新疆核桃及后代坚果矿物质营养元素分析

努尔买买提·阿布地热木,焦灰敏,周小魏,伊再提古丽·加帕尔,王飞雪,王新建,2,*

(1.塔里木大学植物科学学院/南疆特色果树高效优质栽培 与深加工技术国家地方联合工程实验室,新疆阿拉尔 843300; 2.新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室,新疆阿拉尔 843300)

核桃是核桃科(Juglandaceae)、核桃属(Juglans)的一种果材兼用树种,也是我国栽培历史悠久、分布广泛、种质资源丰富的古老果树。作为造林首选树种,核桃属植物具有其重要的生态价值[1]。新疆是我国最早种植核桃的地区之一,栽培历史悠久,优良品种丰富,主要有纸皮核桃、薄壳核桃、露仁核桃、早熟核桃等,普遍具有壳薄、果大等特点,核桃树还是非常适宜新疆干旱地区绿化和观赏的树种[2]。

核桃以其丰富的营养和独特的风味被广大人民群众喜爱,核桃富含人体必需的各种蛋白质及氨基酸、维生素、脂肪酸、矿质元素等多种营养成分[3-4]。矿物质元素是人体不可缺少的重要元素之一,研究发现某些矿物质元素还具有较高的保健作用,如K、Ca、Se等。微量元素在人体内不仅能促进机体合成生命活动所需的物质,而且还能提高酶的活性,增强机体的免疫功能,是维持生命活动不可缺少的物质,缺少时会引起各种疾病[5-6]。矿质元素含量与食品的营养价值及中药材药效紧密相关[7]。

由廖天录[8]、钱新标[9]和田建保[10]等人对核桃、山核桃和美国山核桃微量元素的测定可知三者都含有丰富多样的微量元素,某些元素在含量上差异不大,而有些元素却有很大差异。郭向华[11]以早实薄皮核桃-绿岭为试材,研究了主要矿质元素含量与早实核桃产量、质量的关系,从各时期叶中N、P、K、Ca、Mg、Mn、Zn含量与果实产量、核仁蛋白质、核仁脂肪等复杂的相关性中可以看出,核桃果实产量及品质受矿质元素的影响因时期不同而存在差异。叶静等[12]对新疆乌什县新温185号核桃树营养进行盈亏分析时提出Ca、Mg元素浓度适宜范围分别为28.19～38.47、9.52～11.29 g/kg,核桃叶片Fe元素浓度适宜范围为308.32～384.41 mg/kg、Mn元素为71.25～136.53 mg/kg、Zn元素为30.95～35.78 mg/kg、Cu元素为10.95～13.44 mg/kg。核桃仁还含有丰富的维生素及钙、铁、磷、锌等多种微量元素[13-14]。锰具有促进人体生长发育、保证机体内分泌正常功能、参与人体骨骼造血等多种生物学功能[15];磷是人体软组织的重要组成部分;体内99%的钙与磷形成骨盐集中于骨骼和牙齿中,维生素D的缺乏会影响钙的吸收,因此日常补钙建议同时补充维生素D;锌铜比值低对冠心病患者缓解病情有益[16];铁在人体内主要以铁蛋白的形式存在于肝、脾和骨髓中,是构成血红蛋白的主要原料成分,参与氧的运输和存储。

电感耦合等离子体发射光谱仪(Inductively coupled plasma-optical emission spectrometer,ICP-OES)具有分析速度快、线性范围宽、可多元素同时测定、检出限低等优点,已被广泛地应用于生物与医学、地质与环境、食品与化学、贵金属和高纯物质分析[17-23]等领域。近年来随着新疆环塔里木盆地特色林果产业的大力发展,核桃栽种面积迅速扩大,追求高品质和更高的营养价值是核桃深层次开发利用中的关键科学问题。

通过对新疆薄皮核桃果仁中的矿质元素组成、各组分相对含量进行比较分析,可为新疆薄皮核桃资源评价及新品种选育提供理论依据。本实验以新疆主要栽培的新新2号、温185与其实生后代等68个品系作为测试材料,采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES),测定各优株坚果矿质元素的最大值、最小值、平均值、标准差及变异系数,采用相关性分析,主成分分析法对坚果品质进行分析,以期为核桃品质化育种和核桃加工品种化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

