杜小平 劉喬斐 夏曾潤 賀 博 卜賢盼 祁 蒙 唐德劍,* 佘婷婷
(1 安康市富硒產(chǎn)品研發(fā)中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部富硒產(chǎn)品開發(fā)與質(zhì)量控制重點實驗室/富硒食品開發(fā)國家地方聯(lián)合工程實驗室,陜西 安康 725000;2 安康學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院,陜西 安康 725000)
硒是人和動物必需的微量元素之一,具有抗氧化、增強(qiáng)免疫力等重要功能[1-2]。中國營養(yǎng)學(xué)會規(guī)定成人每天硒平均需要量為50 μg,推薦攝入量為60 μg,最高攝入量為400 μg,生理需要量為40 μg[3]。研究表明,人體硒攝入量長期低于50 μg·d-1易引起生育力下降、克山病、大骨節(jié)病等一系列健康問題[4]。硒在維持人體健康中具有重要作用,但人體自身不能合成該元素,需要通過飲食獲得[5]。因此,攝入食物的含硒量直接影響人體硒營養(yǎng)水平[6]。
中國是世界上缺硒程度最嚴(yán)重的國家之一[7-8]。前人研究表明,我國有72%的地區(qū)土壤硒含量低于國際公布的正常臨界值(0.10 mg·kg-1),屬于缺硒或低硒地區(qū),其中硒含量≤ 0.02 mg·kg-1的地區(qū)占29%[9]。成年人硒攝入量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,我國除高硒區(qū)外的大部分地區(qū),成人日硒攝入量均顯著低于中國居民硒推薦攝入量(60 μg·d-1),存在顯著的硒“隱形饑餓”問題[10]。對于低硒或缺硒地區(qū)的居民,僅依靠普通飲食攝入硒遠(yuǎn)不能滿足人體的正常硒需求。與有機(jī)硒相比,無機(jī)硒毒性高、吸收利用率低,直接將無機(jī)硒作為硒源具有較大的潛在風(fēng)險。而經(jīng)過植物富集轉(zhuǎn)化的硒蛋白、硒多糖、硒核酸及硒酶等有機(jī)形態(tài)硒生物活性強(qiáng),安全無副作用,是最為經(jīng)濟(jì)、安全、有效的補(bǔ)硒途徑[11-12]。因此,通過外源硒強(qiáng)化技術(shù)提高作物可食部位硒含量,尤其是有機(jī)硒含量,是解決缺硒地區(qū)居民硒攝入量不足有效又安全的措施[13-14]。
植物硒含量因種類和品種不同而有較大差異[15-16]。研究表明,十字花科、豆科和百合科植物富集硒的能力大于禾本科、菊科和傘形科[17]。黑豆為豆科植物大豆[Glycinemax(L.)merr.]的黑色種子,富含蛋白質(zhì)、脂肪酸等營養(yǎng)成分和花色苷、異黃酮等生物活性物質(zhì),具有較高的食用價值和藥用價值,是典型的藥食同源食物[18-19]。同時,黑豆是一種聚硒能力較強(qiáng)的作物,可作為硒尤其是有機(jī)硒的載體。通過外源硒強(qiáng)化技術(shù)可使黑豆成為一種理想的補(bǔ)硒食物[20]。由于施用于土壤中的硒容易被固定、利用率低且易帶來環(huán)境污染風(fēng)險,因此,本試驗通過田間葉面噴施亞硒酸鈉(Na2SeO3)溶液,分析不同濃度亞硒酸鈉處理對黑豆各器官總硒含量、黑豆籽粒有機(jī)硒轉(zhuǎn)化效率和營養(yǎng)品質(zhì)的影響,旨在探究適宜的亞硒酸鈉濃度,以期為外源硒強(qiáng)化生產(chǎn)富硒黑豆、提高人體硒的攝入量提供理論依據(jù)。
