

其中,7～50歲各類人群每日食用足量的桃(水果推薦攝入量的上限),可使Cr的攝入量超過其AI標準,而每日食用足量的葡萄或蘋果,也可使Cr的攝入量超過50%的AI標準。7～10歲兒童每日食用足量的櫻桃或梨,7～13歲兒童和18～50歲成年人每日食用足量的葡萄,可攝入高于一半RNI標準的Cu。每日食用足量的梨也可使7～10歲兒童和14～50歲女性攝入高于一半RNI標準的Zn。為防止Cr、Cu、Zn攝入過量而影響健康,應對其進行重點關注。此外,7～50歲各類人群從水果中攝入Se的含量最高僅為2.23%的RNI標準,為防止Se攝入不足而造成營養(yǎng)不良甚至缺乏病,有必要對其進行進一步研究。

2.6 礦質(zhì)元素攝入量與推薦攝入量/適宜攝入量的匹配度分析

評估6種水果中各元素含量滿足人體需求的總程度,如表8所示,7～10歲兒童的礦質(zhì)元素匹配度最高,之后隨著年齡的增長而持續(xù)降低,雖然在18～50歲年齡段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10歲年齡段。6種水果相比,草莓、蘋果和櫻桃的礦質(zhì)元素匹配度在各年齡段人群中相差不多,且數(shù)值較低。桃在各年齡段人群中的礦質(zhì)元素匹配度均為最高,其次為葡萄和梨,可認為該水果中的礦質(zhì)元素含量滿足人體每日膳食攝入需求的程度較高。

表8 水果中的礦質(zhì)元素匹配度(%)Table 8 The degree of match of mineral elements in fruits(%)

2.7 礦質(zhì)元素膳食風險評估

因中國營養(yǎng)學會和中華人民共和國衛(wèi)生行業(yè)標準均未制定Mg和Cr的UL值,所以本文僅對Mn、Fe、Cu、Zn、Se 5種元素加以分析。通過計算水果中的礦質(zhì)元素平均風險和最大風險(表9),發(fā)現(xiàn)來自6種水果的礦質(zhì)元素攝入風險指數(shù)遠小于100%,表明7～50歲各類人群從該6種水果中攝入礦質(zhì)元素的量是安全的。所有元素的平均風險指數(shù)與最大風險指數(shù)之間呈正比例關系,即平均風險指數(shù)最大,其對應的最大風險指數(shù)亦最大。

5種元素的平均風險指數(shù)和最大風險指數(shù)的最高點均位于7～10歲年齡段人群,其中Zn的平均風險指數(shù)和最大風險指數(shù)最高,風險指數(shù)范圍分別為1.36%(櫻桃)～22.64%(梨)和1.80%(櫻桃)～33.92%(梨);Se的平均風險指數(shù)和最大風險指數(shù)范圍分別為0.14%(蘋果)～0.45%(櫻桃)和0.37%(蘋果)～0.80%(櫻桃),在5種元素中最低。Mn和Fe兩種元素的最低點均位于14～17歲人群,其平均風險指數(shù)和最大風險指數(shù)范圍分別為1.40%(葡萄)～9.77%(草莓)和1.90%(葡萄)～18.64%(草莓)、1.46%(草莓)～6.95%(桃)和3.42%(草莓)～13.25%(桃);其它3種元素的最低點均位于14～50歲人群,其中Se的平均風險指數(shù)和最大風險指數(shù)最低,范圍分別為0.08%(蘋果)～0.26%(櫻桃)和0.21%(蘋果)～0.46%(櫻桃)。同時,從表9中可以看出,7～10歲兒童從草莓中攝入的Mn和從梨中攝入的Zn,其風險指數(shù)遠高于其它水果,雖然隨著年齡的增長,風險指數(shù)有所降低,但仍然高于其他5種水果,應給予重點關注。

表9 不同人群礦質(zhì)元素風險指數(shù)Table 9 The risk index of mineral elements in people of different ages

