北京地区六种主产水果矿质元素含量分析及初步膳食风险评估

倪 杨,史玉琴,石 磊,张 倩,张莹莹,杨军军,熊 融,*

(1.北京市林业果树科学研究院,北京 100093; 2.北京市落叶果树工程技术研究中心,北京 100093; 3.北京市食用林产品质量安全监督管理事务中心,北京 100029)

北京现有果树面积133298.56公顷,鲜果面积约占50%,主要分布在平谷、昌平、房山、密云和大兴。随着北京市产业化结构调整进程的推进,平谷大桃产业、大兴梨产业、昌平苹果标准化基地、房山柿子生产基地等产业区域化布局已初步形成,桃、苹果、梨、樱桃、葡萄的年产量达12.15亿斤,年产值34.47亿元,经济效益价值20.27亿元,其中,桃、苹果和梨占北京市经济林总产值的64.58%[1]。因此,根据北京地区果品生产和消费的特点,系统探讨6种主产水果的主要矿质元素含量水平,并对其进行初步的膳食营养评估和风险评估,将为北京地区水果的生产和消费提供参考依据。

水果是人类健康饮食的重要组成部分,含有丰富的矿质营养元素,对维持人体机能的正常运转与平衡起着重要作用。矿质元素摄入过量或不足都会不同程度地引起人体生理异常,增加患病风险。目前,矿质元素的含量分析在蔬菜[2-4]、水果[5-12]、干果[13-14]、中草药[15-16]等中均有大量报道,多数为检测方法的开发、利用,种质资源评价与新品种选育以及有毒重金属的膳食暴露风险评估,而对于多种水果中矿质营养元素含量的比较分析与安全性评估的研究报道较少。

中国关于营养元素的风险评估工作在制定中国居民膳食营养素参考摄入量(DRIS)中已经引入,并提出了大多数营养素的日推荐摄入量(recommended nutrient intake,RNI)、适宜摄入量(adequate intake,AI)和可耐受摄入量(tolerable upper intake level,UL),在制定相应的营养政策、标准中起重要作用[17]。本研究采用ICP-MS对北京地区主要生产的6种水果中9种矿质元素含量进行比较和分析,并分别以其RNI/AI和UL为评价标准,对居民每日从水果中摄入矿质营养元素的含量进行评估;明确北京地区草莓、樱桃、梨、桃、葡萄和苹果中9种矿质营养元素的含量水平及其对各类人群的膳食风险水平,确定需要重点关注的矿质元素与人群,为市民平衡膳食提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

水果样品 2018年于各种水果的适采成熟期,从北京各区的不同果园随机采集样品156份,每份3 kg,具体样品信息详见表1;Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ge、Rh单元素标准溶液(1000 mg/L) 国家标准物质研究中心;Li、Co、In、U调谐液(10 mg/L) 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;生物成分分析标准物质:大米(GBW10010)、辽宁大米(GBW10043) 国家标准物质研究中心;浓硝酸(HNO3优级纯) 默克化工技术(上海)有限公司;超纯水(电阻率>18.2 MΩ·cm) 由Milli-Q超纯水系统制得;高纯氩气(纯度99.99%) 北京氦普北分气体工业有限公司。

表1 样品信息表Table 1 Information sheet for samples

MARS6微波快速消解系统 美国培安科技有限公司;X SeriesⅡ电感耦合等离子体质谱仪 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;Milli-Q超纯水仪(电阻率>18.2 MΩ·cm) Millipore;BSA2202S、BSA224S-CW电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;EHD-40赶酸仪 北京东航科仪仪器有限公司;JYL-C50T匀浆机 九阳股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 样品经自来水、超纯水冲洗干净后,草莓取全果,其它5种水果除去果核后分别进行匀浆。准确称取2.00 g匀浆样品放入消解罐中,加入5 mL HNO3,按照表2设定的消解程序进行微波消解。消解完全后,待温度冷却至70 ℃以下,在通风橱中缓慢打开消解罐,在90 ℃水浴中赶酸1.5 h。赶酸近干并冷却后,将消解液转移至25 mL容量瓶中,以少量超纯水洗涤消解罐与盖子3～4次,合并洗液并转移至容量瓶中,定容至刻度线,混匀待测。以同样的方法制备空白对照和大米标准物质消解液。所有玻璃容器均需30% HNO3浸泡2 d,超纯水冲洗干净后使用。

