微量元素硒在烟草上应用研究进展

2010-08-15李小勇唐启源李良勇

作物研究 2010年1期

李小勇,唐启源,李良勇

(1湖南农业大学农学院,长沙 410128;2长沙市烟草公司浏阳营销部,湖南浏阳 410300)

微量元素硒(Se)是人体 14种必须的微量营养元素之一[1],同时也是植物生长发育的有益元素,不仅在维护人体健康上发挥独特的生理功能,而且在促进植物生长、改善品质、增加产量等方面发挥着重要生物学效应[2～4]。烟草是一种特殊的经济作物,其卷烟产品作为一种“嗜好品”和特殊消费品,自 20世纪 50年代以来,“吸烟与健康”的问题一直是世界范围内广泛关注的问题和研究的热点[5]。国内外大量研究表明,硒能降低卷烟烟气中的焦油和自由基;抑制肿瘤的发生,能有效的降低肺癌的发生率[13～15];对重金属的毒害有拮抗作用,从而减轻对人体的危害,提高烟草的安全性[6～9],因此硒在卷烟原料生产和配方设计中引起了烟草科研工作者广泛的重视。本文对硒在我国卷烟制品和烟叶中的含量,烟叶中的硒的累积和分布规律及存在形态,硒对烟草的生物学效应及降低卷烟及烟叶中有害物质的含量的特殊作用进行了综述,旨在为低硒烟区生产“特色、优质、安全”烟叶原料及烟草企业研发“低害”卷烟制品提供指导作用和有益参考。

1 我国卷烟制品中硒含量的现状

我国卷烟制品中硒的含量存在明显的差异。据王美珠等[11]对不同卷烟品牌香烟(包括国外的共 100支样品)的测定结果表明,硒的含量范围在0.037～0.441 mg/kg,几何平均值为 0.128 mg/kg,自然分布状态的差异高达 35%;在我国用高硒和低硒烟区烟叶制成的香烟,硒含量平均值分别为0.244 mg/kg和0.093mg/kg,两者相差1.6倍;在频数表现上43.0%的样品属于低硒烟,仅 3.0%的样品属于高硒烟,说明我国的大部分卷烟制品中的硒含量较低,主要与烟区植烟土壤的硒含量背景值差异和多数烟区分布在缺硒地区有关。在我国仅湖北恩施和陕西紫阳等少数地区的香烟存在富硒现象。

2 烟叶中硒含量与土壤中硒含量的关系

李国民等[17]对湘西自治州植烟土壤和烟叶硒含量的调查分析发现,土壤硒含量较丰富,范围为0.20～0.72μ g/g,烟叶的硒含量较高,范围为 0.025～0.744 μ g/g。烟叶硒含量的高低,在很大程度上主要受植烟土壤母质的影响。我国低硒烟叶产区的土壤母质类型主要为灰质板岩、石灰岩、泥质叶岩及黄土母质等,在低硒地区生产加工烟叶原料的卷烟硒含量为 0.061 μ g/g。我国成土母质母岩的富硒岩石出现在二叠纪和陶寒武硅质石岩,其发育成的土壤种植的烟叶的含硒量可达 4.11μ g/g[11]。但在同一母质发育成的土壤的类型不同,烟叶的硒含量也存在一定的差异。何佳文等[13]在高硒地区 (湖北恩施 )对不同土壤 (石煤露区,砂岩,炭质露区,紫色砂岩露区)种植的烟叶的硒含量分析,发现在石煤露区生产的烟叶的硒含量平均值为4.69μ g/g,紫色砂岩露区生产的烟叶的硒含量平均值为0.08μ g/g。潘文杰等[12]研究报道,烟叶的硒含量与土壤硒含量、土壤pH值呈正相关,与土壤速效磷和有机质含量呈负相关;还受气候条件的影响,烟叶的硒含量与日均气温、日均10 cm的地温呈显著正相关,与降雨量(或相对湿度)呈显著负相关。

