恩施地区玉米硒的生物可给性及其健康风险评估

赵 晗， 蔡 超

(1.中国科学院城市环境研究所/中国科学院城市环境与健康重点实验室，福建厦门 361000； 2.中国科学院大学，北京 100049)

硒为稀有分散元素，在地壳中含量很少，而且在土壤中的分布极不均匀。世界上土壤自然含硒量在0.01～2.00 mg/kg之间，一般土壤中硒含量约0.4 mg/kg[1]，可见湖北恩施地区属于中国典型的高硒区。Qin等采集恩施富硒地区农田土壤，硒含量高达5.90～24.3 mg/kg[2]。恩施富硒作物中烟草和茶叶等研究比较多，但是，玉米作为恩施地区栽培面积最大的作物研究得相对较少。Xu等采集了恩施地区烟草叶子，测得其硒含量为0.3～29.3 mg/kg[3]；Dai采集了恩施地区茶叶，测得其硒含量最高可达到7.53 mg/kg[4]。另外，对富硒作物中硒总量研究得比较多，对硒的生物可给性研究得比较少，而硒对人体健康的影响与生物可给性息息相关，且很少有研究关注到作物品种对生物可给性的影响。生物可给性是指食物直接进入人体的消化系统后，人体胃肠道溶解部分所占的比例[5]。Lavu等探究了比利时韭菜和洋麻硒的生物可给性，在胃阶段约为45%，在小肠阶段约为75%，小肠阶段显著比胃阶段要高[6]；Bhatia等研究了印度蘑菇硒小肠阶段的生物可给性，约为57%[5]。本研究首次探讨了玉米品种对硒的生物可给性的影响。

硒过多或过少对人体健康都不利，人体缺硒会导致克山病和大骨节病；硒过量会导致人体脱发、脱甲等硒中毒症状[7-8]。饮食是硒暴露的主要途径，评估其健康风险对于当地人群的健康状况具有十分重要的意义。但是，目前探究食物硒健康风险的研究并不多，而且国内外的研究一般采用食物总硒直接参与计算。然而食物中的硒并不会被人体完全吸收，这样无疑增大了硒中毒的健康风险，所以本研究采用硒的生物可给性参与健康风险评估的计算，旨在为开展富硒玉米的科学种植提供理论支持。

1 样品采集与分析方法

1.1 玉米采集及预处理

样点于2015年8月20日采自湖北省恩施市鱼塘坝、长平、屯堡和红土地区。土壤样品取0～20 cm的耕作层土壤，玉米样品采集于对应的土壤上的玉米籽粒。其中，本研究玉米约4月开始种植，8月成熟，采样时期为玉米的成熟期，采样部位为玉米的果实。土壤样品在室内阴凉处风干、压碎，拣去样品中的碎石、植物残体等杂物，过100目筛，装入聚乙烯塑料袋中备用。玉米样品在实验室内先用自来水冲洗3次，然后用蒸馏水冲洗3次，室温下晾干，用冷冻干燥机烘干，再用植物碎样机粉碎并过100目筛，密封储存于聚乙烯塑料袋中备用。

1.2 样品测试与分析

土壤样品的消解试验开始于2015年8月23日，参考Williams等采用的电热板消解法[9]并稍作改进：称取经风干粉碎过100目筛的样品0.2 g于消解管中，提前称取空的消解管质量，加浓硝酸10 mL、高氯酸2.5 mL，摇匀，放置过夜，次日于低温电热板上加热至冒白烟，蒸至1 mL左右，取下冷却，以Milli-Q超纯水定容至40 mL左右，称质量，样品液经0.22 μm滤膜过滤后待测，同时制作分析空白，每个样品3个平行。

玉米样品的消解参考王欣等采用的微波消解法[10]：称取玉米粉样品0.2 g(过100目)置于微波消解管(提前清洗，烘干)中，加入2 mL浓HNO3、2 mL H2O2，过夜，微波消解；消解结束后，冷却至室温，打开消解罐，样品液转移至40 mL离心管中，并用超纯水洗涤消解罐及盖3次，合并洗涤液，定容并摇匀，称质量，样品液经0.22 μm滤膜过滤后待测。每个样品做3 个平行，同时做空白试验。

土壤和玉米样品都采用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱法)进行分析测量，ICP-MS 采用 He 碰撞池模式。其中，土壤的处理过程中加入土壤成分分析标准物质GSS-1和GSS-3，植物的处理过程中加入玉米标准物GBW10012，根据标准物质与重复样品的测定，数据结果可靠。

