燕麦籽粒中污染元素检测分析

冯 亮，兰 航，涂松林，徐欣然，赖弟利，范 昱，严 俊，赵 钢

(1.成都市食品药品检验研究院，四川 成都 610106；2.成都大学，农业部杂粮加工重点实验室/药学与生物工程学院，四川 成都 610106)

燕麦又称玉麦、铃铛麦，属禾本科燕麦属一年生草本植物，分为带稃型(皮燕麦)和裸粒型(裸燕麦)两大类型，是一种具有抗寒、抗旱、耐瘩薄、适应性强、稳产性好且营养价值高、口感好等特性的植物。在五大洲均有分布，主要产区集中在北半球的温带地区。世界各国栽培的燕麦以带稃型的为主，常称为皮燕麦。我国栽培的燕麦以裸粒型的为主，常称为裸燕麦[1-3]。从营养学的角度看，燕麦膳食纤维具有吸收毒素、保护皮肤、降低血脂和胆固醇，调节人体免疫功能、抑制糖尿病、降低肠癌患病率和增强人体抵抗力的功能[4]。随着大众对燕麦生理功能和营养逐步了解，消费群体对燕麦食品的需求呈逐年上升趋势，越来越多的人将燕麦食品视作为一种重要膳食营养来源，研究和发掘燕麦优质营养种质资源对燕麦保健品的开发具有重要的意义[5]。

近年来，粮食重金属污染问题受到了广泛的关注，粮食中重金属元素含量的高低主要取决于环境，特别是种植地土壤中重金属污染。粮食对重金属有一定的富集能力，并且可通过食物链进入人体而给健康带来潜在的危害[6,7]。由徐菲等[8]、马冬云等[9]的研究可知，作物的品种和种植地环境的变化均会对作物的营养以及功能成分产生影响。因此，本研究通过对2个地区种植的57份燕麦材料进行污染元素Mn、Ni、As、Cd、Pb含量及单粒重进行测定，结合双因素方差和斯皮尔曼秩相关性分析等手段，分析籽粒中不同污染元素含量间的以及与环境的相关性，探讨不同种植地燕麦品种对品质和污染元素积累的影响，为燕麦品种选育和生产提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

57个燕麦品种(XO)材料由西北农林科技大学胡银岗教授提供，于2017年10月分别种植于成都市金堂县五凤镇和甘孜州康定市姑咱镇，收获种子用于污染元素检测分析。

1.2 田间实验及多组分营养物质的测定

1.2.1田间实验

田间种植随机区组设计进行条播，行长约120cm，行间距 60 cm，每份材料播1行，设置保护行。待种子成熟后，采集每行所有种子放于同一牛皮纸袋内，编号。收获后将燕麦种子于37 ℃烘干箱中烘干10 d，按四分法取出脱粒研磨过筛备用。

1.2.2燕麦营养元素和重金属元素测定

准确称取已制备混匀试样0.2～1.0 g于微波消解内罐中，加入5～10 mL硝酸加盖旋紧罐盖，放入微波消解仪中进行消解。消解液冷却至60 ℃以下后取出，缓慢打开罐盖排气，用少量水冲洗内盖。将消解内罐放入控温电热板中，于100 ℃下加热30 min，挥去多余的酸，冷却后取出消解内罐，将消化液转移至25 mL比色管中，用少量超纯水多次冲洗内壁合并于25 mL比色管中，定容至刻度，混匀备用。对Mn、Cd、Ni、Pb和As等5个元素使用电感耦合等离子体质谱icp-ms(iCAP TQ ICP-MS)，依据GB 5009.268—2016的方法进行操作测定。对于测定的5个元素，在样品测试液中分别加入As、Pb、Cd、Ni和Mn的混合标准溶液进行加标回收实验。对每个试样所测的污染元素含量均进行3 次重复试验，确保实验准确度。

1.3 数据统计

用JMP 6.0软件(SAS Institute)进行方差(ANOVA)、斯皮尔曼秩(Spearmanp’s Rho)多元相关性分析以及品种指标平均值差异显著性(p<0.05)Tukey-Kramer HSD检验。

