富硒對大棗中多種微量元素的生物脅迫作用研究

李華為，丁昱嬋，朱盛琦，尤亞倫，郭博涵，鐵梅，*

（1.沈陽師范大學化學化工學院，遼寧沈陽110034；2.遼寧大學環(huán)境學院，遼寧沈陽110036）

硒（Se）是人和動物體內(nèi)所必需的微量元素，具有清除自由基、抗癌、保護肝臟、防衰老、增強免疫等生物學功能[1-5]。缺硒會嚴重影響人類和動物的健康，導致克山病和大骨節(jié)病等多種疾病的發(fā)生，因此科學合理地補硒變得尤為重要[6]。人體硒的主要來源是食物，其中富硒農(nóng)作物是人體獲取硒元素的重要途徑之一[7]。硒元素能夠以硒酸鹽或亞硒酸鹽的形式被植物吸收，并在葉綠體中代謝轉(zhuǎn)化為有機硒代氨基酸及其衍生物，以便被人體吸收[8]。

棗屬隸屬鼠李科，是本草上品和傳統(tǒng)滋補佳品，素以營養(yǎng)豐富著稱[9]。棗果中環(huán)核苷酸、維生素C、功能性糖、鐵、鉀、鈣、鋅等重要營養(yǎng)成分含量均居百果前茅，開發(fā)高營養(yǎng)健康食品前景廣闊[10]。植物化學研究表明，棗具有抗氧化作用，主要歸因于天然抗氧化劑——酚酸、類黃酮、花青素、維生素和環(huán)核苷的活性[11-12]。富硒棗的研究多限于生產(chǎn)富硒棗適宜的處理量及抗氧化性的探討，對于硒對富硒大棗中多種微量元素的生物脅迫作用研究較少。

目前，硒的測定有原子熒光光譜法、紫外-可見分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等多種方法[13-15]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）以等離子體作為離子源，通過質(zhì)譜進行分析的方法，該技術的優(yōu)點是操作較為簡單、靈敏度更高、選擇性更好并且可以多元素同時測定[16-17]。微波消解具有所用試劑少，樣品分解得更快更徹底，同時密閉消解能避免元素的損失使測定更加準確的優(yōu)點[18-19]。因此，本文采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術探究硒對富硒大棗中多種微量元素的生物脅迫作用，為富硒棗的生產(chǎn)及開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

硝酸（優(yōu)級純）、鹽酸（優(yōu)級純）：科瑞峰公司；環(huán)境混合元素標準儲存溶液為1 000 mg/L Fe、Ca和10 mg/L Zn、Mn、Cu、V、Mo、Co、Pb、As、Cd、Hg、Se 的混合標準溶液、1 μg/L 內(nèi)標液由 10 μg/L 的 Rh、Sc、Lu、In：Agilent公司。

1.2 主要儀器與設備

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（7900型ICP-MS）：美國安捷倫公司；微波消解儀（MD8H）：奧普樂儀器有限公司；分析天平（FA2204B）：上海儀田精密科學儀器有限公司；超低溫冰箱（MDF-U4086S）：日本三洋公司；冷凍干燥機（SCIENTZ-30F）：寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 富硒大棗的培養(yǎng)

將種植的大棗分別在坐果期和果實著色期對其注射外源硒（亞硒酸鈉），施硒量分別為0、50、100、150、200、250、300 mg/kg。每個施硒量棗樹為 10 棵，行距 8 m～12 m，株距 4 m～6 m，5 224 棵/hm2～5 970 棵/hm2。通過植物吸收轉(zhuǎn)化到大棗中來達到富集硒的目的，其中施硒量為0 mg/kg的作為空白組。待果實成熟后，采摘大棗并用大量清水沖洗干凈，再用去離子水沖洗多次。將洗凈后的相同量梯度的大棗混勻，置于-84℃的超低溫冰箱中冰凍，再經(jīng)過冷凍干燥處理，使其去除水分。最后將干燥后的大棗打磨成粉末，放置于干燥器中待用。

1.4 富硒大棗的處理

準確稱取0.1 g富硒大棗粉于聚四氟乙烯消解罐中并加入5 mL優(yōu)級純HNO3，擰緊消解罐蓋并將其放入微波消解儀中進行消解，按表1中的方法消解，結(jié)束后趕酸，當趕酸至溶液體積在1 mL～2 mL且澄清透明時靜置，待溶液冷卻后定容至25 mL，4℃保存待上機檢測。每份富硒大棗樣品做兩份平行樣。樣品微波消解程序見表1。

