施氮對(duì)毛竹筍營(yíng)養(yǎng)成分的影響

張 晗，李 全，郭子武，呂建華，應(yīng)葉青，宋新章

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400）

氨基酸、維生素C、粗纖維、粗蛋白質(zhì)和可溶性糖是人體不可或缺的營(yíng)養(yǎng)成分，參與體內(nèi)重要的生命活動(dòng)和代謝過程，而礦質(zhì)元素是組成激素、維生素、蛋白質(zhì)和多種酶的重要組成部分[1]，在人體保健方面起著重要作用。竹筍作為中國(guó)的傳統(tǒng)佳肴，已有2 500多年的食用和栽培歷史，其味道鮮美、口感清脆、營(yíng)養(yǎng)豐富而深受人們喜愛，被譽(yù)為最受歡迎的五大保健食品之一。中國(guó)是世界上最大的竹筍生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，每年有大量的竹筍及其相關(guān)產(chǎn)品遠(yuǎn)銷海外。其中，毛竹Phyllostachys edulis筍產(chǎn)量居竹筍產(chǎn)量之首，含蛋白質(zhì)類、纖維類、糖類、多種礦質(zhì)元素和氨基酸等人體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，毛竹筍具有高纖維、高氮、高礦質(zhì)、低脂肪、低糖等營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)[2?4]，符合現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)飲食健康和食品質(zhì)量的追求，具有很好的市場(chǎng)前景。目前，竹筍品質(zhì)的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)[5?6]、存儲(chǔ)包裝方式[7?8]以及經(jīng)營(yíng)措施[9?10]對(duì)竹筍營(yíng)養(yǎng)成分的影響。其中，大量研究表明：施肥能顯著影響竹筍的產(chǎn)量[10?11]和筍體中的氨基酸、蛋白質(zhì)和脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量[9,12]。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，工業(yè)活動(dòng)的密集化，如化石燃料燃燒、氮肥施用、畜禽養(yǎng)殖等人為活動(dòng)的劇增，致使氮排放量不斷攀升，大氣中活性氮持續(xù)升高，氮沉降已從發(fā)達(dá)地區(qū)迅速發(fā)展到全球范圍，極大地干擾了氮循環(huán)[13]。中國(guó)的氮沉降情況愈加嚴(yán)重，僅次于歐洲和美國(guó)，為全球第三大氮沉降區(qū)[14]。中國(guó)亞熱帶地區(qū)的平均氮沉降量已達(dá)30.00 kg·hm?2·a?1[15]，最大氮沉降量已達(dá) 51.56 kg·hm?2·a?1，而且還有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)[16]。中國(guó)亞熱帶地區(qū)也是毛竹林的主要分布區(qū)，毛竹林面積達(dá)443萬hm2，約占全國(guó)竹林面積的70%，毛竹是該區(qū)域重要的森林資源和南方山區(qū)農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的重要來源[17]。目前研究表明：氮沉降對(duì)毛竹林的土壤酶活性[18]、毛竹葉片化學(xué)計(jì)量、養(yǎng)分重吸收及凋落葉養(yǎng)分歸還[19]等方面都有顯著影響，這些變化是否會(huì)影響竹筍營(yíng)養(yǎng)成分含量，進(jìn)而改變其品質(zhì)，尚未可知。為此，本研究以毛竹筍為研究對(duì)象，通過人工施氮模擬大氣氮沉降的方法，研究氮沉降對(duì)毛竹筍品質(zhì)的影響，以期為在日益增強(qiáng)的大氣氮沉降下毛竹筍可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供新的參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省杭州市臨安區(qū)青山湖街道青山筍材兩用毛竹林樣地(30°14′N，119°42′E)，該區(qū)處于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的北緣，雨水充足，氣候溫潤(rùn)，四季分明。年平均降水量1 420 mm，年平均氣溫15.6 ℃，最高和最低氣溫分別為41.7 ℃和?13.3 ℃。年均日照約1 847 h，年均無霜期約230 d。土壤類型屬于黃土壤，低山丘陵地貌，海拔100～300 m。研究地毛竹林采用集約經(jīng)營(yíng)模式，隔年采伐4 a以上的老竹，現(xiàn)存立竹主要是4齡竹(2016年)和2齡竹(2018年)。每年7?8月墾復(fù)除去林下的灌木和雜草，9月撒施450 kg·hm?2復(fù)合肥，施肥后翻耕30 cm，使之與表層土壤均勻混合。林地的林分和表層土壤(0～20 cm)初始特征見表1[20]。