表2 微波消解程序Table 2 The procedure of microwave digestion

1.2.2 样品中矿质元素含量的测定 用ICP-MS测定每个样品中Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se元素的含量,将20 μg/L的Ge、Rh混合内标溶液(介质为2% HNO3(V/V))通过三通进样管在线加入,样品直接进入质谱仪检测,每个样品重复测定3次,样品之间用2% HNO3(V/V)溶液清洗管路。用标准物质大米(GBW10010)和辽宁大米(GBW10043)作为质量控制,标准参考物的测定值在其定值范围内的同批样品检测值为有效结果[6]。对于未检出的样品,根据世界卫生组织和美国环境保护署推荐的数据处理方法,用定量限的一半代替[18]。

1.2.3 矿质元素摄入量占其RNI/AI的比值 计算公式为:

V=C×IR/RA×100

式中,V:该种水果的矿质元素摄入量占中国居民膳食矿物质推荐摄入量/适宜摄入量(RNI/AI)的比值,%;C:该种水果的矿质元素含量,mg·kg-1;IR:该种水果的日均消费量,kg·d-1;RA:中国营养学会制定的中国居民膳食营养素参考摄入量中的RNI/AI,mg·d-1。

1.2.4 匹配度的计算 计算公式为:

式中,DM:该种水果的矿质元素含量与人体每日需求量间的匹配程度(degree of match,DM),%;k:矿质元素种类;V:该种水果的矿质元素摄入量占其RNI/AI的比值,%。

在未超过人体可耐受最高摄入量的情况下,DM越大,则认为该种水果中的矿质元素含量满足人体每日膳食摄入需求的程度越高。

1.2.5 风险指数的计算 计算公式为:

R=C×IR/UL×100

式中,R:风险指数,单位%;C:该种水果的矿质元素含量,单位mg·kg-1;IR:该种水果的日均消费量,单位kg·d-1;UL:可耐受最高摄入量,单位mg·d-1。

采用风险指数对膳食风险进行评估,来自6种水果的矿质元素含量与UL的比值越小则风险越小,当R≤100%时,表示风险可以接受;当R>100%时,表示有不可接受的风险。

1.3 数据处理

实验数据应用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 标准曲线和检出限

将各单标元素的标准储备液用2% HNO3(V/V)稀释配制成0、1、5、50、500、2000 μg/L的混合标准曲线溶液,用于测定Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Se元素的标准曲线。如表3所示,按照本实验方法,9种元素的线性回归方程相关系数r均不小于0.9990,线性关系良好。通过对样品空白溶液测定11次所得标准偏差的3倍所对应的质量浓度为各元素的检出限,结果显示检出限在0.000125～0.125 mg/L范围内。

表3 标准曲线和检出限(n=11)Table 3 Results of detection of linearity and limits of detection(n=11)

2.2 标准参考物质的测定

用生物成分分析标准物质大米(GBW10010)和辽宁大米(GBW10043)进行水果中9种矿质元素含量测定的质量控制。如表4所示,各元素的测定值都在国家标准参考值范围内、吻合良好,且RSD值均小于8%,该实验方法能够满足检测要求。

表4 大米标准品的矿质元素含量(n=7)Table 4 Mineral elements contents in rice standard(n=7)

2.3 加标回收试验

分别对6种水果中的9个元素进行3个浓度梯度的加标,每个浓度设7个平行。实验结果(表5)表明,各元素的加标回收率为81.25%～110.46%,相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)为1.4%～7.9%,表明该实验方法的准确度和精密度较好,适用于水果中矿质元素含量的测定。

表5 水果中矿质元素的添加回收试验结果(n=7)Table 5 Results of recovery for mineral elements in fruits(n=7)