表1 樣品微波消解程序Table 1 Sample microwave digestion procedure

1.5 ICP-MS工作條件

ICP-MS工作條件見表2。

表2 ICP-MS工作條件Table 2 ICP-MS working conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 標準曲線與方法的檢出限

試驗方法的標準曲線與方法的檢出限（detection limit，DL）與相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）如表3所示。

表3 線性范圍、相關系數(shù)及檢出限Table 3 Correlation coefficient of linear range and detection limit

2.2 施硒量對大棗中硒含量的影響

施硒量對大棗中硒含量的影響見圖1。

圖1 施硒量對大棗中硒含量的影響Fig.1 Effect of selenium application on selenium content in jujube

由圖1可知，施硒量為0 mg/kg時，硒含量為0.113 4 mg/kg。隨著施硒量的增加，富硒大棗中的硒含量也逐漸升高，并在施硒量處于250 mg/kg時達到最大值0.557 7 mg/kg，較空白組提高了3.92倍。但當施硒量達到250 mg/kg以上，隨著施硒量的增加，大棗中的硒含量反而下降。說明施硒量過高會抑制大棗對硒元素的吸收。因此，在大棗富硒時，要選擇合適的施硒量。施硒量過低達不到良好的效果，施硒量過高會抑制富硒效果。

2.3 施硒量對大棗中營養(yǎng)元素錳、鋅、銅含量的影響

施硒量對大棗中錳、鋅、銅含量的影響見圖2。

圖2 施硒量對大棗中錳、鋅、銅含量的影響Fig.2 Effect of selenium application on manganese，zinc and copper content in jujube

錳、鋅和銅元素都是人體所必需的微量元素。錳是人體內(nèi)多種酶的成分，在細胞代謝中起重要作用，與人體健康關系十分密切，缺錳會導致嬰兒骨骼畸形；鋅對促進機體生長發(fā)育、維持人體正常食欲、調(diào)節(jié)機體免疫具有重要作用，攝入不足會導致發(fā)育遲緩甚至影響智力發(fā)育；銅是人體內(nèi)含量位居第二的必需微量元素，缺銅會引起貧血、毛發(fā)異常、骨和動脈異常以至腦障礙。從圖2可以看出，施硒量為0 mg/kg時，富硒大棗中錳、鋅和銅元素的含量分別為0.045 2、0.058 3、0.062 4 mg/kg，隨著施硒量的增加3種元素的含量整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當施硒量處于200 mg/kg時，錳和鋅的含量達到最大，分別為0.184 5 mg/kg和0.145 9 mg/kg，較空白組增加了3.08、1.50倍；而銅含量在施硒量為50 mg/kg時達到最大為0.084 6 mg/kg，較空白組增加了36%。當施硒量繼續(xù)增加，二者的含量反而降低。說明施硒量過高會對大棗產(chǎn)生毒害作用，并通過拮抗作用抑制大棗對錳、鋅和銅3種元素的吸收，從而造成這些元素的流失。所以，低含量硒對錳、鋅和銅3種元素均具有協(xié)同作用，而高含量硒對它們有拮抗作用。

2.4 施硒量對大棗中營養(yǎng)元素鈣、鐵含量的影響

施硒量對大棗中鈣、鐵含量的影響見圖3。

圖3 施硒量對大棗中鈣、鐵含量的影響Fig.3 Effect of selenium application on the content of calcium and iron in jujube

鈣對人體神經(jīng)系統(tǒng)和細胞膜結(jié)構(gòu)完整及多種酶的結(jié)合有十分重要的作用，缺鈣會患軟骨病[20]。從圖3可以看出，富硒大棗中鈣含量隨著施硒量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。當施硒量為0 mg/kg時，鈣的含量達到1.352 mg/kg，而當施硒量處于250 mg/kg時，鈣的含量達到峰值3.092mg/kg，較空白組增加了1.29倍。說明此含量硒對鈣的促進作用最大，而當施硒量繼續(xù)增加，鈣含量反而降低。因為在植物體內(nèi)，鈣能維持植物細胞膜的完整性，而高含量硒會降低植物細胞膜的選擇透過性，損傷植物質(zhì)膜的完整性。所以低含量硒對鈣元素有協(xié)同作用，而高含量硒對鈣元素有拮抗作用。

