果蔬中硒形态的研究进展

吕佳煜,段懿菲,王志丹,孙　唱,李东洋,董　福,冯叙桥,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013;2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)



果蔬中硒形态的研究进展

吕佳煜1,段懿菲1,王志丹1,孙唱1,李东洋1,董福2,冯叙桥1,*

(1.渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013;2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)

硒是人体必需微量元素之一,人体缺乏硒元素或补充过量皆可导致多种疾病。我国绝大部分地区的居民缺硒,使用不同的方法将硒添加到果蔬中,可以提高果蔬的附加价值与经济效益,也使得硒在日常饮食中得到适当的补充。因此,果蔬富硒研究是一项利于全民健康的、具有重大意义的课题研究。本篇文章为一个简短的综述,主要内容是富硒果蔬近十年来的研究现状,同时讨论了果蔬中硒的富集方法及检测过程中的分析方法。

硒,果蔬,形态,测定

硒(Selenium,Se)是14种人体必需微量元素之一,且只能通过外源补充[1]。硒元素是人体谷胱甘肽过氧化物酶系、脱碘酶系、硒蛋白W及硒蛋白P等酶的活性中心[2],这些酶具有重要的生理功能,例如谷胱甘肽过氧化物酶可以有效减少氢过氧化物造成的伤害[3]。人体若缺乏硒元素可导致血溶性贫血、克山病等多种疾病,但血液中的硒含量过高(>1 mg/L)会导致胃肠不适、头发脱落、指甲白斑等中毒现象,中国营养协会[4]规定成人个体硒最高安全摄入量为400 μg/d。中国科学院的调研结果显示,我国地区属于缺硒和低硒带,其中严重缺硒的占29%,含硒地区分布在新疆、青海、广西、内蒙、珠三角、云南、浙江等省份。一些植物具有将无机形式的硒转换为具有生物活性的有机形态的硒的能力,这些硒可以通过食物链进入人体,对人体健康与营养有突出的贡献。富硒农产品对土壤的要求较高,只有在有效态硒(水溶态硒、交换态硒、有机态硒等)含量高的土壤中生长的农作物,才能达到富硒食品的要求[5]。生长在含硒量0.3 mg/kg以上的富硒土壤中的植物、生长在富硒自然环境中的动物及微生物、在动植物生长过程中通过人工影响其含硒量所培育的产品以及富硒动植物为原料进行的深加工食品可被称为富硒食品[6]。富硒食品一般以有机硒为主要存在形态,要求含硒量在正常膳食条件下具有补硒效果及安全性[6]。本文为一个简短的综述,主要内容是富硒果蔬近十年来的研究现状,同时综述了果蔬中硒的富集方法及检测过程中的分析方法。

1　富硒果蔬研究现状

1.1硒在果蔬中的吸收

土壤中的硒(天然成分或人为添加)通过植物吸收后进入食物链。部分植物不仅可以在富硒的土壤中生长,还能在植物体内累积转化为不同形态的硒。对这些硒耐受力高的植物来说,硒元素累积于其中的的机制为:代谢产生的有机化合物因无法并入蛋白中,故避免了积累大量的硒而产生的中毒现象[7]。

植物对硒元素的吸收与积累,由硒元素的浓度、化学状态、是否存在竞争离子以及植物对该形态硒的选择性吸收等因素共同决定。由于硒与硫元素理化状态相似,在植物中这两种元素共享同一条代谢途径,硫酸盐与硒酸盐存在竞争作用[8],大部分研究表示,硒酸盐可以通过高亲和力的硫酸盐转运子完成吸收[9-10];也有少部分研究表明,磷酸盐转运子也在亚硒酸盐的吸收中起到了重要的作用[11]。不同形态的硒在植物内运输、转化时存在差异。硒酸盐自根部吸收后可转移至植物叶片等部位,转移过程中不发生形态变化;亚硒酸盐在根部被吸收后迅速转化成有机形式的硒化合物,例如:硒代甲硫氨酸等[11]。可见,施加不同的硒化合物对最终富硒结果影响很大。

1.2硒对果蔬的影响

目前的研究主要集中在无机硒形态(例如硒酸盐与亚硒酸盐)、简单的有机形态、硒代氨基酸(例如硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸等)及硒蛋白对果蔬的抗氧化、清除自由基能力等方面,也有少量研究集中在果蔬产量及采后品质方面。