2.4 水果中矿质元素含量的分析与比较

156份水果样品的矿质元素含量如表6所示,9种元素平均含量由高到低依次为:Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,其中Mg作为常量元素在水果中含量最高,微量元素中Zn、Fe、Mn、Cu的平均含量明显高于Cr、Ni、Co、Se,各元素之间差异显著(P<0.05),且离散程度较大,变异系数范围为51.22%(Cu)～99.58%(Ni)。

表6 水果中矿质元素的含量水平Table 6 The contents of mineral elements in fruits

如表7所示,北京地区主要生产的6种水果中均含有丰富的Mg元素,樱桃中Mg的平均含量高达192.71 mg/kg,约为草莓的1.2倍、梨的2倍、葡萄和桃的4倍、苹果的5倍,各种水果样品之间离散程度很小,变异系数仅为7.43%(桃)～13.52%(葡萄)。

表7 6种水果的矿质元素含量水平Table 7 Mineral elemental levels of six fruits

微量元素中含量较高的Zn、Fe、Mn、Cu在6种水果中的含量有所差异,将其进行高低排序可以看出,梨、葡萄和桃中Zn的含量高于Fe,且Zn在该4种微量元素中排序最高;其它3种水果与之相反,Fe的含量高于Zn。在樱桃和葡萄中,Cu的含量高于Mn,且Mn的含量排序最低;其它4种水果与之相反,其中,草莓的Mn含量极为丰富,其约为Zn、Fe两元素含量之和。

将Zn、Fe、Mn、Cu在6种水果之间进行比较可以看出,Fe在草莓中的平均含量显著低于樱桃、梨、葡萄、桃和苹果(P<0.05),而该5种水果之间差异并不显著(P>0.05),样品之间离散程度很大,变异系数最高达到81.79%(苹果),可能与水果品种有关。Zn在梨中含量最高,在樱桃中含量最低,且6种水果中均呈显著差异(P<0.05),样品之间离散程度较小。Cu在葡萄中含量最高,除樱桃和梨中的Cu含量差异不显著以外(P>0.05),其它水果之间均呈显著差异(P<0.05)。Mn在草莓中含量最高且显著高于其它5种水果(P<0.05)。

含量较低的Cr、Ni、Co、Se四种微量元素在水果中的排序结果为,除梨以外,其它5种水果中Cr的含量均高于Ni;除樱桃和葡萄以外,其它4种水果中Co的含量均高于Se。通过水果之间元素含量的纵向比较可以看出,Co在梨中含量最高,在葡萄中含量最低,草莓、樱桃、桃和苹果中Co的含量差异并不显著(P>0.05);Cr和Ni两种元素均在桃中含量最高,分别为117.49和95.19 μg/kg,在樱桃中含量最低,仅为13.34和6.25 μg/kg;而Se在水果中含量较低,且在水果之间差异均不显著(P>0.05),根据富硒干鲜果品相关标准的判定[19-21],北京地区主要生产的6种水果中均未发现富硒样品,仅在梨和葡萄中各有一例样品为Se含量大于5 μg/kg,分别占其样本总量的3.13%和5.00%。

2.5 水果中矿质元素摄入量占其推荐摄入量/适宜摄入量的比值分析

《中国居民膳食指南(2016)》[22]和《中国学龄儿童膳食指南(2016)》[23]均推荐7～17岁儿童的每日新鲜水果摄入量为150～350 g,中国居民平衡膳食宝塔(CBDP)建议18～50岁一般健康成年人的每日水果摄入量为200～400 g[24]。假设北京地区7～50岁各类人群每日摄入足量的水果,以资料中给定的水果摄入量上限作为水果日均消费量,将其乘以6种水果的各矿质元素含量平均值,分别求得6种水果中的9种矿质元素日平均摄入量。根据中国营养学会于2013年制定的不同年龄段中国居民矿质营养元素的RNI/AI和UL标准[25],以及中华人民共和国国家卫生健康委员会发布的中国居民膳食营养素参考摄入量[26-27],按照公式求得7～50岁各类人群从水果中摄入的矿质元素含量占其RNI/AI的比值。因为我国尚未制定不同年龄组人群Co和Ni的RNI/AI参考值,所以本文仅对其余7种元素加以分析,详见图1。