土壤有效态的测量试验于2015年8月30日开始，参考Wang等的土壤硒的连续化学浸提五步法[11]，并且针对恩施地区的样品稍作改进。各个形态提取方法如下：(1)水溶态。称取 1.000 g 土壤样品于 10 mL离心管中，加入蒸馏水 10 mL，加盖，平放于振荡器上，室温下振荡 1 h，然后以 4 000 r/min 转速离心30 min，取出上清液，定容至10 mL，检测。(2)可交换态。在上述含有残渣的离心管中，加入 0.1 mol/L KH2PO4-K2HPO4溶液10 mL，室温下同法振荡 2 h，以 4 000 r/min转速离心30 min，取出上清液，定容至 10 mL，待测。(3)铁锰氧化物和碳酸盐结合态。在(2)含有残渣的离心管中，加入 3 mol/L HCl 10 mL，于 90 ℃的恒温水浴中加热50 min并间歇振荡，然后以 400 r/min转速离心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待测。(4)有机物结合态。在(3)含有残渣的离心管中，加入 0.1 mol/L K2S2O810 mL，于 90 ℃恒温水浴中加热 2 h并间歇振荡，然后以 4 000 r/min 转速离心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待测。取出残渣，烘干，重新研磨。以下操作方法同上面土壤总硒含量的测定。

玉米可给性试验于2015年9月12日开始进行，采用Jaiswal等的体外模拟消化方法[12]。胃部阶段：称1.25 g玉米粉到50 mL血清瓶中，加入12.5 mL胃液(6%胃蛋白酶，pH值为1.75)，混合物振荡1～2 min。然后密封血清瓶，以 150 r/min 转速在37 ℃条件下振荡3 h。每个样品设置重复。冷却后，在4 ℃下以5 000 r/min离心20 min。样品液经 0.45 μm 水性滤膜过滤，密封储存在0～4 ℃条件下待测，测量前先定容至50 mL，然后取出10 mL，稀释到100 mL上机测量。小肠阶段：将胃阶段得到的溶液pH值通过NH4HCO3调整到7，然后加入10 mL胰消化液(2%胰酶、0.2%胆汁)，混合物振荡1 min；接下来操作同胃阶段。样品分析采用ICP-MS，同时做空白试验和3个平行，数据结果可靠。

2 结果与分析

2.1 土壤硒含量

由图1可知，本研究区土壤硒含量空间分布不均匀，差异较大。总体来看，鱼塘坝地区土壤硒含量最高，达到(5.320±0.422)mg/kg；长平地区土壤硒含量最低，为(0.127±0.034)mg/kg。可见，土壤硒含量的最大值是最小值的 41.9 倍，基于算术平均数的变异系数为123%。鱼塘坝地区之所以高硒，大多数研究者认为是富硒炭质岩石的暴露和风化，然而朱建明等认为鱼塘坝高硒的重要原因是人为播撒富硒炭质岩碎粒和火土肥[13]。

2.2 玉米硒含量

由图2可知，本研究区玉米硒含量空间分布不均匀，差异较大。总体来看，鱼塘坝地区玉米硒含量最高，达(1.400±0.131)mg/kg；长平地区玉米硒含量最低，为(0.065±0.009)mg/kg。鱼塘坝地区玉米硒含量接近高硒中毒村的1.38 mg/kg，显著高于恩施其他地区[14]。玉米硒含量最大值是最小值的21.5倍，基于算术平均数的变异系数为126%。不同地区的玉米硒含量差异较大，郭宇等报道，在渔塘坝采集的玉米样品硒含量最大值为1.16 mg/kg[15]，这跟本试验的结果比较接近；Moon等采集了韩国地区的玉米样品，其硒含量比较低，为0.001 9 mg/kg[16]；Chilimba等研究了非洲马拉维地区生物强化的玉米，其硒含量最高可达21 mg/kg[17]。

2.3 玉米的富集系数

由图3可知，本研究区不同玉米品种的富集系数不同。总体来看，富硒能力最强的玉米品种是中玉335。其中富集系数范围0.210～0.514，算数平均数为0.321，基于算术平均的变异系数是41.5%，富集系数最大值是最小值的2.45倍。玉米中硒含量不仅与其所生长土壤的本底值有关，还与玉米的生理结构密切相关。玉米富集系数是表征玉米吸收富集硒能力的重要指标，不同玉米品种的富集系数有差异，而且某些品种间差异十分显著，说明在考察玉米富硒问题时，玉米品种也是一个不容忽视的重要因素。建议当地居民栽培玉米时应该根据当地的实际情况选择合适的玉米品种。