3 討論

不同礦質(zhì)元素在水果中的含量存在差異。唐文等[5]測定了上海地區(qū)20種水果中Cu、Cd、Pb、Zn、Se的含量,發(fā)現(xiàn)其存在明顯差異,水果中Cu含量最高為山竹,Cd含量最高為紅富士蘋果,Pb含量最高為紅富士蘋果,Zn含量最高為桃子,Se含量最高為橙子。匡立學等[6]對遼寧省蘋果、梨、桃和葡萄中的礦質(zhì)元素含量進行測定,10種元素的含量高低依次為K>P>Mg>Ca>Na>B>Fe>Cu>Mn>Zn,且之間以正相關為主。陳輝等[7]測定了北京地區(qū)桔子、香蕉、蘋果、葡萄、桃子、梨和李子中40種元素含量,發(fā)現(xiàn)不同水果中各元素含量無明顯規(guī)律。這些與本研究結(jié)果一致,水果中礦質(zhì)元素含量差異明顯,同一礦質(zhì)元素在不同水果中的含量也存在差異。

聶繼云等[8]測定了安徽、江蘇、河北、河南、遼寧、山東、陜西、新疆八個省份主產(chǎn)果品中的Se含量,發(fā)現(xiàn)富硒樣品比例為14.2%,棗中含量最高,蘋果含量最低,其余水果之間差異不明顯,有的省份之間水果Se含量存在明顯差異。而本研究尚未在北京地區(qū)發(fā)現(xiàn)富硒樣品,Se在水果中含量較低,且在水果之間差異不明顯。這是由于水果中的礦質(zhì)元素含量與果樹種類、土壤質(zhì)地、土肥水條件等因素有關。

根據(jù)中國營養(yǎng)學會制定的RNI/AI和UL,從人體膳食營養(yǎng)的角度對不同水果的礦質(zhì)元素進行評價。劉哲[12]分析了不同柑橘果實中12種礦質(zhì)元素的匹配度,各元素滿足人體需求的程度隨著年齡增長而持續(xù)降低,與本研究結(jié)果一致?？锪W等[6]和聶繼云等[8]對不同年齡段各類人群每日從水果中攝入礦質(zhì)元素的量進行風險評估,發(fā)現(xiàn)Cu的風險指數(shù)高于其它元素,但各類人群從水果中攝入礦質(zhì)元素的量是安全的。本研究中,Cu、Zn、Cr的攝入量占其RNI/AI的比值較高,且7～10歲兒童從草莓和梨中攝入Mn和Zn的風險指數(shù)較大,但所有元素風險指數(shù)遠小于100%,不會影響人體健康。

4 結(jié)論

本實驗采用ICP-MS法測定北京地區(qū)主產(chǎn)水果中的礦質(zhì)元素含量,9種元素平均含量由高到低依次為Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,各元素含量之間整體差異明顯,且離散程度較大。水果中均含有豐富的Mg,微量元素Zn、Fe、Mn、Cu的含量明顯高于Cr、Ni、Co、Se。通過對6種水果中元素含量的水平分析和水果之間的縱向比較,得到9種礦質(zhì)元素在水果中的含量狀況和排序規(guī)律,但尚未發(fā)現(xiàn)富硒樣品。

北京地區(qū)各類人群從水果中攝入的礦質(zhì)元素含量占其RNI/AI的比值均按年齡呈先降后升的趨勢,總體來看,Cr的攝入量最高,Se最低。所有年齡段人群每日食用足量的桃(水果推薦攝入量的上限),可攝入超過其AI標準的Cr,而每日食用足量的葡萄或蘋果,可攝入高于一半AI標準的Cr,此外,從水果中攝入Se的含量最高僅為2.23%的RNI標準,該兩種元素需要重點關注。

水果中礦質(zhì)元素滿足人體需求的程度隨著年齡增長而持續(xù)降低,雖然在18～50歲年齡段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10歲年齡段。其中,桃在各年齡段人群中的礦質(zhì)元素匹配度均為最高,其次為葡萄和梨,該水果滿足人體每日膳食礦物質(zhì)攝入需求的程度較高。雖然7～10歲兒童從草莓中攝入Mn和從梨中攝入Zn的風險指數(shù)較大,但所有元素風險指數(shù)遠小于100%,7～50歲各類人群從6種水果中攝入礦質(zhì)元素的量是安全的。