鐵是人體不可缺少的微量元素，參與體內(nèi)氧的運轉(zhuǎn)、交換和組織呼吸過程，維持機體正常造血功能，缺鐵會貧血[21]。由圖3可知，當施硒量處于0 mg/kg時，鐵的含量為1.231 mg/kg，隨著施硒量的增加，硒對大棗中鐵元素的整體增長幅度雖沒有鈣元素明顯，但在施硒量為100mg/kg時鐵含量出現(xiàn)峰值，達到1.833 mg/kg，較空白組增加了49%。鐵元素是輔酶的組成部分，可通過電子傳遞，催化植物體一系列的氧化還原反應，而硒是這些酶的活性中心。所以，低含量硒對鐵元素的吸收具有協(xié)同作用。

2.5 施硒量對大棗中營養(yǎng)元素鉬、釩、鈷含量的影響

施硒量對大棗中鉬、釩、鈷含量的影響見圖4。

圖4 施硒量對大棗中鉬、釩、鈷含量的影響Fig.4 Effect of selenium application on vanadium，molybdenum and cobalt content in jujube

鉬是多種酶的重要構(gòu)成要素，參與人體內(nèi)鐵的利用，可以預防貧血，促進發(fā)育，維持心肌能量代謝和人體免疫功能，防止齲齒、腎結(jié)石和癌癥等，鉬不足可表現(xiàn)為生長發(fā)育遲緩甚至死亡。由圖4可知，隨著施硒量的增加，富硒大棗中鉬急劇增加。當施硒量為0 mg/kg時，鉬的含量為0.287 4 μg/kg，而當施硒量增加到50 mg/kg時，硒對鉬元素的協(xié)同作用最大，達到0.623 7 μg/kg，較空白組增加了1.17倍，之后隨著施硒量的增加，鉬的含量變化不明顯。因為鉬與植物體內(nèi)的氧化酶活性有關，而硒是這些酶的活性位點，所以鉬和硒兩種微量元素具有一定的協(xié)同關系。

釩是人體的重要微量元素，對機體的生長發(fā)育、心血管、腎臟、代謝均具有重要的影響。由圖4可知，當施硒量處于0 mg/kg時，釩的含量達到0.133 2 μg/kg，隨著施硒量的增加，富硒大棗中的釩元素呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，當施硒量達到200 mg/kg時達到峰值0.264 4 μg/kg，較空白組提高了約98%。因為釩能促進植物細胞中葡萄糖的轉(zhuǎn)運、氧化及糖原的合成，低量硒對糖的抗氧化作用沒有高量硒明顯，所以低量硒對釩具有明顯的協(xié)同作用。

鈷是維生素B12的重要組成部分，對蛋白質(zhì)的新陳代謝、部分酶的合成、鐵在人體內(nèi)的儲存以及腸道對鐵和鋅的吸收均具有促進作用。鈷的缺乏會直接影響到維生素B12生理功能的發(fā)揮，易導致人體出現(xiàn)貧血癥、老年癡呆癥、性功能障礙以及心血管等疾病。由圖4可知，當施硒量處于0mg/kg時，鈷的含量為0.0423μg/kg，隨著施硒量的增加，富硒大棗中的鈷元素呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，當施硒量達到150 mg/kg時達到峰值0.074 3 μg/kg，較對照組增加了0.43倍。由于鈷能影響植物的光合作用，而適量硒能增加葉綠體的數(shù)量，所以施加一定含量的硒能增加富硒大棗中鈷的含量，具有明顯的協(xié)同作用。

2.6 施硒量對大棗中重金屬元素砷、鎘含量的影響

施硒量對大棗中砷、鎘含量的影響見圖5。

圖5 施硒量對大棗中砷、鎘含量的影響Fig.5 Effect of selenium application on arsenic and cadmium content in jujube

