弗吉尼亚栎种子化学成分特征及其对立地土壤条件的响应

李庆杨，王树凤，吴书天，王若辉，施 翔，莫润宏，刘毅华

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所,浙江 杭州 311400)

栎树(又称橡树)的种子是果实中的主要利用部分, 由于其淀粉含量丰富, 我国历史上多作为豆腐和凉皮的加工原料。近年对栎树种子功能的研究增多, 有研究者认为：麻栎(Quercusacutissima)等栎树的种子淀粉经发酵可转化为燃料乙醇[1]；栎树种子是较好的天然单宁来源[2]；栎树种子油的脂肪酸组成可与橄榄油相媲美,能作为传统植物油的替代品[3]。

弗吉尼亚栎(Quercusvirginiana)简称弗栎, 壳斗科栎属常绿乔木, 原产于美国东南部, 其树体高大, 枝叶茂密且冠型优美, 自2001年引进我国后, 表现出良好的耐盐碱、耐干旱以及抗风特性, 在我国长三角地区沿海防护林建设中得到广泛的应用。目前引种的弗吉尼亚栎大多进入结实期, 种子产量丰富, 单株产量可达8.51 kg[4]。自引种弗吉尼亚栎以来, 已有学者从引种育苗、树木生理、林分生态等方面展开研究[5-7], 但对弗吉尼亚栎种子化学成分的研究尚鲜见报道, 弗吉尼亚栎种子的利用尚待开发。

有研究表明, 土壤酸碱度等土壤因子会对板栗(Castaneamollissima)、核桃(Juglansregia)等种子的化学成分产生一定的影响[8-9]。因此, 研究不同立地土壤条件对种子化学成分的影响对于种植选址、种子品质调控及其精深加工利用等具有重要的指导意义。弗吉尼亚栎具有高度耐盐能力[10], 目前国内人工林大多分布于长三角沿海平原地区, 区域引种试验表明, 土壤条件、微地形等均可对弗吉尼亚栎生长产生影响[11], 而土壤条件是否对弗吉尼亚栎种子化学成分产生影响, 目前鲜见报道。本研究通过对3个地区弗吉尼亚栎种子的多个化学成分进行测定和比较, 并运用相关性分析探索弗吉尼亚栎种子主要化学成分对立地土壤条件的响应，旨在分析弗吉尼亚栎种子的化学组成,讨论弗吉尼亚栎种子的加工利用方向, 揭示弗吉尼亚栎种子化学成分随立地土壤条件变化的规律, 以期为弗吉尼亚栎的开发利用提供新的方向。

1 材料与方法

1.1 采种试验林概况

试验所用种子采收于浙江、江苏的3个区域弗吉尼亚栎试验林, 分别位于浙江省绍兴市上虞区96-2丘(代号SY, 120°47′47″E， 30°10′50″N)、浙江省温岭市东片农场二队(代号WL， 121°57′81″E， 28°47′71″N)和江苏省苏州市吴江区盛泽镇沈家村(代号WJ， 120°53′64″E， 30°9′29″N)。绍兴市属东亚季风气候，年平均气温16.4 ℃，无霜期251 d左右，年降雨量约1 400 mm；温岭市属于中亚热带海洋性季风气候，年平均气温17.3 ℃，平均无霜期252 d，年平均降雨量1 649.6 mm；苏州市地处亚热带湿润季风气候区，年平均降雨量1 151.3 mm，平均气温16.3 ℃，无霜期221 d。

3个区域的试验林均营建于2004年，造林苗木为2年生容器苗，均为中国林业科学研究院亚热带林业研究所培育, 种子来源于美国路易斯安娜州，按1.0 m ×1.5 m初始株行距种植，其中SY和WJ试验林均为弗吉尼亚栎纯林，无林下植被。SY试验林经多年疏伐、留优去劣，于2015年改造为弗吉尼亚栎母树林(浙S-SS-QV-015-2015)，目前最终株行距为2 m ×3 m；WJ试验林经改造，目前主要功能也用于采种，株行距为3.0 m×4.5 m；WL试验林为沿海防护林，属于混交林，混交树种为木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、墨西哥落羽杉(Taxodiummucronatum)等，目前最终株行距为4 m ×6 m。3个区域试验林成林后均未进行施肥管理。

SY地区土壤为滨海盐土，土壤质地为壤质，所测土壤元素含量排在前3位的分别是Al、Fe、K; WJ试验林土壤为水稻土，土壤质地为壤质，所测元素中以Al的含量最高; WL试验林土壤为滨海盐碱土，土壤质地为黏质，所测元素中Ca含量最高。3个地区土壤详细信息见表1。

表1 3个地区土壤信息表

1.2 试验材料

于2018年11月采集弗吉尼亚栎种子, 每个地区试验林设5个采种区, 每个采种区内随机采集5～8个单株的混合种子, 合计1 kg, 种子采收后于4 ℃冰箱保存。

1.3 测定方法

淀粉的测定：采用蒽酮比色法[12]，直链淀粉和支链淀粉的测定采用双波长紫外-可见光法[13]。

含油率测定：准确称取种子干样2 g(精确至0.000 1 g),装入滤纸包中，置于索氏提取仪进行循环提取60次，通过提取前后质量的变化，计算出种子样品的含油率[14]。

氨基酸的测定：参照文献[14]，准确称取样品0.2 g(精确至0.000 1 g)于水解管，分别加入5 mL盐酸(12 mol/L)和5 mL水，充氮气保护后密封，于105 ℃烘箱水解24 h，将水解液转移至25 mL容量瓶定容，过滤后取滤液1.00 mL挥干，复溶于5 mL超纯水过膜待测。