表1 毛竹林分和表層土壤(0～20 cm)特征Table 1 Original characteristics of the Ph. edulis plantation and surface soil(0?20 cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用典型樣方法，在毛竹林內(nèi)設(shè)立9個(gè)20 m×20 m典型樣地，樣地之間設(shè)置20 m以上的緩沖間隔區(qū)。以中國(guó)亞熱帶地區(qū)平均大氣氮沉降量(30 kg·hm?2·a?1)和未來增加趨勢(shì)為依據(jù)[21]，設(shè)置3個(gè)氮沉降處理，分別為對(duì)照 (0 kg·hm?2·a?1，ck)、低氮 (30 kg·hm?2·a?1，N30)和高氮 (60 kg·hm?2·a?1，N60)，各處理重復(fù)3次。2013年1月至2019年4月，每月進(jìn)行模擬氮沉降處理，全年12次。處理方法為在10 L水中加入各樣地所需的相應(yīng)質(zhì)量的硝酸銨(NH4NO3)，采用電動(dòng)背式噴霧器將配好溶液均勻地噴灑在樣地上；對(duì)照組采用同樣的方法噴灑等質(zhì)量的水，以減少外加水因素帶來的誤差影響。

1.3 樣品的采集、處理和測(cè)定

于2019年4月在毛竹林樣地采挖大小適中，出土高度約3～5 cm的毛竹筍，要求其整體形態(tài)特征明顯、飽滿健壯、筍體完整，每個(gè)樣地各采集5個(gè)春筍，將筍籜上的泥土和雜物清理干凈，裝入放有冰袋的恒溫采集箱，帶回實(shí)驗(yàn)室用于分析檢測(cè)。將新鮮春筍去除掉筍殼和竹篼，選取其中可食的鮮嫩部分切成塊狀，采用四分法取樣，在(130±2) ℃的烘箱中殺青10 min后，放入(60±1) ℃干燥機(jī)中烘干，粉碎后過60目篩，放入干燥器中保存以供竹筍營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定。

氨基酸采用氨基酸分析儀測(cè)定[9]；維生素C用稀酸提取，高效液相色譜法測(cè)定[22]；粗纖維的測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 5009.10?2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》，采用酸堿洗滌法；粗蛋白質(zhì)采用凱氏定氮法測(cè)定[23]；可溶性糖采用硫酸苯酚法測(cè)定[24]；礦質(zhì)元素采用硝酸-高氯酸(HNO3-HClO4)濕法消化法，消化液用火焰原子吸收光譜法測(cè)定[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析不同氮沉降強(qiáng)度下毛竹筍中氨基酸、維生素C、粗纖維、粗蛋白質(zhì)、可溶性糖和礦質(zhì)元素差異；用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用Origin 2018作圖。所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛竹筍氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表2可知：氮沉降對(duì)毛竹鮮筍的總氨基酸、必需氨基酸和甜味氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有顯著提高作用(P＜0.05)，分別增加了45.03%～54.08%、33.66%～35.64%和96.50%～106.50%；而毛竹鮮筍的鮮味氨基酸、苦味氨基酸和芳香類氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在高氮下顯著增加了20.43%、15.83%和21.21%(P＜0.05)，低氮下顯著降低63.44%、11.15%和27.27%(P＜0.05)。同時(shí)，不同氮沉降水平下，毛竹鮮筍的必需、鮮味、甜味、苦味和芳香類氨基酸比例變化較大，氮沉降對(duì)毛竹鮮筍中氨基酸比例具有顯著影響(P＜0.05)。其中甜味氨基酸比例在氮添加下顯著增加34.02%～35.54%(P＜0.05)，而氮沉降對(duì)必需氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸和芳香類氨基酸比例均有顯著降低作用(P＜0.05)，分別降低7.84%～11.96%、21.92%～74.80%、24.79%～38.76%和21.30%～49.80%。

表2 不同氮沉降水平下毛竹筍不同類型氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比例Table 2 Contents and proportions of different types of amino acids under different nitrogen(N) deposition