硒可以影响果蔬的抗氧化、清除自由基能力。由于硒代氨基酸是一类过氧化酶的活性中心,因此,硒摄入量可以影响硒代氨基酸含量从而间接影响果蔬的各项生理指标。Ekanayake等[12]证明了种植期向田间施加Se(IV)与Se(VI)均能够增加扁豆的抗氧化性。Hu[13]等通过检测大豆生长过程中硒的吸收、转移及分布,证明了硒蛋白与自由基清除剂活性之间并无关联。Proiettia等[14]证明了喷洒亚硒酸盐对橄榄果实中的过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化酶(GPOX)及丙二醛含量均有显著影响。硒元素与蛋白质、多糖相结合而成的硒蛋白及硒多糖等物质具有较高的抗氧化特性。富硒茶叶中提取并纯化分离出的三种硒多糖,即Se-TPS1、Se-TPS2和Se-TPS3,被证明其抗氧化性高于普通多糖[15]。Wang[16]等研制出了一种新型硒纳米颗粒,这种新型硒纳米颗粒由灵芝多糖的水溶性衍生物和硒结合而成,被证明具有较好的抗氧化性质。Maldonado等[3]已证明活性中心含硒的硫氧还蛋白氧化还原酶(thioredoxin reductase,TrxR)可以有效减少氢过氧化物伤害和保持硫氧还原蛋白(TRX)氧化还原活性。多项研究表示,芸薹属(Brassica)植物可以通过代谢过程中将硒化合物转化成非蛋白源氨基酸(例如硒代半胱氨酸),自身从而累积高含量的硒[8,17],然而植物从土壤中累积大量的硒并未表现出硒中毒现象[9]。

硒可以影响果蔬产量及品质。宋亚蕊等[18]研究发现,随着茶油中硒含量的增加,茶油中的的功能性物质含量受到影响:亚油酸和甾醇的含量显著提高,油酸含量降低。Ekanayake等[12]证明了种植期向田间施加Se(IV)与Se(VI)均能提高扁豆的产量。Hu等[19]证明了向土壤中施加硒可以有效提高绿茶的产量。Turakainen[20]证明了尽管在低浓度硒处理下,加工过程中土豆的褐变速度也可以受到减缓。Pezzarossa等[21]的研究表示,硒处理能够降低番茄果实的呼吸跃变,同时可以延缓果实的采后衰老进程。硒处理同样被证明了可以影响果蔬的总糖含量[22]、抗坏血酸[23]、纤维素含量[22]。综上所述,硒处理果蔬可以对果实的产量、食用品质及功能特性等方面产生影响。

2　硒的富集方法

富硒的方法视富硒对象的特点而定,一般情况下是经由无机硒盐、硒酸酯多糖等硒化合物进入植物,可以说化学合成的无机硒盐、硒酸酯多糖等硒化合物是富硒果蔬生产的基础。农业生产中常用富硒的方法有:土壤中施加,叶面、果面喷洒,含硒培养基培养,硒盐溶液浸泡种子或拌种等(表1)。目前,富硒果蔬主要采取叶面、果面喷洒的方式富硒,采用此种方法操作较方便,但是由于部分未被吸收的硒残留于果皮表面,补硒的效果可能会受到影响。硒的生物强化为近些年的热门话题,中国科学院院士赵其国及其专家组多年来对硒生物强化技术进行了跟踪研究,中国科技大学研究开发的“富有机硒农副产品营养剂”即硒生物强化技术填补了国内空白[24]。因此,如何通过富硒途径提高富硒效率仍是值得今后研究的课题。

国标GB14880允许的硒强化剂种类包括硒酸钠、亚硒酸钠、富硒酵母、硒化卡拉胶(也称硒酸酯多糖)、硒蛋白、富硒食用菌粉和硒代半胱氨酸[25]。由于食物链中硒主要来源于植物,植物吸收环境中的无机硒后,经由植物代谢作用,硒的形态转变为硒蛋白或含硒多糖等有机形式[26]。与无机硒补充剂相比,有机硒具有安全性高、不易发生中毒[27],且生物利用率高[28]等特点。因此经代谢或食物链转化的有机硒更适合作为人体的补硒剂。

3　果蔬中硒的分析方法

硒的生物有效性、毒性、活性等与硒的形态有直接关系[33],单纯分析硒的总含量远远不够。所谓硒形态,是指元素的价态、有机态、无机态、离子态及非离子态,以及与肽(或蛋白质)的结合或螯合等不同状态及结构信息,对以上内容进行分析并对元素定性、定量的分析方法称为元素的形态分析(speciation analysis)[34]。研究中最常用的硒形态的分析方法是色谱或电泳分离结合电感耦合等离子体质谱。分析硒形态主要可分为硒的提取与检测两个步骤。

3.1提取方法

样品预处理的目的是将原始样品转换成可用于分析的形态,且所选预处理方法对最终形态的影响极大,因此,处理过程中要尽量减少所分析元素的损失并确定转换效率。常见的方法包括不同种类的浸出提取模式、酶解法、挥发富集等[17,35],另外,酶解法辅以超声波可以提高提取效率且对硒的形态无负面影响[36]。

表1　富硒的主要方法

一般来说,植物样品测定前需要经过冻干、干燥或均质化的处理。然后根据硒化合物分子量的大小选择提取所需要的溶剂[8,37]:分子量大的需要借助碱进行提取,分子量小的用热水提取即可。提取的效率决定于样品的性质和提取条件,酶处理法硒元素的溶解率可达100%,而热水提取的效率为75%～90%,并且酶解过程中会有更多硒代蛋氨酸被释放[38]。

