紫苏全生长期16种无机元素的分布规律

2018-10-15龚姮姮胡思平艾鑫卫黄文邺廖照江

三峡大学学报(自然科学版) 2018年5期

龚姮姮胡思平艾鑫卫黄文邺蔡涛廖照江

(1. 三峡大学生物与制药学院，湖北宜昌 443002； 2. 宜都市环境监测站，湖北宜昌 443000)

紫苏(Perillafrutescens)，别名：桂荏、白苏、赤苏等；为一年生草本植物，属于唇形科一属；紫苏为《中国药典》收载入药，属于第1批次被我国卫生部颁布的既是食品又是药品的60种中药之一．紫苏因有多种活性成分而备受中国乃至世界的关注．紫苏籽油中含有不饱和脂肪酸-α-亚麻酸，具有一定的预防性降低血脂的作用，紫苏总黄酮有抗氧化性，挥发油、有机酸、酚等化合物具有广泛的抗菌活性[1-5]．目前，对紫苏属植物药用价值的研究主要集中在挥发油上[6-7]，而对其无机元素的相关报道甚少．中药中微量元素的含量是中药品质非常重要的基础保障，紫苏作为药食两用的中药，对其无机元素研究十分必要[8-15]．

本研究以紫苏全生长期根、茎、叶部位为研究对象，应用ICP-MS对紫苏样品中16种无机元素(Na、Mg、K、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Cd、Hg、Pb)进行了定量测定，并进行分析，旨在对紫苏全生长期根、茎、叶部位从无机元素角度进行动态变化分析，为全面评价的紫苏的药食两用价值提供理论基础，为紫苏植物资源合理开发利用提供参考依据．

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫苏子药材购买于湖北宜昌西陵区．该样本经三峡大学王玉兵副教授鉴定为湖北紫苏(Perilla.Frutescens)．

标准品：混合标准溶液(含量：100 mL；批号：8517)购自Thermo Elemental；硝酸(优级纯)购自天津市科密欧试剂有限公司；过氧化氢(优级纯)购自天津市科密欧试剂有限公司；水为娃哈哈纯净水．

1.2 仪器

电感耦合等离子体质谱仪X Series 2(PlasmaLab 2.0数据处理系统)美国Thermo公司；德国sartorius BS224S电子天平：深圳市朗普电子科技有限公司；DZF-6020型真空干燥箱：上海-恒科技有限公司．

1.3 方法

1.3.1 电感耦合等离子体质谱条件

检测K、Na、Mg、Al采用冷焰模式，Fe、Co、Cd、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Pb采用碰撞池反应模式(即CCT模式)[16]测试．在最优化仪器工作条件后，两种模式的相关工作参数见表1．其中雾化气、助燃气、冷却气及载气均为氩气，CCT碰撞气为氦气．

表1 ICP-MS仪器工作参数

续表1 ICP-MS仪器工作参数

1.3.2 样品采集与制备

紫苏种子于2017年6月5日播种，直至2017年6月15日发芽长出两对叶片，对幼苗进行移栽，将幼苗移栽至面积(5 m×7 m)实验田，每组幼苗随机种植．移栽后每隔20 d后按规则采样(20、40、60、80、100、120 d)．

采样方法为对角线取样，在实验田对角线上选定5个取样点，在每个取样点上按规定的面积(50 cm×50 cm)内采样，每个点采取至少一株紫苏，按根、茎、叶三部位进行采收．根据植物生长情况，按不同生长时期可分为：营养期(0～60 d)、开花期(60～100 d)、结果期(100～120 d)．

紫苏样品采集后，先用自来水洗去上面的泥土等杂质，然后用去离子水清洗3遍，再用纱布吸取样品表面水分．于105℃下杀青，再在65℃烘48 h，制成干样．然后用中药粉碎机粉碎，准确称取粉碎后紫苏样品0.500 0 g置入聚四氟乙烯消解罐中．向消解罐中加入2.00 mL浓硝酸和2.00 mL过氧化氢，然后密封消解罐并置入烘箱中，180℃恒热8 h，冷却后小心打开消解罐，用稀硝酸溶液稀释并精确定容于50 mL容量瓶中，制得待测样本溶液，每个部位每个时期平行四个样本，全程做空白对照样．