2.2 毛竹筍營(yíng)養(yǎng)成分

氮沉降對(duì)毛竹筍營(yíng)養(yǎng)成分的影響顯著(圖1)。隨氮沉降增加，維生素C和粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均先下降而后升高，而粗纖維和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)則均呈先升高而下降趨勢(shì)，且各處理毛竹筍的粗蛋白質(zhì)、可溶性糖并無顯著差異(P＞0.05)。毛竹筍維生素C質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同處理間則差異顯著(P＜0.05)，而高氮沉降毛竹筍粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照并無顯著差異(P＞0.05)，且均顯著高于低氮沉降處理(P＜0.05)。

圖1 不同氮沉降水平下毛竹筍維生素C、粗纖維、粗蛋白質(zhì)和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Contents of vitamin C, crude fiber, crude protein and soluble sugar under different nitrogen (N) deposition

2.3 毛竹筍礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖2可知：毛竹筍不同礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，且對(duì)氮沉降的響應(yīng)不同。其中：鉀最高，硒最低。氮沉降對(duì)鉀和鋅無顯著影響(P＞0.05)，但卻顯著提高了硒(83.15%～100.33%)、鐵(69.57%～77.91%)和鈉(26.22%～28.16%)(P＜0.05)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著降低了銅(18.19%～24.72%)(P＜0.05)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，錳、鈣和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低氮處理下顯著增加(P＜0.05)，在高氮處理下顯著降低(P＜0.05)。與對(duì)照相比，在低氮處理下錳、鈣和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著提高(P＜0.05)，分別提高61.67%、17.45%和10.08%，而高氮處理下錳和鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低14.22%、30.32%。

圖2 不同氮沉降水平下毛竹筍礦質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Contents of mineral elements under different nitrogen (N) deposition

3 討論

3.1 氮沉降對(duì)毛竹筍氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

本研究毛竹筍中共檢測(cè)出18種氨基酸，其中賴氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)、蛋氨酸(Met)、蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)和纈氨酸(Val)為人體必需氨基酸。氮沉降顯著提高毛竹筍中總氨基酸和必需氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與施肥[9,26]和施氮肥[26]的研究效果相同。

環(huán)境因素會(huì)影響竹筍中總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中對(duì)氨基酸影響最大的因素為氮素供應(yīng)水平[27]。氮素是植物體內(nèi)氨同化和氨基酸合成的重要來源，是植物生理生化過程的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[28]。土壤中的氮元素增加，為植物體合成氨基酸提供了豐富的氮源[9]。因此，氮沉降增加了毛竹筍中總氨基酸和必需氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠促進(jìn)人體氨基酸平衡，減少因氨基酸失衡所造成的代謝紊亂、機(jī)體抵抗力下降等問題[29]。此外，氨基酸種類、含量和比例對(duì)竹筍中蛋白質(zhì)種類和含量有一定影響，從而影響竹筍的品質(zhì)[30]。

其中，鮮味氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)和芳香類氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)[31]質(zhì)量分?jǐn)?shù)在高氮處理下顯著增加，說明過量氮沉降能提高毛竹筍的鮮味，使得竹筍的食用風(fēng)味更好?？辔栋被?纈氨酸、異亮氨基酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸)[31]質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比例在低氮下顯著降低，而甜味氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、絲氨酸)[31]質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比例在氮沉降下顯著增加，表明適度的氮沉降有利于降低竹筍的苦澀味，增加甜味，從而提升其口感。

3.2 氮沉降對(duì)毛竹筍營(yíng)養(yǎng)成分的影響

維生素C在增強(qiáng)體液免疫和細(xì)胞免疫方面具有顯著功效，還能用來預(yù)防感冒、延緩衰老和防治冠心病等[29]；粗纖維是影響竹筍食用口感的重要指標(biāo)，在改善腸胃功能、降低血糖和膽固醇含量、防治腸癌和高脂血癥等方面也具有重要作用[9]；蛋白質(zhì)在竹筍干物質(zhì)組成中含量較高，同時(shí)也是生物體的主要組成部分和人體必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[32]；可溶性總糖是評(píng)價(jià)竹筍品質(zhì)的重要指標(biāo)[33]，也是人體能源物質(zhì)的重要組成部分。