图1 不同年龄段人群矿质元素摄入量与RNI/AI的比值Fig.1 The ratios of mineral element intake to RNI/AI in people of different ages

由图1可知,7种元素分别在6种水果中的总比值均按照年龄呈现出先降后升的趋势,总体来看,Cr的摄入量最高,而Se的摄入量最低。除了Zn-女和Cr-女的总比值转折点在11～13岁年龄段,其余元素的总比值转折点在14～17岁年龄段。其中,Fe-男和Zn-女的最大比值位于18～50岁年龄段,6种水果所占总比值分别为92.33%和179.36%,其余元素均在7～10岁年龄段比值最高,其中Cr-男/女高达399.03%,Cu高达265.30%,Zn-男高达168.15%,Mg、Fe-女、Mn、Se依次为94.66%、74.58%、73.62%和7.83%。

其中,7～50岁各类人群每日食用足量的桃(水果推荐摄入量的上限),可使Cr的摄入量超过其AI标准,而每日食用足量的葡萄或苹果,也可使Cr的摄入量超过50%的AI标准。7～10岁儿童每日食用足量的樱桃或梨,7～13岁儿童和18～50岁成年人每日食用足量的葡萄,可摄入高于一半RNI标准的Cu。每日食用足量的梨也可使7～10岁儿童和14～50岁女性摄入高于一半RNI标准的Zn。为防止Cr、Cu、Zn摄入过量而影响健康,应对其进行重点关注。此外,7～50岁各类人群从水果中摄入Se的含量最高仅为2.23%的RNI标准,为防止Se摄入不足而造成营养不良甚至缺乏病,有必要对其进行进一步研究。

2.6 矿质元素摄入量与推荐摄入量/适宜摄入量的匹配度分析

评估6种水果中各元素含量满足人体需求的总程度,如表8所示,7～10岁儿童的矿质元素匹配度最高,之后随着年龄的增长而持续降低,虽然在18～50岁年龄段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10岁年龄段。6种水果相比,草莓、苹果和樱桃的矿质元素匹配度在各年龄段人群中相差不多,且数值较低。桃在各年龄段人群中的矿质元素匹配度均为最高,其次为葡萄和梨,可认为该水果中的矿质元素含量满足人体每日膳食摄入需求的程度较高。

表8 水果中的矿质元素匹配度(%)Table 8 The degree of match of mineral elements in fruits(%)

2.7 矿质元素膳食风险评估

因中国营养学会和中华人民共和国卫生行业标准均未制定Mg和Cr的UL值,所以本文仅对Mn、Fe、Cu、Zn、Se 5种元素加以分析。通过计算水果中的矿质元素平均风险和最大风险(表9),发现来自6种水果的矿质元素摄入风险指数远小于100%,表明7～50岁各类人群从该6种水果中摄入矿质元素的量是安全的。所有元素的平均风险指数与最大风险指数之间呈正比例关系,即平均风险指数最大,其对应的最大风险指数亦最大。

5种元素的平均风险指数和最大风险指数的最高点均位于7～10岁年龄段人群,其中Zn的平均风险指数和最大风险指数最高,风险指数范围分别为1.36%(樱桃)～22.64%(梨)和1.80%(樱桃)～33.92%(梨);Se的平均风险指数和最大风险指数范围分别为0.14%(苹果)～0.45%(樱桃)和0.37%(苹果)～0.80%(樱桃),在5种元素中最低。Mn和Fe两种元素的最低点均位于14～17岁人群,其平均风险指数和最大风险指数范围分别为1.40%(葡萄)～9.77%(草莓)和1.90%(葡萄)～18.64%(草莓)、1.46%(草莓)～6.95%(桃)和3.42%(草莓)～13.25%(桃);其它3种元素的最低点均位于14～50岁人群,其中Se的平均风险指数和最大风险指数最低,范围分别为0.08%(苹果)～0.26%(樱桃)和0.21%(苹果)～0.46%(樱桃)。同时,从表9中可以看出,7～10岁儿童从草莓中摄入的Mn和从梨中摄入的Zn,其风险指数远高于其它水果,虽然随着年龄的增长,风险指数有所降低,但仍然高于其他5种水果,应给予重点关注。