2 结果分析

2.1 燕麦籽粒污染元素的差异性分析

对金堂五凤镇和康定姑咱镇2个种植环境的燕麦籽粒污染元素Mn、Ni、As、Cd和Pb含量进行分析测定，由表2可知，污染元素成分含量表现为Mn>Ni>Pb>Cd>As。其中2个种植点Mn元素含量的平均值分别为 33.26 mg·kg-1和40.58 mg·kg-1，Ni元素含量平均值分别为 0.46 mg·kg-1和2.03 mg·kg-1，金堂五凤镇 Ni元素含量远高于康定姑咱镇。而As、Cd和Pb的均值含量在2个种植环境无明显差异，平均值集中在0.00～0.07 mg·kg-1，As、Cd和Pb 3个元素在燕麦籽粒群体中均呈少量分布。

表2 2个地区燕麦籽粒污染元素含量平均值及范围

由图1可知，不同生长环境下，不同品种的籽粒元素含量均存在差异，方差分析p<0.05。籽粒中污染元素的含量呈现出不同的变化，生长在康定姑咱镇的燕麦籽粒所测元素含量均低于金堂五凤镇，同品种籽粒在两地含量无显著变化规律。其中品种XO-1-26籽粒Mn元素含量在2个环境中均有较高分布，XO-1-15、XO-1-37、XO-1-35和XO-1-66这4个品种中的Ni元素含量在2个环境中表现较高。XO-1-76和XO-1-30 燕麦籽粒元素含量在这2个环境中含量均较低，表现较为稳定。在甘孜康定姑咱镇种植环境中，品种XO-1-12 燕麦籽粒中的Mn、Cd、Pb含量较高，在成都金堂五凤镇种植环境中，品种 XO-1-17 燕麦籽粒中的Mn、Ni、As、Pb含量较高，品种XO-1-36燕麦籽粒中的Mn、Ni、Cd含量较低，此外，品种 XO-1-30燕麦籽粒中的这5类元素含量均表现较低。综合对比可以得知，XO-1-30、XO-1-72、XO-1-60这3个品种的燕麦籽粒元素含量在2个环境中含量均较低，含量表现较为稳定，说明这3个品种可能对污染元素的富集能力较弱，相对其他品种籽粒可以作为育种利用首选。

2.2 种植地及品种对燕麦籽粒污染元素的影响分析

对甘孜康定姑咱镇与金堂县五凤镇这2个种植地区的57个相同品种燕麦籽粒的污染元素进行方差分析(表3)，种植地显著影响燕麦籽粒的Mn、Ni、As、Cd、Pb含量；品种显著影响燕麦籽粒的Mn、Ni、As、Cd、Pb含量；种植地与品种的交互作用显著影响燕麦籽粒的Mn、Ni、As、Cd、Pb含量。对比图1可知，2个种植环境的燕麦籽粒中As、Cd、Pb的含量无明显差异，基本处于一个水平，同一地区种植的不同品种元素含量略有差异，其中金堂县五凤镇地区种植的变化较大。而甘孜康定姑咱镇Mn、Ni含量均显著低于金堂县五凤镇地区，差异较为明显，尤其是Ni元素，金堂县五凤镇生长的燕麦品种显著高于甘孜康定姑咱镇的燕麦籽粒，且各个品种间元素含量均有差异。