2.4 土壤硒的赋存形态

由图4可知，本研究区土壤硒的赋存形态空间分布有差异，连续浸提致使土壤硒分为水溶态、可交换态、碳酸盐和铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态5个部分，其中水溶态所占比例最低，残渣态所占比例最高。土壤硒的有效态是指真正可以被植物吸收利用的土壤硒形态，主要包括可交换态和水溶态。由图4可以看出，鱼塘坝地区土壤硒的有效态比例最低，长平地区最高。另外，鱼塘坝地区残渣态比例最高。对土壤中硒的全量分析是确定土壤硒营养状况的重要手段，但是却不能很好地提供硒的生物可利用性方面的信息，不同形态的硒有显著的地球化学差异，影响着硒在土壤环境中的迁移、转化和生物可利用性，因为了解土壤中硒的赋存形态十分必要。国内外的研究者针对不同地区样品提出了不同的土壤硒的连续化学浸提方法，如Wang等的五步法[11]、Shannasarka等的六步法[18]和朱建明等的七步法[19]。鉴于本次试验土壤样品的特质和总硒水平，决定参考Wang等的五步法[12]并略加改进，进行试验。恩施地区土壤普遍有效态比例低，残渣态比例高，说明该地区土壤硒的生物可利用性不高。鱼塘坝地区有效硒比例很低，但是土壤硒总量很高，所以真正可以被玉米利用的硒含量也相对比较高，导致了该地区玉米硒含量很高。虽然长平地区的土壤硒有效态比例最高，但是由于硒总量很低，真正被玉米利用的硒含量不高，导致该地区玉米硒含量很低。朱健明等采集了恩施地区的土壤样品，试验证明恩施地区土壤硒的可利用性普遍不高，比例最高的是植物不可利用的残渣态硒[19]；吴少尉等采集了恩施地区富硒土壤，连续浸提的结果将恩施高硒地区土壤硒分为水溶态、可交换态、碳酸盐及铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态5个部分，分别占总硒的3.1%、11.7%、16.7%、25.7%、42.0%[20]，这与本试验的结果相近。

2.5 玉米硒的生物可给性

由图5可知，本研究区采集的5种玉米品种硒的生物可给性存在差异。由此可以看出，5种玉米品种硒的生物可给性都是小肠阶段显著高于胃阶段，在小肠和胃阶段都是中玉335硒的可给性最高，惠民379最低。胃阶段硒的生物可给性为23.6%～39.1%，小肠阶段为44.9%～59.1%。说明玉米品种对硒的生物可给性有不可忽视的影响。不同的玉米品种硒的生物可给性不同，可能是因为不同玉米品种各成分的含量和比例有差别，不同研究者测出的玉米硒生物可给性结果不同，这可能是由于采样地区和体外模型方法不同导致的。Jaiswal等采集了印度的玉米样品，测出在胃阶段的可给性为32%，小肠阶段的可给性为51%，小肠阶段显著高于胃阶段[12]，这跟本试验结果相近，之所以小肠阶段更高，可能是因为小肠是食物消化的主要场所，拥有更多的消化液和消化酶；而Khanam等同样研究了印度的玉米样品，测出玉米硒的生物可给性却为10%左右[21]。恩施鱼塘坝地区玉米力单1号虽然可给性不是最高的，但是由于玉米总硒含量很高，所以被人体摄入的硒含量也相对较高。可见，长期食用当地玉还是很有可能有硒中毒的风险，应当慎重对待。

2.6 PDI指数

PDI(probable daily intake of Se for a human)指数通常被用来评价人群膳食硒中毒风险。Hawkesford等采集了北美地区的样品，PDI为60～220 μg/d[22]；Yoneyama等采集了日本地区的样品，PDI为140～178 μg/d[23]； Hira等采集了印度高硒地区的植物样品，PDI为475～632 μg/d[24]。

本试验采集玉米样品硒含量最高为1.40 μg/g，玉米品种硒的生物可给性最高为59.1%。另外根据湖北省统计年鉴可知，恩施地区人均玉米摄入量为38 g/d，根据Qin等的调查结果可知，玉米供硒占所有食物组分的6.7%左右，从而可以算出PDI为469 μg/d[25]。最新硒允许最高剂量为400 μg/d，所以恩施鱼塘坝高硒地区当地居民有慢性硒中毒风险[26]。

3 结论

整体来看，本研究区域内鱼塘坝地区土壤硒含量最高，长平地区土壤硒含量最低；鱼塘坝地区玉米硒含量最高，长平地区玉米硒含量最低；不同品种的玉米富集系数有差异，品种也是玉米富硒的一个不可忽视的重要因素；恩施地区土壤硒各赋存形态比例以残渣态最高、水溶态最低；不同玉米品种在胃阶段的生物可给性为23.6%～39.1%，在小肠阶段的生物可给性为44.9%～59.1%，小肠阶段显著高于胃阶段。本试验探究了玉米品种对硒的生物可给性的影响，结果表明玉米品种也是玉米硒生物可给性的一个不可忽视的因素；鱼塘坝地区PDI指数为469 μg/d，当地人群有慢性硒中毒的风险。

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