表9 不同人群矿质元素风险指数Table 9 The risk index of mineral elements in people of different ages

3 讨论

不同矿质元素在水果中的含量存在差异。唐文等[5]测定了上海地区20种水果中Cu、Cd、Pb、Zn、Se的含量,发现其存在明显差异,水果中Cu含量最高为山竹,Cd含量最高为红富士苹果,Pb含量最高为红富士苹果,Zn含量最高为桃子,Se含量最高为橙子。匡立学等[6]对辽宁省苹果、梨、桃和葡萄中的矿质元素含量进行测定,10种元素的含量高低依次为K>P>Mg>Ca>Na>B>Fe>Cu>Mn>Zn,且之间以正相关为主。陈辉等[7]测定了北京地区桔子、香蕉、苹果、葡萄、桃子、梨和李子中40种元素含量,发现不同水果中各元素含量无明显规律。这些与本研究结果一致,水果中矿质元素含量差异明显,同一矿质元素在不同水果中的含量也存在差异。

聂继云等[8]测定了安徽、江苏、河北、河南、辽宁、山东、陕西、新疆八个省份主产果品中的Se含量,发现富硒样品比例为14.2%,枣中含量最高,苹果含量最低,其余水果之间差异不明显,有的省份之间水果Se含量存在明显差异。而本研究尚未在北京地区发现富硒样品,Se在水果中含量较低,且在水果之间差异不明显。这是由于水果中的矿质元素含量与果树种类、土壤质地、土肥水条件等因素有关。

根据中国营养学会制定的RNI/AI和UL,从人体膳食营养的角度对不同水果的矿质元素进行评价。刘哲[12]分析了不同柑橘果实中12种矿质元素的匹配度,各元素满足人体需求的程度随着年龄增长而持续降低,与本研究结果一致。匡立学等[6]和聂继云等[8]对不同年龄段各类人群每日从水果中摄入矿质元素的量进行风险评估,发现Cu的风险指数高于其它元素,但各类人群从水果中摄入矿质元素的量是安全的。本研究中,Cu、Zn、Cr的摄入量占其RNI/AI的比值较高,且7～10岁儿童从草莓和梨中摄入Mn和Zn的风险指数较大,但所有元素风险指数远小于100%,不会影响人体健康。

4 结论

本实验采用ICP-MS法测定北京地区主产水果中的矿质元素含量,9种元素平均含量由高到低依次为Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,各元素含量之间整体差异明显,且离散程度较大。水果中均含有丰富的Mg,微量元素Zn、Fe、Mn、Cu的含量明显高于Cr、Ni、Co、Se。通过对6种水果中元素含量的水平分析和水果之间的纵向比较,得到9种矿质元素在水果中的含量状况和排序规律,但尚未发现富硒样品。

北京地区各类人群从水果中摄入的矿质元素含量占其RNI/AI的比值均按年龄呈先降后升的趋势,总体来看,Cr的摄入量最高,Se最低。所有年龄段人群每日食用足量的桃(水果推荐摄入量的上限),可摄入超过其AI标准的Cr,而每日食用足量的葡萄或苹果,可摄入高于一半AI标准的Cr,此外,从水果中摄入Se的含量最高仅为2.23%的RNI标准,该两种元素需要重点关注。

水果中矿质元素满足人体需求的程度随着年龄增长而持续降低,虽然在18～50岁年龄段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10岁年龄段。其中,桃在各年龄段人群中的矿质元素匹配度均为最高,其次为葡萄和梨,该水果满足人体每日膳食矿物质摄入需求的程度较高。虽然7～10岁儿童从草莓中摄入Mn和从梨中摄入Zn的风险指数较大,但所有元素风险指数远小于100%,7～50岁各类人群从6种水果中摄入矿质元素的量是安全的。