試驗于2019年5月至10月在紫陽縣洄水鎮(zhèn)試驗基地進(jìn)行。供試土壤類型為黃棕壤,以多點取樣法采集試驗基地0~20 cm土層土壤,自然風(fēng)干、研磨過5 mm篩后參照鮑士旦[21]的方法測定土壤基本理化性質(zhì),結(jié)果為:土壤pH值5.71,有機(jī)質(zhì)含量2.45 g·kg-1,銨態(tài)氮含量5.34 mg·kg-1,速效磷含量14.28 mg·kg-1,速效鉀含量169.20 mg·kg-1,總硒含量0.92 mg·kg-1,有效硒含量0.03 mg·kg-1。供試黑豆品種為安康小粒黑豆,購于安康漢陰華曄植物藥業(yè)有限公司。亞硒酸鈉購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑(上海)有限公司,含量≥97%。
試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,共設(shè)置0、6、12、18和24 mg·m-2(以硒元素計)5個硒處理,分別記作CK、Se6、Se12、Se18和Se24,供試硒源為亞硒酸鈉水溶液。每個處理設(shè)置3個重復(fù),每個小區(qū)面積為6 m2(2 m×3 m),各個小區(qū)之間設(shè)置寬度為1 m的隔離帶。種植行、株距分別為35、25 cm,田間管理措施參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣模式。各硒處理在黑豆結(jié)莢興盛期一次性兌水噴施,每平方米噴水45 g(CK組噴施清水做對照),選擇在無雨且光照強(qiáng)度較弱的時間段均勻噴施。在黑豆成熟后分小區(qū)一次性收割采樣。用清水沖洗3次,蒸餾水沖洗3次,于55~60℃烘干至恒重,粉碎過60目篩后干燥保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.1 土壤及植物總硒含量的測定 土壤與植物總硒含量的測定采用氫化物原子熒光光譜法[22-23]。土壤樣品加入9 mL混酸(HNO3-HCl-HF,體積比為6∶2∶1)于130℃預(yù)消解30 min,植物樣品加入8 mL HNO3于70℃預(yù)消解30 min,再加入2 mL H2O2于130℃預(yù)消解30 min,冷卻至室溫后用MARS6高通量密閉微波消解系統(tǒng)(美國CEM公司)進(jìn)行微波消解30 min,130℃趕酸至1 mL,加入5 mL 6 mol·L-1的HCl,130℃反應(yīng)2 h將六價硒還原為四價硒,定容至25 mL,使用AFS-6500原子熒光光度計(北京海光儀器有限公司)測定總硒含量。
1.3.2 土壤有效硒含量的測定 參照《NY/T 3420-2019 土壤有效硒的測定 氫化物發(fā)生原子熒光光譜法》[24]測定土壤有效硒含量。
1.3.3 無機(jī)硒含量的測定 準(zhǔn)確稱取黑豆粉樣品2 g(精確至0.000 1 g)于50 mL比色管中,加入15 mL 6 mol·L-1的HCl,混勻后在SHZ-C恒溫振蕩器(上海博訊實業(yè)有限公司)上于70℃、200 r·min-1條件下振蕩浸提2 h,超聲抽提30 min,沸水浴20 min,5 000 r·min-1離心15 min,取上清液。剩余溶液再加8 mL 6 mol·L-1鹽酸溶液,重復(fù)離心,合并上清液定容至25 mL。取上清液用環(huán)己烷萃取,分出水相并蒸發(fā)掉大部分水后,按植物總硒檢測方法測定無機(jī)硒的含量[24]。
1.3.4 有機(jī)硒含量的測定 采用差減法測定有機(jī)硒含量[25]。有機(jī)硒含量和有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率計算公式如下:
有機(jī)硒含量=總硒含量-無機(jī)硒含量;
有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率=(有機(jī)硒/總硒)×100%。