3 硒在烟草中的主要形态及累积与分布

3.1 烟叶中硒的主要存在形态

植物中硒的主要形态有无机态、有机态和挥发态3种主要形式,而烟草中硒的主要形态为有机态。张驰等[16]研究结果显示,在白肋烟中,叶片吸收无机硒进入植株体内代谢转化成多种形态的有机硒,多为高分子量的化合物,占总量的 87%以上,其中主要为硒核酸、硒多糖、硒蛋白 3种存在形态,分别占总硒量的74.54%,10.95%和2.30%;在蛋白质分级盐析组分中存在5种不同的组分,各种蛋白质中硒的质量分数为D>C>B>E>A,分别占蛋白质结合硒的 41.50%,26.49%,21.46%,12.81%和0.25%;同时也发现烟叶中除生物大分子结合的硒外,还存在其他形式。在烟叶中并不是每一种蛋白质都含有硒,在含硒蛋白中硒质量分数也不相同。

3.2 硒在烟叶中的累积与分布

在烟叶中硒的含量不仅与土壤硒含量有关,通常还因不同的施硒方式和时期而影响其在不同的器官、部位和不同生育期的含量及分布。低硒土壤上施硒肥,烤烟和白肋烟各部位烟叶的硒含量均与土壤施硒量呈极显著正相关,烤烟根、茎、叶的含硒量和富硒能力,均随土壤硒含量的增加而增加,无论是在低硒土壤施硒或叶面施硒肥,富硒量均以叶最多,说明烤烟烟叶富硒能力最强,茎最弱[18,19,21]。但在白肋烟上,对硒的累积量和富硒能力均呈现:叶>根>茎的分布规律,且均与土壤施硒量呈极显著正相关,对土壤施硒的回收率为8.9%～18.1%,说明白肋烟对硒具有较弱的吸收量和转运能力,属于耐硒能力较弱的植物[20,21]。杨兰芳等研究表明[19],在低硒土壤上施硒肥,烤烟植株不同器官含硒量依次为:根>叶>茎;而在叶面施硒的条件下则表现出:叶>根>茎;而白肋烟的硒含量均呈现:叶>根>茎的分布规律[20,21]。总之,土壤施硒后,不同类型烟草对硒累积和分布规律存在差异。

不同生育期施硒对烤烟的硒含量和分布也存在显著的影响。在团棵期,烟叶的含硒量随土壤含硒量和施硒量的增加而增加,并出现地下部分大于地上部分的规律;不同的喷施时期对烤烟根、茎、叶的富硒能力有显著影响,根、茎富硒量表现为前-中期>中期>前期,叶的富硒量表现为:中期>前-中期>前期;叶面施硒优于土壤施硒,且叶面施硒以中期(21～23片叶)效果最好[22]。也有研究报道[23],叶面喷施亚硒酸的时期不同,硒在烟株各部位的叶片中的分布规律也不一样。在苗期,下部叶片>上部叶片;在团棵期,上部叶片>下部叶片;在成熟期,叶面喷施各部位叶片硒含量相似;而叶面喷 10～40 mg/m L硒肥微肥溶液,烟叶中硒平均含量可达 3.63μ g/g[25],能达到富硒烟叶的标准。

4 硒对烟草生长发育、生理特性、产量和品质的影响

4.1 硒对烤烟生长发育的影响

低浓度的硒对烤烟有促进生长的作用。当硒浓度为 4.0 mg/kg,烤烟地上部分的干重和根干重分别比对照增加 3.19%和 32.82%,当硒浓度为 8.0 mg/kg,烤烟开始受到危害,地上部分干重和根干重,分别比对照下降 54.70%和 3.34%;在叶面喷施硒肥的情况下,硒肥有促进烟株生长的作用,越早,促进作用越大[27,28]。马友华等研究表明[29],在红土壤上低硒处理(<4.94～6.18μ g/g)促进烟草前期生长 ,高硫 (150.0 μ g/g)处理则会加强低硒的促进作用;黄褐土上施硒肥则会抑制烟草的前期生长,施硫则会减弱低硒(<6.18μ g/g)处理对烟草生长带来的抑制效应,硒和硫表现出明显的拮抗作用。说明硒、硫互作效应对烟草生长的影响随硒和硫处理浓度、土壤类型及烟草的不同生育阶段而变化。