1.3.3 标准曲线的绘制

内标溶液的配制：用移液管移取铑(Rhodon)标准液和铼(Rhenium)标准液各1.00 mL于1000 mL容量瓶中，加1%稀硝酸精确定容，配制成1000 μg·L-1的内标储备液，然后再用移液管移取1.00 mL内标储备液，移至100 mL容量瓶中，用1%稀硝酸精确定容，配制成浓度为10 μg·L-1内标使用液．

待测元素标准溶液的配制：用移液管移取多元素混合标准溶液1.00 mL于100 mL容量瓶中，加1%稀硝酸溶液精确定容，得到多元素混合标准储备液，然后采用逐级稀释法将多元素混合标准液释成质量浓度为0.5、5.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μg·L-1的标准系列溶液．

在选定测定参数下，将所配制的混合标准系列溶液用ICP-MS法测定各元素含量，绘制出相应的标准曲线，结果见表2．

表2 各元素标准曲线

1.3.4 精密度试验

取标准曲线第3点溶液10 μg·L-1，连续进样6次，各元素含量RSD在0.780 2%～4.823%，均小于5%，说明仪器精密度良好．

1.3.5 重复性试验

取紫苏茎(20171015)样品粉末0.500 0g，平行6份，按“2.3.2”项下方法操作得供试品溶液，测定，各元素RSD为1.250%～7.904%，结果均小于8%．

1.3.6 加标回收率试验

取紫苏茎(20171015)样品粉末0.250 0 g，精密称定，加2.00 mL多元素混合标准储备液100 μg·L-1，按“2.3.2”项下方法操作，计算各元素的加样回收率在84.35%～109.7%．

2 结果与讨论

实验研究了紫苏3个生长期、3个部位中16种元素的含量和变化趋势．紫苏的3个部位：根、茎、叶．16种元素是：K、Mg、Na、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se和Hg、Pb、Cd．其中前13种是生命必需元素，后3种有毒重金属元素．3个生长期为营养期(0～60 d)、开花期(60～100 d)、结果期(100～120 d)．

2.1 16种元素在全生长期的含量及变化规律

2.1.1 16种元素含量分类

按含量分类，16种元素可分为4类，高含量元素：K、Mg，它们的含量通常在465～24 000 μg·g-1．中等含量元素：Al、Fe、Na，它们含量一般在35～3 471 μg·g-1，低含量元素：Pb、Mn，Zn、Cu，Cr、Ni，含量处于0～365 μg·g-1．痕量元素：As、Co，Hg、Se，Cd，其含量处于0.04～4.30 μg·g-1．

2.1.2 16种元素含量的变化趋势

16种元素含量随生长时间延长，总体上都表现为下降趋势(如图1所示)，下降趋势特别明显的是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、As这8种元素，营养期20 d时在茎中的含量非常高，随后快速下降．下降趋势最明显的K、Mg、Na、Fe、Al等5种元素，除了保持总的下降趋势外，在茎中的含量下降趋势尤为明显，降幅分别是2、6、74、86和99倍．这与紫苏生长过程茎的扩张幅度最大相一致．根和叶中的这5种元素虽有下降趋势，但降幅不大．也就是说，在紫苏各部位扩张过程中，这5种元素也继续吸收同化并保持相对稳定的含量．这表明，随着生长期顺延、紫苏有机物含量不断增加，这5种无机元素的总量也是保持增加态势，并与有机物增量基本持平并略有下降．

图1 全生长期16种元素含量动态变化

大部分元素(如K、Mg、Al、Fe、Zn、Cu、Cr、Ni、Co、As)含量随生长时间总体呈下降趋势，但在结果期的100 d出现回升，即下降曲线在100 d出现峰值．只有As、Se、Hg未显现出下降趋势，并且这3种元素在生长的中后期还出现峰值．也有少数元素：Se和Hg，分别在结果期的100 d出现峰值．大部分元素含量总体呈下降趋势，可以用全生长期的生物量的增长规律做出合理解释．本文对紫苏全生长期的干重进行检测的结果见表3．由表3可见，紫苏全株生物量随着生长期的推进，呈急剧增长态势．所以，在生物量的稀释作用下，元素含量呈总体下降趋势．