1.3.5 黑豆籽粒品質(zhì)的測定 黑豆籽粒中蛋白質(zhì)含量參照《GB 5009.5-2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》[26]中的第一法凱氏定氮法測定;脂肪含量參照《GB 5009.6-2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》[27]中的第一法索氏抽提法測定。
1.3.6 黑豆籽粒分離蛋白的提取 稱取20 g黑豆粉樣品,參照索氏抽提法[27],按一定比例加入石油醚(固液比為1∶6),獲得脫脂黑豆粉。再加入200 mL去離子水(固液比為1∶10),用30% NaOH調(diào)節(jié)pH值至8.0,40℃低速攪拌2 h,4 800 r·min-1離心20 min,殘渣添加100 mL去離子水(固液比為1∶4),用30% NaOH調(diào)節(jié)pH值至8.4,40℃低速攪拌2 h,合并上清液。用30% HCl調(diào)節(jié)pH值至4.5,4 800 r·min-1離心20 min,棄上清液,沉淀用蒸餾水洗滌3次,用30% NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.0,真空冷凍干燥,得到黑豆分離蛋白。
1.3.7 黑豆籽粒分離蛋白硒含量和脂肪硒含量的測定 稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)分離蛋白和脂肪樣品于微波消解罐中,加入8 mL HNO3于70℃預(yù)消解30 min,冷卻至室溫后再加入2 mL H2O2于130℃預(yù)消解30 min,置入MARS6高通量密閉微波消解系統(tǒng)(美國CEM公司)中微波消化。硒含量測定方法參照植物總硒含量的測定。
試驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(means±SD)表示,采用OriginPro 2016軟件進(jìn)行圖形繪制,SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,運用Duncan法進(jìn)行多重比較、差異顯著性檢驗。
由表1可知,不同處理對黑豆單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量有一定影響,但各處理間黑豆單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)和產(chǎn)量均無顯著差異(P>0.05)。其中,Se6、Se12、Se18和Se24單株莢數(shù)較CK分別增加1.93%、10.54%、13.53%和7.73%,百粒質(zhì)量較CK分別增加0.27%、0.38%、3.75%和0.43%,產(chǎn)量較CK分別增加2.20%、10.93%、12.66%和8.20%。表明適宜亞硒酸鈉濃度處理對黑豆產(chǎn)量具有促進(jìn)作用,但濃度過高會導(dǎo)致增產(chǎn)效果減弱。
表1 葉面噴施亞硒酸鈉對黑豆產(chǎn)量性狀的影響
由表2可知,與CK相比,隨著亞硒酸鈉噴施濃度的增加,黑豆根、莖、莢和籽粒中硒含量均顯著增加(P<0.05)。葉面噴施24 mg·m-2亞硒酸鈉(Se24)時,黑豆根、莖、莢和籽粒硒含量達(dá)到最高,分別較CK增加了8.74、8.37、9.85和65.21倍。在CK處理下,黑豆各器官硒含量呈現(xiàn)出莢>根>莖>籽粒的特點,亞硒酸鈉處理后,黑豆各器官硒含量快速增加,籽粒中硒含量最高,根和莢次之。表明葉面噴施亞硒酸鈉后,更大比重的硒被葉片吸收后轉(zhuǎn)移至籽粒和莢中。
表2 葉面噴施亞硒酸鈉對黑豆各器官硒含量的影響