4.2 硒对烤烟生理特性的影响

高家合等研究发现,低浓度的硒(<8.0 mg/kg)对烤烟的叶绿素 a,叶绿素b,叶绿素a+b和类胡萝卜素含量有明显的促进作用,并能提高烟株体内活性氧的防御体系,使 MAD酶活性下降;高浓度的硒(16.0 mg/kg)则对其有抑制作用,对活性氧防御体系产生胁迫反应,SOD,POD酶活性下降,MAD上升,且硒含量的变化与 MAD含量呈极显著的正相关,因而提出MAD作为硒胁迫对烤烟生长最敏感的生理指标;叶面喷施硒对不同部位烟叶叶绿素含量的影响效果是一样的,在栽后 75 d,第 5片叶的叶绿素 a,叶绿素 b,叶绿素a+b和类胡萝卜素含量均极显著高于对照,但第 10片叶的叶绿素a含量显著高于对照,而第 14片叶的叶绿素a显著低于对照[27,28]。马友华等研究结果表明[30],施硒对烟叶的叶绿素含量的影响程度随土壤的类型和施硫量而变化,其中硒 6.18 mg/kg和硫 75.0 mg/kg配施最有利于提高叶绿素的含量,在缺硫的情况下,施硒量的不同对烟叶的 SOD,POD酶活性无明显影响,但增施硫和硒可明显提高黄褐土上烟叶的 SOD活性及红土壤上烟叶 POD活性。

4.3 硒对烤烟品质的影响

不同的施硒肥方式、时期及硒肥量对烤烟内在化学成分的影响存在明显的差异。土壤施硒和叶面施硒均能显著提高烟叶的钾含量,使钾的含量分别增加6.62%～80.11%和 7.57%～38.90%,这对改善我国烟叶钾含量具有普遍意义;在施硒量为 50.0 mg/kg,烟叶的施木克值、糖碱比值、氮碱比值等化学指标最理想;在 0.5～5.0 mg/kg,对烟碱含量非常有利;在 0.5～10 mg/kg,能提高烟叶的还原糖和总糖含量,烟叶的蛋白质含量与土壤硒的含量呈极显著正相关(r=0.963 0);叶面施硒及不同的施肥时期对烟叶的烟碱、还原糖、总糖、蛋白质含量均有显著的影响,在前-中期(15叶)、前期 (10叶 )每株喷 250μ g/g亚硒酸钠能使烟叶的烟碱、总糖和蛋白质含量适中[32,33]。

张池等报道,叶面喷施亚硒酸钠能使白肋烟的水溶性糖、还原性糖、非还原性糖分别提高 41.25%,23.37%和32.77%;使总氮、蛋白质和烟碱的含量分别提高22.22%,23.68%和 28.64%,使烟叶中的氯含量下降 40.36%[31]。另有研究表明,适量的硒(6.18μ g/g)和硫(75.0μ g/g)配合处理能使烟叶具有较高的总糖、烟碱和硒的含量,及较低的蛋白质含量[34]。由此可见,施硒显著改善不同类型的烟草的品质,只是不同施肥方式、时期和施硒量对其烟叶内在化学成分作用的效果不一样。

4.4 硒对烟叶其他矿质元素的影响

在烟草中发现,低硒可以促进烟草氮代谢,而高硒则抑制其氮代谢,烟株中氮的含量随硒含量的增加呈先降低而后上升的趋势,在低硒(4.94μ g/g)与低硫(<94.0μ g/g)和高硒 (9.88 μ g/g)与高硫 (>94.0 μ g/g)处理中,硒和硫对烟株的氮的吸收表现出拮抗作用。硒硫互作对烟草中的氮的吸收和累积因烟草部位和生育期的不同而异[30]。高硒(>6.18 mg/kg)降低了前期烟草全株磷含量而低硒(<6.18 mg/kg)则增加;成熟烟叶不施硫时,施硒增加了烟叶磷含量;施硫时,硒则降低了烟叶磷含量,硒与磷作用的性质不仅与硒浓度高低有关,而且与烟草生育期、生长器官及硒、硫相互作用有关[35]。在烟草生长前期,植株全株及地上部的硒积累量在低硫(<75 mg/kg)条件下随施硫增加而增多,硒硫表现为协同作用;在高硫(>75 mg/kg)条件下,烟草硒积累量则随施硫的增加而减少,表现为拮抗作用;不施硒时,施硫会降低成熟烟叶硒含量,表现为硒硫拮抗作用,施硒时,成熟烟叶硒含量则随施硫量的增加而增多,表现为硒硫协同作用。由此可见,硒和硫之间存在着既相互协同又相互拮抗的关系,二者随土壤或营养液中硒与硫的含量和浓度以及硒肥的种类而变化[36,37]。