表3 燕麦籽粒污染元素品种种植地双因素分析

图1 2个地区不同品种燕麦籽粒元素含量平均值及方差

2.3 燕麦籽粒中污染元素之间的斯皮尔曼秩相关性分析

对供试样品的污染元素之间进行斯皮尔曼秩相关性分析检验，结果如图2所示，在金堂县五凤镇种植环境中，Mn、Ni、As、Pb的含量之间互相均呈相关性(p<0.05)，其中As含量与Mn含量的斯皮尔曼秩相关性系数最大，为0.547 3，且呈现显著正相关(p<0.01)，同样与Pb含量也呈现显著正相关(p<0.01)，斯皮尔曼秩相关性系数为0.508 2；而Mn、Ni、As、Pb元素含量与Cd均不呈相关性，说明在金堂县五凤镇种植环境下，Mn、Ni、As、Pb 4种元素之间存在互相变化紧密的关系。在甘孜康定姑咱镇种植环境中，仅Cd与Pb呈现相关性(p<0.05)，说明这5种元素的相关性可能受到种植环境的影响。

图2 燕麦籽粒中污染元素之间的斯皮尔曼秩相关性分析

3 结果与讨论

矿质元素是植物生长所必需的，对植物各种生理代谢的关键步骤起调控作用。微量元素适量时可以作为元素的一种补充，缺乏或过量时都会产生不利的影响[10-14]。研究表明，一些金属元素与药效的有效发挥密切相关[15]。目前，已有研究对麦类中的金属元素含量进行了测定[16-20]，但针对各类燕麦污染元素含量的报道较少，本实验对种植于2个不同环境中燕麦籽粒的5 种污染元素(Mn、Ni、As、Cd、Pb)的含量进行了测定和分析，结果表明，籽粒中Mn、Ni 2个元素在2个地区种植的燕麦群体中均大量分布，且各个品种间元素含量均有差异，无明显的变化规律，As、Cd、Pb 3个元素在2个种植环境中的燕麦籽粒群体中均呈少量分布，表现较为稳定，且各品种含量变化浮动较小。结合两地土壤污染元素含量的对比，可以看出甘孜康定姑咱镇土壤中Mn、Ni元素明显高于金堂县五凤镇，As含量金堂县五凤镇明显高于甘孜康定姑咱镇，Cd、Pb元素甘孜康定姑咱镇略高于金堂县五凤镇，然而甘孜康定姑咱镇种植的燕麦品种的各元素含量均低于在金堂县五凤镇种植的同类品种。说明燕麦籽粒中Mn、Ni元素含量差异可能与区域环境、种植地气候等条件有关，而种植环境对燕麦籽粒的As、Cd、Pb含量影响可能不大，其含量主要由籽粒的品种和遗传特性所决定。根据国家标准可知[25,26]，粮食重金属含量标准限量值为: As≤0.05 mg·kg-1，Cd≤0.05～0.2 mg·kg-1，Pb≤0.1～0.3 mg·kg-1，而本次实验中As、Cd、Pb均值集中在0.00～0.07 mg·kg-1，可以看出燕麦籽粒中这3种元素含量远低于国家标准值，说明燕麦是值得推广种植的粮食作物。以上研究表明，燕麦品种以及种植地生态条件和品种的交互作用是影响燕麦元素含量的重要因素，这与姜丽娜等[19]、林伟静等[22]研究结果基本一致。本研究所选2个环境土壤污染元素含量均未超标，将继续研究在超标土壤环境下燕麦籽粒污染元素积累情况，以进一步探讨燕麦籽粒元素在不同环境下的积累规律与机制。

通过测定2个环境燕麦籽粒的污染元素，可以发现同一作物不同品种在对污染元素的吸收和积累上均存在差异，且同品种籽粒在两地含量呈现无显著变化规律。其中品种XO-1-26、XO-1-17燕麦籽粒在2个地区污染元素Mn、Ni含量均表现较高，说明这2个品种的燕麦籽粒中这2种元素分布较广，在不同的种植环境中相对于其他品种对污染元素的富集能力较强，而XO-1-30、XO-1-72、XO-1-60这3个品种的燕麦籽粒在2个环境中元素含量均表现较低，含量表现较为稳定，说明这3个品种在不同的种植环境中对污染元素的富集能力相对较弱。这为挖掘污染元素积累量少对污染不敏感的燕麦基因资源提供了基础，对燕麦籽粒污染元素的累积研究提供了理论依据，为燕麦的进一步选育提供参考和依据。