由圖1可知,噴施亞硒酸鈉后,黑豆籽粒中有機(jī)硒和無機(jī)硒含量均隨噴施濃度的增加顯著增加(P<0.05)。與CK相比,Se6、Se12、Se18和Se24處理黑豆籽粒有機(jī)硒含量分別顯著增加15.44、21.17、25.38和29.33倍(P<0.05),無機(jī)硒含量分別顯著增加48.26、155.38、292.60和462.93倍(P<0.05)。有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率隨噴施濃度的增加而降低,在施硒濃度為24 mg·m-2時達(dá)到最低,為52.43%。可見,葉面噴施亞硒酸鈉(6~24 mg·m-2)可顯著提高黑豆籽粒中有機(jī)硒和無機(jī)硒含量,但有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率隨噴施濃度的增加而降低。
注:不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同處理間差異顯著(P<0.05)。
由圖2可知,與CK相比,葉面噴施亞硒酸鈉整體增加了黑豆籽粒蛋白質(zhì)和脂肪含量,其中Se6、Se18和Se24處理的蛋白質(zhì)含量較CK差異顯著(P<0.05)。施硒量為24 mg·m-2時,黑豆籽粒蛋白質(zhì)含量最高,達(dá)到40.08%,較CK增加了2.4個百分點。黑豆籽粒脂肪含量在亞硒酸鈉處理間增加不顯著。上述結(jié)果表明葉面噴施亞硒酸鈉可提高黑豆籽粒蛋白質(zhì)含量,但對脂肪含量影響較小。
注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
由圖3可知,隨著亞硒酸鈉噴施濃度的增加,黑豆籽粒分離蛋白和脂肪硒含量呈增加趨勢,各處理間分離蛋白硒含量差異顯著(P<0.05)。噴施6~24 mg·m-2亞硒酸鈉處理后,黑豆籽粒分離蛋白硒含量為0.761 6~1.890 2 mg·kg-1,較CK增加了47.36~117.35倍,分離蛋白硒含量占有機(jī)硒含量比例為69.12%~90.29%,占總硒含量比例為47.39%~62.67%;脂肪硒含量為0.006 5~0.012 5 mg·kg-1,較CK增加了1.60~3.10倍,脂肪硒含量占有機(jī)硒含量比例為0.47%~0.60%,占總硒含量比例為0.28%~0.50%。表明黑豆籽粒中的有機(jī)硒含量受分離蛋白硒含量影響較大,受脂肪硒含量影響小。
圖3 葉面噴施亞硒酸鈉對黑豆籽粒分離蛋白和脂肪硒含量的影響
硒是生態(tài)環(huán)境中重要的微量元素,其豐缺與動植物的生長發(fā)育和健康密切相關(guān)[28]。研究表明,適量的硒可以促進(jìn)植物生長,改善營養(yǎng)品質(zhì),減少空秕粒,提高產(chǎn)量,但硒濃度過高對植物有毒害作用[29-30]。高國英等[31]研究發(fā)現(xiàn)葉面噴施富硒營養(yǎng)素后小麥產(chǎn)量、千粒重和穗粒數(shù)分別較對照增加了3.14%~4.60%、1.01%~1.26%和0.69%~2.27%,但富硒營養(yǎng)素用量過大會導(dǎo)致增產(chǎn)效果減弱。趙婉伊等[32]采用大田試驗探究葉面噴施不同濃度亞硒酸鈉對莖瘤芥生長及產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明1 mg·L-1硒處理的莖瘤芥產(chǎn)量較對照增加了1.80%,2.5 mg·L-1硒處理產(chǎn)量較對照減少了1.63%。本研究同樣發(fā)現(xiàn),噴施18 mg·m-2的亞硒酸鈉可增加黑豆產(chǎn)量;當(dāng)噴施24 mg·m-2的亞硒酸鈉時,增產(chǎn)效果減弱,這可能與硒的雙重功效有關(guān)。適宜的硒濃度能夠清除體內(nèi)過量自由基,增強(qiáng)抗氧化性,減緩生育后期葉片的快速衰老,維持根系在生育后期的生理活力,使植株積累更多的光合產(chǎn)物,從而產(chǎn)生增產(chǎn)作用;而當(dāng)硒濃度較高時,硒在植物中起氧化促進(jìn)劑作用,易引起植物的氧化應(yīng)激,造成植物脂類過氧化物的積累而產(chǎn)生氧化脅迫,使增產(chǎn)效果減弱[33-34]。這與前人在水稻[35]、玉米[36]等作物上的研究結(jié)果一致。因此,在黑豆生產(chǎn)中,應(yīng)注意外源硒使用量,以利于黑豆產(chǎn)量的提高。