3.2检测方法

矿物质含量测定方法有很多种,各有特点。相比较之下,氢化物发生-原子荧光光谱法(Hydride Generation Atomic Fluorescence Spectrometry,HG-AFS)在测定中需要重点考虑干扰离子的去除[39];电感耦合等离子体原子发射法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry,ICP-AES)分析过程中光源变化对分析线的绝对强度有较大的影响[40];原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry,AAS)只能分别对不同的矿物质元素进行测定,若要同时分析多种矿物质则效率较低;然而,电感耦合等离子质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)测定微量元素Se具有灵敏度高、线性范围宽、抗干扰能力强、分析速度快等优势[41]。因此,ICP-MS是测定总硒含量最常用的方法。

正因为硒的生物利用性、毒性与其形态关系密切,硒的测定不仅包括总硒含量的测定,还包括硒形态的分析。若要分析样品元素的价态、有机态、无机态、以及与肽(或蛋白质)的结合等形态信息,需要对不同形态的硒进行有效的分离后再进行测定,即需要在测定仪器前端串联高效液相色谱及电热蒸发等分离设备。离子色谱法通过离子交换的方式对目标物质进行检测[42],若分离目标为大分子蛋白组分,检测的灵敏度可能会降低。电热蒸发法需要将样品消解,此方法耗时长,还极可能增加待测物污损失的风险[43],若要测定少量样品中的Se,则误差较大。故在Se测定实验中常使用高效液相色谱进行分离。分析硒形态常用的方法有高效液相色谱-电感耦合等离子质谱(High Performance Liquid Chromatography-Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometry,HPLC-ICP-MS)、离子色谱-积分脉冲安培检测法(High Performance Anion Exchange Chromatography-Pulsed Amperometric Detection,HPAEC-IPAD)、氢化物发生电感耦合等离子体光谱法(hydride generation inductively coupled plasma optical emission spectrometry,HG-ICP-OES)、超高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱技术(Ultra Performance Liquid Chromatography-Electro Spray Ionizationtandem Mass Spectrometry,UPLC-ESI-MS/MS)、电热蒸发电感耦合等离子体质谱(Electrothermal Vapourisation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ETV-ICP-MS)等。总硒及硒形态的测定方法及部分应用情况总结于表2。根据表中所列举方法的检出限、回收率、相对标准偏差等指标判断,这些方法能够较为准确测定样品中的硒。测定果蔬中含矿物质元素较少的样品建议使用GF-AAS与HG-AFS。

4　总结

调查显示我国绝大部分地区的居民缺硒,但过量补充又会产生中毒,另外考虑硒的生物利用性等问题,使得“补硒”成为一个备受关注的热点。将硒添加到果蔬中,可以提高果蔬的附加价值与经济效益,也使得硒在日常饮食中得到适当的补充。可以说,果蔬富硒研究是一项利于全民健康的、具有重大意义的课题研究。随着富硒产业的发展,相关问题也接踵而至,市面上的富硒食品良莠不齐,消费者对富硒产品的质量缺乏了解;我国尚无国家级富硒食品标准,仅有当地地方标准;富硒方法的效果受到多种因素影响,生产富硒食品技术水平有待提高。使硒有效富集于农产品并且能够有效被人体利用的技术仍是值得研究的重要课题。随着硒相关研究的进行与深化,相信富硒农产品必将获得更大的关注,并在保障人体健康方面发挥更大的作用。

表2　总硒及硒形态的测定方法

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Selenium speciation in fruits and vegetables

LV Jia-yu1,DUAN Yi-fei1,WANG Zhi-dan1,SUN Chang1,LI Dong-yang1,DONG Fu2,FENG Xu-qiao1，*

(1.College of Food Science and Technology,Bohai University,Jinzhou 121013,China;2.College of Food Science. Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

Selenium is one of the 14 essential trace elements. It can cause a variety of diseases in human body that lack or overdose supplement of selenium. Most of Chinese residents lack selenium. It increases added value and economic benefits by enriching selenium in fruits and vegetables by using different methods,which also makes it possible to supply appropriate amount of selenium in human daily diet. Therefore,selenium-enriched fruits and vegetables is a research that beneficial and great significance to human health. This review gives a brief overview of the current situation of selenium enriched fruits and vegetables in resent ten years. The methods of selenium enrichment and detection are summarized simultaneously.

selenium;fruits and vegetables;speciation analysis;determine

2015-11-16

吕佳煜(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：农产品加工及贮藏工程，E-mail:863088802@qq.com。

冯叙桥(1961-)，男，博士，教授，研究方向：农产品贮藏与加工工程，E-mail：feng_xq@hotmail.com。

辽宁省科技厅农业攻关及成果产业化项目(2011205001);渤海大学人才引进基金项目(BHU20120301)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)13-0386-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.071