供试材料 选取新疆阿拉尔市塔里木大学园艺试验站栽植的2个品种的实生后代核桃,主要有“温185”核桃与实生后代35株和“新新2号”核桃与实生后代33株,总共68个样品,树势生长强壮,常规管理。2015年9月10～30日,分别对每个实生后代单株(编号依次为北1-10、北3-10、北6-10、北7-15、中1-12、中5-9、中6-10等)于每株树的树冠中部外围采集发育正常的完熟期果实30个,放于阴凉通风处3～5 d,待青皮自行脱落,放于通风、干燥处晾晒,晾晒过程中每天翻动,使其干燥均匀,剥取坚果仁,用刀片切成碎末,混匀,备用；浓硝酸(优级纯) 西陇化工股份有限公司；乙腈、磷酸为色谱纯,自制超纯水；其余试剂 均为分析纯。

ICP-OES720 瓦里安电感耦合等离子体原子发射光谱仪 美国瓦里安技术中国有限公司;ICPMS7700电感耦合等离子体原子发射质谱仪 美国安捷伦公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品的制备 称取0.5 g核桃(粉碎核桃)入微波消解管中,加入硝酸5 mL,过氧化氢2 mL。混合液一并放入设定好的微波消解仪消解后冷却过滤定容到50 mL,仪器进样得出测试结果。

1.2.2 核桃仁中矿质元素含量的测定方法 通过瓦里安电感耦合等离子体原子发射光谱仪,测试核桃仁中 K、P、Ca、Mg、Na、Si、Fe、B 含量,采用安捷伦电感耦合等离子体原子发射质谱仪测定核桃仁中 Mn、Cu、Zn、Se含量。测试条件:检测环境温度:24.0 ℃;湿度:50% RH。射频功率1000 W,等离子体气流量:16 L/min,载气流量1.5 mL/min,泵速15 r/min,进样速率0.1 mL/min。其中等离子气、辅助气:0.6 L/min、雾化气0.5 L/min,均为高纯氩。按照选定的仪器工作条件,取样液直接测定各元素含量,方法检出限0.05 mg/L,误差<5%。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和DPS7.55版进行数据统计和分析。

2 结果与分析

2.1 新疆核桃实生后代坚果矿质元素比较

2.1.1 “温185”亲本与实生后代坚果矿质元素比较 由表1可知,温185实生后代中各类矿质元素含量由高到低依次为P>K>Mg>Ca>Fe>Zn>Na>Si>Mn>Cu>B>Se,其中P元素含量最高,说明P是核桃仁内主要矿质元素,温185亲本总元素内P含量占50.84%,后代的P含量占49.75%;综上所述可知,后代坚果矿质元素中Se含量的变异系数较大(36.04%),其变异幅度为0.12～0.52 mg/100 g。以亲本对比和超过亲本的高营养价值为筛选优良品系的指标,温185的实生后代中,北1-10、北1-11、北3-13、北4-16北6-9、北6-11,可以认为是较优品系。

表1 “温185”与实生后代坚果12种矿质元素比较(mg/100 g)Table 1 “Wen185”with the offspring nuts comparison of 12 mineral elements(mg/100 g)

温185的实生后代中P含量超过亲本(563.24 mg/100 g)的占85.00%,低于的占15.00%;后代中K含量超过亲本(290.08 mg/100 g)的占70.00%,低于的占30.00%;后代中Mg含量超过亲本(142.29 mg/100 g)的占95.00%,低于的占5.00%;后代中Ca含量超过亲本(94.34 mg/100 g)的占50.00%,低于的占50.00%;后代中Fe含量超过亲本(4.35 mg/100 g)的占80.00%,低于的占20.00%;后代中Zn含量超过亲本(2.96 mg/100 g)的占95.00%,低于的占5.00%;后代中Na含量超过亲本(3.64 mg/100 g)的占30.00%,低于的占70.00%;后代中Si含量超过亲本(3.36 mg/100 g)的占60.00%,低于的占40.00%;后代中Mn含量超过亲本(4.88 mg/100 g)的占0.00%,低于的占100.00%;后代中Cu含量超过亲本(1.92 mg/100 g)的占95.00%,低于的占5.00%;后代中B含量超过亲本(0.97 mg/100 g)的占75.00%,低于的占25.00%;后代中Se含量超过亲本(0.27 mg/100 g)的占65.00%,低于的占35.00%。