硒在植物不同器官中的分布狀況對探究硒對植物的影響以及植物硒累積特性具有重要意義[37]。已有研究表明,在作物不受硒毒害的濃度范圍內(nèi),其對硒的吸收累積作用均隨外源硒濃度的提高和生長期的延長而增加[38]。王玉榮等[39]在研究油菜硒富集特征時發(fā)現(xiàn),外源硒施用濃度為0.5 mg·kg-1時,硒主要積累在根、莖等營養(yǎng)器官中;施硒濃度增加至5 mg·kg-1時,各器官硒含量表現(xiàn)為角果殼>籽粒>莖>根,籽粒與角果殼的硒含量占植株總硒的59.22%。陳金等[40]認(rèn)為,硒供應(yīng)充分時硒易向籽粒富集,成熟期大豆各器官硒累積量以籽粒最高,所占比例達(dá)到40%以上。本研究中,與對照相比,6 mg·m-2亞硒酸鈉處理即可極大地提高黑豆各器官硒含量,且各器官硒含量隨噴施濃度的增加顯著升高,其中籽粒硒含量增幅最大,在24 mg·m-2亞硒酸鈉處理時籽粒硒含量較對照增加了65.21倍。這一研究結(jié)果支持了前人在大豆[41]和小麥[42]方面報道的葉面噴施硒肥有利于促進(jìn)硒向籽粒遷移富集的結(jié)果。
硒對動、植物的生長發(fā)育有益,但硒過量不僅對植物造成毒害,還存在嚴(yán)重的食品安全隱患[36]。根據(jù)劉慧等[43]制定的植物硒含量標(biāo)準(zhǔn),硒含量在0.1~0.3 mg·kg-1范圍內(nèi)為富硒食品,硒含量>2 mg·kg-1時有中毒風(fēng)險。本研究中,亞硒酸鈉噴施濃度為6~24 mg·m-2時,籽粒硒含量為1.241 8~3.989 0 mg·kg-1,遠(yuǎn)超富硒食品0.1~0.3 mg·kg-1的目標(biāo)值,存在較大的食品安全風(fēng)險;在12 mg·m-2亞硒酸鈉處理時,黑豆籽粒中的總硒含量達(dá)到2.168 1 mg·kg-1,已超過了中毒風(fēng)險限量值,直接食用存在中毒風(fēng)險??锒骺〉萚44]在黑龍江缺硒地區(qū)通過葉面噴施亞硒酸鈉11.25~22.50 g·hm-2,即硒濃度為1.125~2.250 mg·m-2,發(fā)現(xiàn)水稻、大豆、玉米和小麥籽粒中硒含量為0.1~0.3 mg·kg-1,達(dá)到富硒食品標(biāo)準(zhǔn)。稅楊等[45]研究結(jié)果表明施硒量小于4.5 mg·m-2時,小麥籽粒硒含量達(dá)到0.3 mg·kg-1。由此可見,作物籽粒硒含量與施硒量密切相關(guān),過度追求高富硒值而增加施硒量,易造成籽粒硒含量超過安全值,甚至存在食品安全風(fēng)險。對于通過葉面噴施外源硒生產(chǎn)富硒食品,應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)確控制施硒量,建議施硒量為1.5~4.5 mg·m-2,并減少硒肥投入,以防止食品硒含量超標(biāo)。