鎘不是人體的必需元素，長期吸入鎘可產(chǎn)生慢性中毒，引起腎臟損害；砷為原生質(zhì)毒，過量能使人體細胞壞死，甚至引起死亡。從圖5可得，富硒大棗中鎘和砷的含量隨著施硒量的增加而顯著變化。當施硒量處于0 mg/kg時，砷和鎘的含量分別為1.675 μg/kg和0.891 5 μg/kg，隨著施硒量的增加，富硒大棗中鎘和砷的含量，呈先下降后增加的趨勢。當施硒量處于150 mg/kg時，砷的含量為 0.494 0 μg/kg，較空白組降低了70.51%。硒對鎘的拮抗峰值發(fā)生在100 mg/kg，鎘的含量為0.374 2 μg/kg，較空白組降低了58.02%。因為硒能清除由于重金屬（砷和鎘）產(chǎn)生的過多自由基，降低其對細胞膜系統(tǒng)造成的細胞膜脂過氧化現(xiàn)象，從而減少對重金屬離子的吸收和積累，所以硒對砷和鎘兩種元素均有拮抗作用，其中硒對砷的拮抗作用更加明顯。

2.7 施硒量對大棗中重金屬元素汞、鉛含量的影響

施硒量對大棗中汞、鉛含量的影響見圖6。

汞是一種有毒元素，會使人體神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)、對腎臟、造血系統(tǒng)、肝臟構(gòu)成威脅，甚至造成不孕不育。由圖6可知，當施硒量處于0 mg/kg時，汞的含量為11.45 μg/kg，隨著施硒量的增加，富硒大棗中汞元素含量急劇下降直至趨于平緩，汞含量降至0.15 μg/kg，較空白組降低了98.69%。

圖6 施硒量對大棗中汞、鉛含量的影響Fig.6 Effect of selenium application on mercury and lead content in jujube

鉛是對人體危害極大的一種重金屬元素，它對神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼造血功能、消化系統(tǒng)、男性生殖系統(tǒng)等均有危害。從圖6可以看出，當施硒量處于0 mg/kg時，鉛的含量為 10.97 μg/kg，隨著施硒量的增加，富硒大棗中鉛的分布趨勢先降低后升高。當施硒量處于150 mg/kg時出現(xiàn)最低值為4.529 μg/kg，較空白組降低了58.71%。而后隨著施硒量繼續(xù)增加，鉛元素的含量也相應增加，但其含量一直在10 μg/kg以內(nèi)，符合食品安全規(guī)定。一方面外源硒可以調(diào)節(jié)植物細胞中的谷胱甘肽過氧化物酶，促進植物對重金屬元素的螯合作用，從而減少植物對重金屬離子的吸收與積累；另一方面，適量硒能增加葉綠素的含量，促進光合作用，減少重金屬誘導產(chǎn)生的生長抑制因子，提高植物抵抗重金屬元素的能力，所以硒的存在可以預防重金屬元素（如汞，鉛等）引起的毒害，對其產(chǎn)生拮抗作用。

3 結(jié)論

通過ICP-MS對富硒大棗中的微量元素進行定量分析。結(jié)果表明，不同元素在外源硒的作用下表現(xiàn)出不同的趨勢：隨著施硒量的逐漸增加，硒對鋅、錳、銅、鈣、鐵、釩、鉬、鈷元素具有明顯協(xié)同作用，其中銅元素于施硒量為50 mg/kg時達到峰值0.084 6 mg/kg，較空白組增加了36%；鐵元素于施硒量為100 mg/kg時達到峰值1.833 mg/kg，較空白組增加了49%；鈷元素于施硒量為150 mg/kg時達到峰值0.074 3 μg/kg，較空白組增加了43%；錳、鋅、釩元素于施硒量為200 mg/kg時達到峰值分別為 0.1845、0.1459mg/kg和 0.264 4 μg/kg，較空白組分別提高了3.08、1.50、0.98倍；鈣和鉬于施硒量為250 mg/kg時達到峰值分別為3.092 mg/kg和0.706 5 μg/kg。硒對重金屬元素砷、鎘、汞、鉛具有顯著的拮抗作用，其中砷和鉛于施硒量為150 mg/kg時拮抗作用最好，較空白組分別降低了70.51%和58.71%。當施硒量為50 mg/kg時，硒對汞的拮抗作用達到最大，達到98.69%。因此，外源硒除能有效補充硒元素外，還能協(xié)同植物體對各種營養(yǎng)元素的吸收，并且能夠拮抗通過食物鏈積累對人體有害的重金屬元素。試驗結(jié)果表明，富硒農(nóng)作物的種植對食品的安全性和人體的硒補充具有重要指導意義。