2.1.2 “新新2号”亲本与实生后代坚果矿质元素比较 由表2可知,新新2号实生后代中各类矿质元素含量由高到低依次为P>K>Mg>Ca>Na>Fe>Si>Mn>Zn>Cu>B>Se;其中P元素含量最高,说明P是核桃仁内主要矿质元素,新新2号亲本总元素P含量内占41.64%,后代的P含量占42.84%;新新2号实生后代中P含量超过亲本(386.96 mg/100 g)的占88.89%,低于的占11.11%;后代中K含量超过亲本(286.83 mg/100 g)的占77.78%,低于的占22.22%;后代中Mg含量超过亲本(142.10 mg/100 g)的占77.78%,低于的占22.22%;后代中Ca含量超过亲本(98.57 mg/100 g)的占50.00%,低于的占50.00%;后代中Na含量超过亲本(3.22 mg/100 g)的占72.22%,低于的占27.78%;后代中Fe含量超过亲本(3.56 mg/100 g)的占38.89%,低于的占61.11%;后代中Si含量超过亲本(3.21 mg/100 g)的占55.56%,低于的占44.44%;后代中Mn含量超过亲本(3.14 mg/100 g)的占38.89%,低于的占61.11%;后代中Zn含量超过亲本(2.68 mg/100 g)的占72.22%,低于的占27.78%;后代中Cu含量超过亲本(2.11 mg/100 g)的占55.56%,低于的占44.44%;后代中B含量超过亲本(1.03 mg/100 g)的占77.78%,低于的占22.22%;后代中Se含量超过亲本(0.19 mg/100 g)的占66.67%,低于的占33.33%。

表2 “新新 2号”亲本与实生后代坚果12种矿质元素比较(mg/100 g)Table 2 “Xinxin No 2”parents and their offspring nuts comparison of 12 mineral elements(mg/100 g)

综上所述可知,后代坚果矿质元素中Se与Mn含量的变异系数较大(为32.15%、30.77%)。以亲本对比和超过亲本的高营养价值为筛选优良品系的指标,新新2号的实生后代中,中1-11、中2-12、中3-11、中4-12、中5-9、中6-11,可以认为是较优品系。

2.2 核桃亲本与实生后代坚果中矿质元素相关分析

2.2.1 “温185”亲本与实生后代坚果中矿质元素相关分析 对温185与实生后代坚果矿质元素成分进行相关性分析见表3。由表3可知,P与K、Mg元素,K元素与Mg、Zn元素,Mg与Zn元素,Zn与Cu元素之间呈极显著正相关(p<0.01),相关指数分为0.58、0.62、0.81、0.56、0.71、0.68;P与Zn,B与Se元素之间呈显著正相关(p<0.05),相关指数分为0.51、0.48;其余矿质元素间无极显著相关性。

表3 “温185”亲本与实生后代坚果中不同矿质元素的相关分析Table 3 “Wen 185”parents and their offspring nuts correlation analysis of different mineral elements

2.2.2 “新新2号”亲本与实生后代坚果中不同矿质元素的相关分析 由表4可知,Zn与Cu,Mg与Zn、K,Mn与Ca元素之间呈极显著正相关(p<0.01),相关指数分为0.90、0.62、0.60、0.56;P与K元素,Mg与Cu元素,Mn与Se元素之间呈显著正相关(p<0.05),相关指数分为0.47、0.47、0.46;Mg与Mn、B与Ca、Mn、Si元素之间呈显著负相关(p<0.05),相关指数分为-0.54、-0.55、-0.45、-0.52;其余矿质元素间无极显著相关性。

表4 “新新2号”亲本与实生后代坚果中不同矿质元素的相关分析Table 4 “Xinxin No 2”parents and their offspring nuts correlation analysis of different mineral elements