氮增加不僅有利于蔬菜、作物植株的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)提高果實(shí)產(chǎn)量、可溶性糖和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分、降低硝酸鹽積累具有重要作用，從而改善植株的品質(zhì)[24]。而土壤中氮素供應(yīng)過高時(shí)，在硝化細(xì)菌的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化成硝酸根離子被蔬菜、作物等吸收。在植物體內(nèi)積累過量硝酸鹽，會(huì)對(duì)植物自身生長(zhǎng)造成危害或品質(zhì)下降，人們食用后也會(huì)對(duì)健康造成潛在的危害[34]。

本研究發(fā)現(xiàn)：氮沉降促進(jìn)了粗纖維和可溶性糖的積累，但降低了維生素C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氮沉降下竹筍中粗纖維增加，與施肥促進(jìn)粗纖維積累的研究結(jié)果相同[9]。膳食纖維作為“第七類營(yíng)養(yǎng)素”，具有提高人體耐糖程度，降低膽固醇和刺激腸胃蠕動(dòng)的作用[35?36]。氮沉降增加膳食纖維有助于改善竹筍品質(zhì)。施肥促進(jìn)竹筍中總糖的提高[37]，其原因可能是竹子的光合作用因氮增加而增強(qiáng)，從而增加了運(yùn)往筍體的糖分，使得筍體內(nèi)的總糖提高[26]。氮沉降使竹筍中維生素C總體下降，但高氮下維生素C較低氮相比呈顯著提高。其原因可能是，氮沉降使土壤中銨態(tài)氮硝態(tài)氮離子顯著提高，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤中離子失衡，使得硫酸根離子、氯離子(Cl?)、磷酸一氫根離子積累，從而對(duì)竹筍維生素C的合成產(chǎn)生了一定的抑制作用，這與部分蔬菜的研究結(jié)果一致[38]。而離子濃度過高時(shí)，植物細(xì)胞離子通道會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，相關(guān)離子通道開放比率下降[39]。隨著氮沉降水平的提高，土壤中等離子濃度增加可能會(huì)使毛竹根系吸收這些離子的通道開放比率下降，從而降低其對(duì)竹筍中維生素C的抑制，故高氮下維生素C較低氮顯著提高。

3.3 氮沉降對(duì)毛竹筍礦質(zhì)元素的影響

毛竹筍中這些元素含量之間存在明顯差異，且對(duì)氮增加的響應(yīng)不同，而人體中元素的缺乏和過量可導(dǎo)致多種疾病。氮沉降顯著提高了硒、鐵和鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著降低了銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)；錳、鈣和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低氮下增加，在高氮下降低。硒的缺乏會(huì)造成克山病和大骨節(jié)病，而氮沉降提高毛竹筍中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這使得人們通過食用同等質(zhì)量毛竹筍攝入的硒更多，降低了患克山病和大骨節(jié)病的可能性；鐵是造血元素，其含量的提高有助于食用者減少貧血、免疫力低、無力、頭痛等問題[40]；鈉元素缺乏會(huì)使人出現(xiàn)惡心、食欲不振、心率加快、肌肉痙攣等反應(yīng)[40]，氮沉降對(duì)其含量的提高，有利于人體健康；成人每日可耐受銅的最高攝入量為8.0 mg·d?1[29]。本研究發(fā)現(xiàn)：氮沉降顯著降低了毛竹筍中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因而可以降低銅過量所引起的黃疸肝炎、肝硬化、腸胃炎、癌癥、Wilson病等疾病可能性[40]。氮沉降會(huì)影響土壤養(yǎng)分，同時(shí)影響土壤中鈣離子、鎂離子、鈉離子和鉀離子等鹽基離子[41]。竹筍中不同礦質(zhì)元素的變化可能與此相關(guān)，從而影響筍體內(nèi)礦質(zhì)元素含量，而元素間存在拮抗作用，所以不同礦質(zhì)元素變化不同。

4 結(jié)論

氮沉降顯著增加了毛竹筍中總氨基酸、必需氨基酸、甜味氨基酸、粗纖維、硒、鐵和鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著降低了銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明氮沉降提高毛竹筍的部分營(yíng)養(yǎng)成分，可在一定程度上促進(jìn)毛竹筍口感和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的改善，有利于人體保健。