有研究指出硒的毒性和生物利用度與攝入硒的化學(xué)形態(tài)和含量有關(guān)[46]。植物有機(jī)硒安全低毒且生物活性強(qiáng),易于被人體吸收和利用,是人類硒營養(yǎng)來源的重要途徑[47]。楊會芳等[48]通過葉面噴施試驗發(fā)現(xiàn)葉面噴施硒可以顯著提高番茄、胡蘿卜和大蒜中全硒、無機(jī)硒和有機(jī)硒的含量,有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率隨著施硒質(zhì)量濃度的提高而降低,該研究結(jié)果與本試驗結(jié)果有相似之處。本研究中,隨著Na2SeO3施用量的增加,黑豆籽粒有機(jī)硒含量增加,而有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率降低??赡苁侨~面噴施Na2SeO3后,導(dǎo)致植物通過葉片吸收了大量的無機(jī)硒,由于植物對有機(jī)硒的轉(zhuǎn)化效率有限,導(dǎo)致無機(jī)硒在植物體內(nèi)聚集,使植物有機(jī)硒比例降低[49]。
已有研究表明,適量施硒可影響作物中某些有機(jī)化合物的含量,從而有效改善作物品質(zhì)[50]。植物作為人和動物攝入硒營養(yǎng)的主要來源,可以將無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為利用率更高的有機(jī)硒,且主要集中在蛋白質(zhì)中[51]。Liang等[52]在研究紅糯米種子不同部位蛋白質(zhì)和硒含量相互作用時發(fā)現(xiàn),紅糯米籽粒中80%以上的硒是有機(jī)硒,且以硒蛋白的形式存在。本研究結(jié)果表明,葉面噴施亞硒酸鈉整體顯著增加了黑豆籽粒中蛋白質(zhì)含量,但對脂肪含量增加的影響不顯著??赡苁怯捎诎腚装彼岷偷鞍彼嶂泻辛蛟?,硒與硫競爭,硒元素取代硫元素與半胱氨酸和蛋氨酸結(jié)合,形成了硒代氨基酸化合物,部分或全部取代了蛋白質(zhì)中游離的蛋氨酸和半胱氨酸后,硒被結(jié)合到蛋白質(zhì)中,同時造成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而對蛋白質(zhì)的合成產(chǎn)生影響[53];在脂肪酸合成途徑中,硫元素是參與脂肪合成時的三碳單元中間體丙二酸單酰輔酶A(malonyl-CoA)的重要組成元素之一,環(huán)境中的硒元素和硫元素存在著競爭關(guān)系,硒元素會替代硫元素與酶結(jié)合,降低含硫酶活性,從而影響種子中油脂的合成,甚至降低油脂的含量[54]。本研究中,與CK相比,6~24 mg·m-2亞硒酸鈉處理后,分離蛋白硒含量占有機(jī)硒含量的比例為69.12%~90.29%,脂肪硒含量占有機(jī)硒含量的比例為0.47%~0.60%,表明黑豆籽粒中有相當(dāng)一部分硒與蛋白質(zhì)結(jié)合,其賦存狀態(tài)主要是以蛋白質(zhì)結(jié)合形式存在。這與前人在大豆[55]、花生[56]、小麥[57]上的研究結(jié)果一致。
本研究發(fā)現(xiàn),葉面過量噴硒會顯著提高各器官總硒含量,呈現(xiàn)籽粒>根≈莢>莖的特點,但易造成籽粒硒含量超過安全食用風(fēng)險值。葉面噴硒整體可顯著提高黑豆籽粒中有機(jī)硒和無機(jī)硒含量,但有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率隨外源硒濃度的增加而降低,在24 mg·m-2亞硒酸鈉處理時,有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率為52.43%,達(dá)到最低。葉面噴硒顯著提高黑豆籽粒蛋白質(zhì)含量和分離蛋白硒含量,對籽粒脂肪及其硒含量影響較小。黑豆籽粒中硒賦存狀態(tài)主要以與蛋白質(zhì)結(jié)合形式存在。本研究僅通過小區(qū)試驗研究了四價硒素(亞硒酸鈉)在黑豆中的吸收轉(zhuǎn)運及有機(jī)硒轉(zhuǎn)化效果,而關(guān)于黑豆對不同價態(tài)硒素(六價和零價)的吸收/積累及轉(zhuǎn)化機(jī)制還不明確,有待進(jìn)一步深入研究。