2.3 核桃亲本与实生后代坚果中矿质元素主成分分析

2.3.1 “温185”与实生后代坚果中矿质元素主成分分析 主成分分析法是用少数变量尽可能多的反映原来变量的信息,一般认为累积方差贡献率大于85%,就可以保留大部分重要信息[16]。由表5可知,第1主成分的贡献率最大,为31.33%,是最重要的主成分,第1主成分以Mg、K、Zn和P等元素为代表,第2主成分以B、Cu和Se等元素为代表,第3主成分以Si和Mn等元素为代表,第4主成分以Na和Si等元素为代表,第5主成分以Se和Fe等元素为代表,第6主成分以Ca元素为代表。前6个因子的方差贡献率分别为31.33%、18.46%、12.70%、9.46%、7.83%、6.68%,其累积贡献率达86.46%。因此可通过对以上12种元素的测定分析,知悉核桃品种果实中矿质元素的含量高低。前6个主成分的累计贡献率为86.46%,这6个主成分能较为全面的反映矿质元素的大部分信息,因此提取6个成分比较合适。

表5 “温185”亲本与实生后代矿质元素组成成分的主成分分析Table 5 “Wen185”parents and their offspring nuts mineral element principal component analysis

2.3.2 “新新2号”亲本与实生后代矿质元素主成分分析 对矿质元素含量值进行主成分分析,由表6可知,第1主成分的贡献率最大,为26.80%,是最重要的主成分,第1主成分以Zn、Mg和Cu等元素为代表,第2主成分Mn和Ca等元素为代表,第3主成分以Na和Cu、Zn等元素为代表,第4主成分以K、Se和Si等元素为代表,第5主成分以Na和B等元素为代表,第6主成分以P和Fe等元素为代表。前6个因子的方差贡献率分别为26.80%、22.29%、16.06%、10.95%、7.17%、6.06%,其累积贡献率达89.32%。因此可通过对以上12种元素的测定分析来知悉核桃品种果实中矿质元素的含量高低。前6个主成分的累计贡献率为89.32%,这6个主成分能较为全面的反映矿质元素的大部分信息,因此提取6个成分比较合适。

表6 “新新 2号”亲本与实生后代矿质元素组成成分的主成分分析Table 6 “Xinxin No 2”parents and their offspring nuts mineral element principal component analysis

2.4 温185和新新2号核桃与它们实生后代种仁中矿质元素的比较

供试核桃种仁中矿质元素种类和含量比较丰富,温185核桃仁矿质元素中P元素含量最多为563.24 mg/100 g,它后代P元素平均值含量为608.54 mg/100 g;新新2号核桃仁矿质元素P含量为386.96 mg/100 g,后代P平均值含量为439.28 mg/100 g;说明温185核桃P含量比新新2号高176.28 mg/100 g,温185核桃后代P含量比新新2号后代高169.26 mg/100 g。温185核桃仁矿质元素中Mg含量最多为142.29 mg/100 g,它后代Mg平均值含量为175.59 mg/100 g;新新2号核桃仁矿质元素Mg含量为142.10 mg/100 g,后代Mg平均值含量为148.95 mg/100 g。说明温185核桃后代Mg含量比新新2号后代高26.65 mg/100 g,两个亲本之间差异不大,但它们后代之间差异大。

在微量元素中,温185核桃仁中Fe含量最多为4.35 mg/100 g,它后代Fe平均值含量为4.85 mg/100 g;新新2号核桃仁矿质元素Fe含量为3.56 mg/100 g,后代Fe平均值含量为3.32 mg/100 g,说明温185核桃Fe含量比新新2号高0.79 mg/100 g,温185核桃后代Fe含量比新新2号后代高1.53 mg/100 g;温185核桃仁中Mn含量最多为4.88 mg/100 g,它后代Mn平均值含量为2.89 mg/100 g;新新2号核桃仁矿质元素Mn含量为3.14 mg/100 g,后代Mn平均值含量为3.10 mg/100 g,说明温185核桃Mn含量比新新2号高1.74 mg/100 g,温185核桃后代Mn含量比新新2号后代低0.21 mg/100 g。

3 讨论与结论

温185和新新2号实生后代坚果种仁中12种矿质元素平均总含量分别为1227.55、1029.76 mg/100 g,高于亲本温185(1115.29 mg/100 g)和新新2号(933.59 mg/100 g)。温185核桃种仁矿质元素中P元素含量最多为563.24 mg/100 g,其后代P元素平均含量为608.54 mg/100 g,高于亲本;新新2号核桃种仁矿质元素中P含量为386.96 mg/100 g,后代P平均含量为439.28 mg/100 g,也高于亲本;温185亲本总元素内P含量占50.84%,后代的P含量占49.75%;新新2号亲本总元素P含量内占41.64%,后代的P含量占42.84%。