5 硒对烟叶及卷烟烟气中有害物质的影响

5.1 硒对烟叶中TSNA含量水平的影响

T SNA是烟草中特有的N-亚硝基化合物,是由烟草中的生物碱亚硝化作用而生成的,是一种致肿瘤物质,对吸烟者的健康有着严重的危害作用。汪安云等[38]研究发现,不同浓度亚硒酸钠微肥对自然晾晒调制烟叶中 TSN A的含量影响是不同的:浓度为 10μ g/m L,能提高上、中、下部烟叶的 TSNA水平,随着处理浓度的增加,TSNA水平逐渐降低;当浓度增加到 40 μ g/mL,T SNA的水平达到最低,以后逐渐平稳;而浓度在 10～80μ g/mL范围内,烟叶中 TSNA的含量存在有较好的负相关;不同部位的烟叶中的 TSNA总量在喷施微肥的处理与对照间都表现出相同的规律:即中部叶>上部叶>下部叶。

5.2 硒对卷烟烟气中焦油和自由基含量的影响

硒对卷烟烟气中的有害成分具有拮抗作用,能降低烟气中有害物质,尤其是焦油含量和毒性,抑制肿瘤产生,降低肺癌发生率,减轻吸烟对人体的健康危害。不同的硒含量范围对卷烟焦油和自由基的影响程度是不同的,但卷烟中天然硒含量与焦油含量及焦油中的自由基浓度都呈负相关关系(r=-0.996 6和-0.942 5),卷烟中硒含量在 0.1～1.0μ g/g,焦油下降特别明显,在 0.08～0.60μ g/g,自由基浓度降低尤为明显,其原因在于硒对自由基产生附集加合作用,形成了容易衰变的硒加合自由基,缩短了自由基的保留时间,降低了自由基浓度[40,41]。主流烟气中的硒含量是香烟含硒量的8%～11%,它对人体血清中的硒水平有轻微的影响,抽吸高硒烟可起到微量补硒的作用[11]。卷烟的硒含量水平为 3.0± 0.5μ g/支,烟气中有害物质明显低于一般卷烟产品,其中焦油含量,3,4-苯并芘含量和自由基浓度比一般卷烟产品下降了 19.5%,22.5%和27.1%[13]。另外,刘建福等[5]使用富硒烟叶研制生产的一种低焦油、低自由基的富硒烤烟型卷烟,可使卷烟的焦油量下降到 12.0 mg/g,自由基总量下降 40%,主流烟气中的含硒量比普通卷烟的硒含量增加140%。由此可看出,硒能明显降低卷烟烟气中有害物质的含量,在一定程度上提高人体血硒水平,对人体的免疫功能有促进作用。

6 研究展望

烟叶及烟草制品硒含量的高低与人体健康密切相关,而我国众多烟区属于缺硒或低硒地区,烟叶及卷烟制品的硒含量明显偏低,因此,在低硒烟区开展硒在烟草上的应用研究,是开辟“降焦,减害”的一条新思路,对烟草企业开发“低害”卷烟具有非常重要的现实意义。目前在烟草上,对硒的研究主要其中硒对烟的营养,如硒在烟草各部位或器官的分布,土壤硒含量与烟叶硒含量的关系,喷施硒肥对烟草的生长、发育、品质的影响等方面;在栽培上,主要通过土壤施硒肥和叶面喷施外源硒来提高烟叶中的硒含量。而在烟草基础和应用研究上,还缺乏一定的广度和深度,如对富硒烤烟品种的筛选及亲本选育研究少;硒营养在烟株体内的代谢过程和内在作用生理机制都缺乏深入研究;在烟叶生产上如何依据烟草对硒的吸收营养特性,而采取有效的调控措施或施硒方式提高烟叶中的硒含量等都缺乏有益的探索,对硒在烟草卷烟烟气中的迁移转化规律及“降焦,减害”的重要机理研究的深度不够等,今后还有待加强上述各方面重点研究,这无疑对提高烟叶及卷烟产品的安全性有重要指导和参考作用,同时对维护消费者的健康都具有积极的意义。

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