表3 不同生长期紫苏单株干物质(单位：g·株-1)

在100～120 d区间，增幅至此已经十分平缓，导致含量出现了峰值．所以，峰值的出现，可能并不存在特别的生理过程和增殖方式，而是生物量增幅至此处于停滞所致．

2.2 16种元素在根茎叶中的含量规律

根、茎、叶属于紫苏的不同功能部位，其组织结构和生理机能不同，对不同元素的吸收同化也呈现出比较大的差别(如图2所示)．

2.2.1 16种元素在根中的含量

根中，以100 d计，K、Mg、Al、Fe、Na、Cu、Zn的含量呈阶梯状，含量分别是3 682、2 172、540.4、401.1、263.9、43.90、43.79 μg·g-1，K和Mg的含量最高，Al、Fe、Na次之，而Cu和Zn的较低．除了其中的Al元素以外，K、Mg、Fe、Na、Cu、Zn均属于营养元素，紫苏各部位都表现为K高Na低、Cu富Zn足的状态，符合人类对K和Na摄取比例，以及对Cu、Zn元素的微量摄取需求．

图2 根、茎、叶部位无机元素含量动态变化

2.2.2 16种元素在茎中的含量

仍以100 d为例，茎中含量最高的元素是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、Cr、Mn、Ni，分别是11 442、3 866、195.0、173.8、43.86、22.01、14.49、12.10、6.798、3.795 μg·g-1．K、Mg含量最高，K含量尤其高；Na、Fe、Al含量居中，Zn、Cu、Cr、Mn、Ni的含量较低．K作为机体重要的电解质，能维持肌肉的韧性和正常心律，并促进蛋白质、碳水化合物的代谢．紫苏茎有顺气、安胎、化痰和发散风寒等功效，可能与K含量有关．

2.2.3 16种元素在叶中的含量

叶部位含量，仍以100 d计，含量最高的元素是K、Mg、Al、Fe、Na、Zn、Mn、Cu、Cr、Ni、As、Se、Hg、Pb，含量分别是6926、6571、893.6、666.3、273.3、55.80、37.08、12.95、3.990、3.220、2.460、0.420 1、2.450、2.301 μg·g-1．叶部位的这14种元素依然是呈台阶分布，其中，K、Mg含量高，Al、Fe、Na含量较高，Zn、Mn含量居中，其余元素含量较低，紫苏叶中含有丰富的人体有益元素．

2.3 根、茎、叶3部位中人体毒害元素分布

非金属元素As和重金属元素Cd、Hg、Pb，被认为是对人体毒性最大的4种元素．紫苏根茎叶中As、Cd、Hg、Pb含量都比较低，列在表4中．

表4 120 d时根茎叶As、Cd、Hg、Pb的含量(单位：μg·g-1)

2.3.1 4种毒害元素的含量变化

As、Cd、Hg、Pb，这4种元素都呈现出随生长期的下降趋势，随着紫苏各部位有机物含量的增长，这4种元素被稀释，含量减少．

As、Hg两种元素在结果期的100 d出现回升，这可能是因为As为生命必需元素，与紫苏组织中特定物质有识别与结合，并在结果期含量升高．而Hg元素具有挥发性和烷基化特点，在结果期通过叶的表面吸附而使其含量上升．

2.3.2 4种毒害元素的根茎叶3个部位的含量比较

As、Cd、Hg和Pb，这4种毒害元素在根、茎、叶3部位中的含量都较低，总体小于3 μg·g-1．其中As<0.1 μg·g-1，Cd<0.3 μg·g-1、Hg<0.5 μg·g-1，Pb<2.0 μg·g-1．As、Cd、Hg、Pb的含量均低于《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》[17](WM/T 2-2004)(As≤2.0 μg·g-1、Cd≤0.3 μg·g-1，Hg≤0.2 μg·g-1、Pb≤5.0 μg·g-1)的限量标准，仅紫苏叶中Hg元素含量超过的限量标准，有可能与其土壤背景有关，有待进一步研究．常量元素中K、Na、Mg在机体中以离子状态存在，参与酶的激化过程，维持体内渗透压和酸碱平衡，且毒害元素含量低可以保障食用安全、增加营养价值．