本研究中,温185实生后代中各类矿质元素含量由高到低依次为P>K>Mg>Ca>Fe>Zn>Na>Si>Mn>Cu>B>Se,其中P元素含量最高;其中,P、K、Fe、Mn、Zn、Cu等元素含量排序与张琦等[25]研究结果一致,但本研究中P、Zn元素含量要高于前人的研究结果;张琦等[25]研究了不同品种核桃外观品质和矿质养分含量的比较,研究表明温185核桃P含量为480 mg/100 g、Zn含量为2.35 mg/100 g。本研究中‘温185’亲本P含量为563.24 mg/100 g,后代中P含量最高的是北5-16,为692.61 mg/100 g;温185亲本Zn含量2.96 mg/100 g,后代中Zn含量最高的是北6-11,为5.28 mg/100 g。因此,本研究中 P、Zn 元素含量高可能与核桃品种、土壤中可利用元素含量、气候条件、栽培管理等因素有关。

虎海防[26]研究了不同品种核桃6种矿质元素(P、K、Ca、Fe、Zn、Se),总含量从高到低依次为‘泡核桃’>‘晋龙1号’>‘绿岭’>‘鲁光’>‘辽宁1号’>‘辽核1号’>‘温185’>‘香玲’>‘新新2号’>‘辽核3号’>‘中林1号’,其研究表明‘温185’和‘新新2号’核桃6种矿质元素(P、K、Ca、Fe、Zn、Se)总含量分别为944.69、884.31 mg/100 g。本研究‘温185’和‘新新2号’核桃12种矿质元素(P、K、Ca、Mg、Na、Si、Fe、B、Mn、Cu、Zn、Se)总含量分别为1115.29、933.59 mg/100 g;其中‘温185’和‘新新2号’核桃6种矿质元素(P、K、Ca、Fe、Zn、Se)总含量分别为955.23、778.78 mg/100 g,‘新新2号’核桃6种矿质元素总含量稍低于前者的研究结果。

孙树杰等[27]研究核桃仁中还含有许多对人体有特殊生理功效的生物活性物质,具有很高的营养与食用价值。匡立学等[28]、胡淳淳[29]、宋苗语[30]等分别对苹果、石榴、草莓果实中矿质元素含量进行测定,结果显示,不同苹果果实中矿质元素排序 K>P>Mg>Ca>Zn>Cu>Mn。石榴果实中的矿质元素含量大小依次为K>Ca>Mg>Fe>Cu>Zn>Mn。草莓果实中矿质元素含量为K>P>Ca>Mg>Na>Fe>Zn>Se。说明水果果实中主要是K、P、Ca、Mg、Zn、Cu、Mn等元素含量较高。本研究中核桃仁中P、K、Ca、Mg、Zn、Mn元素含量明显高于苹果、石榴、草莓等水果。说明核桃仁中富含P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn元素,因此,经常食用核桃,可及时补充P、K、Mg、Fe、Zn、Mn等元素,对人体渗透压失衡、生理活动失常的病人有积极帮助[31]。核桃可以成为补充人体易缺乏的微量矿质元素Ca、Mg、Fe、Zn的良好食品。

相关性分析显示,温185核桃后代坚果种仁中,K与Mg元素之间呈极显著正相关(p<0.01),相关系数为0.81;新新2号核桃后代坚果种仁中Zn与Cu元素之间呈极显著正相关(p<0.01),相关系数为0.90。通过主成分分析,温185核桃后代中,前6个主成分的方差贡献率分别为31.33%、18.46%、12.70%、9.46%、7.83%、6.68%,其累积贡献率达86.46%;新新2号核桃后代中,前6个主成分的方差贡献率分别为26.80%、22.29%、16.06%、10.95%、7.17%、6.06%,其累积贡献率达89.32%。

因此,以亲本为对照和超过亲本的高营养价值为筛选优良品系的指标,可以得出,温185实生后代中,北1-10、北1-11、北3-13、北4-16、北6-9、北6-11;新新2号实生后代中,中1-11、中2-12、中3-11、中4-12、中5-9、中6-11可以认为是较优品系,可作为核桃果实的功能性食品开发的适宜类型。研究表明温185、新新2号两种核桃品种及其实生后代矿质元素含量相对丰富,这为品种改良尤其是高含量的营养元素品种的选择性育种提供了良好种质资源。