脂肪酸包括饱和脂肪酸(SFA)和不饱和脂肪酸(UFA),测定方法参照文献[14]：准确称取样品60 mg(精确至0.000 1 g)至具塞试管中，用4 mL异辛烷溶解，加2 mol/L的氢氧化钾-甲醇溶液0.2 mL，猛烈振摇进行甲酯化，静置加入1.00 g硫酸氢钠猛烈振摇中和氢氧化钾，取上清液过膜待测。

VE的测定：参照文献[14]，准确称取制备的弗吉尼亚栎种子油样品0.4 g(精确至0.000 1 g)于10 mL具塞刻度试管中，用正己烷定容至刻度，旋涡充分溶解，后过0.45 μm有机滤膜，装进样瓶待测。

单宁食量测定：准确称取脱脂种子样品0.5 g, 用40 mL 超纯水洗入50 mL 容量瓶，再取出，放入沸水浴中提取30 min，冷却，再次定容至50 mL。吸取2 mL样品提取液，8 000 r/min 离心4 min，取上清液1 mL，分别加5 mL水、1 mL 钨酸钠-钼酸钠混合溶液、3 mL碳酸钠溶液，以没食子酸为标准溶液，在765 nm 波长下测定溶液的吸光度，计算种子中的单宁含量[15]。

种子中矿质元素K、Ca、Mg、P、Na、Mn、Cu、Fe、Al和Ba含量用电感耦合等离子体发射光谱仪测定, B、Ti和Ni含量用电感耦合等离子体质谱仪测定, 具体的测定方法参考文献[16-17]。

1.4 数据分析

用Excel 2016和SPSS 22.0进行数据统计, 采用单因素方差分析揭示3个地区弗吉尼亚栎种子间化学成分的差异, 用复相关系数法和皮尔逊相关系数分析种子各营养成分和土壤因素之间的相关性。图表采用Excel 2016和Originpro 9.1绘制。

2 结果与分析

2.1 不同地区弗吉尼亚栎种子含油率、脂肪酸和VE含量的差异

从3个地区种子平均含油率(表2)来看, 以SY的含油率最高, 达(11.36±0.89)%，WJ和WL分别为(7.97±1.04)%和(7.31±0.42)%。方差分析显示, SY和WJ及WL种子含油率差异显著(P<0.05)。从脂肪酸组成来看, 油酸和亚油酸是主要的不饱和脂肪酸, 其中弗吉尼亚栎种子的油酸含量(质量分数)占到了总脂肪酸的50%以上,WL的油酸含量分别超出WJ和SY7.87%、37.70%, 地区间差异显著(P<0.05), 3个地区间不饱和脂肪酸含量大小顺序为WL>WJ>SY, SY的饱和脂肪酸(SFA)含量显著高于WJ和WL(P<0.05)。不饱和脂肪酸含量是评价油品质好坏的重要指标[18], 表2数据表明，WL的弗吉尼亚栎种子油品质要高于SY和WJ。从VE组成来看, 3个地区的VE均以γ-VE这一构型为主, SY、WJ、WL的γ-VE含量分别占总VE含量的96.88%、97.42%、97.34%,VE总量上WJ显著高于SY和WL两地(P<0.05)。

表2 3个地区弗吉尼亚栎种子脂肪酸组成及VE含量

2.2 不同地区弗吉尼亚栎种子淀粉及单宁含量的差异

淀粉是弗吉尼亚栎种子中的主要成分, 其含量的大小及支链直链的比例会对种子淀粉的开发产生直接的影响(图1)。

图1 3个地区弗吉尼亚栎种子的淀粉、直链淀粉、支链淀粉、单宁含量Fig.1 Contents of starch, amylose, amylopectin and tannin of Quercus virginiana seeds in the three regions

如图1所示, 弗吉尼亚栎种子淀粉总量为56.59%～68.59%, 直链淀粉占比大小顺序与淀粉总量一致, 均为WJ最高。而单宁含量(质量浓度)由大到小顺序为SY(41.61 mg/mL)>WL(31.05 mg/mL)>WJ(17.77 mg/mL), SY的单宁含量相比于WL和WJ分别高出34.01%、134.16%, 3个地区单宁含量差异显著(P<0.05)。

2.3 不同地区弗吉尼亚栎种子氨基酸及矿质元素含量的变化

弗吉尼亚栎种子中氨基酸种类丰富, 此次在弗吉尼亚栎种子中共测定出了15种氨基酸, 其中包含人体所需的7种必需氨基酸。本研究中含量差异显著的6种氨基酸含量相对变化见图2。测定可知，SY、WJ、WL每100 g种子的氨基酸总量分别为4 303.40、4 723.17、4 250.00 mg, 15种氨基酸中平均含量最高的为谷氨酸(Glu),每100 g种子中为740.17 mg, 含量最低的为甲硫氨酸(Met), 每100 g种子中为16.50 mg(图2)。方差分析显示, 3个地点种子仅天冬氨酸(Asp)、酪氨酸(Tyr)、谷氨酸(Glu)、精氨酸(Arg)、苏氨酸(Thr)、赖氨酸(Lys)含量之间有显著性差异关系(P<0.05)。所测得的7种必需氨基酸中, 苯丙氨酸、甲硫氨酸的含量表现为WJ最高, 其余5种最大值均在SY。对3个地区弗吉尼亚栎种子中13个矿质元素进行分析发现, 弗吉尼亚栎种子中矿质营养含量丰富：大量元素中以K的含量最高, 3个地区平均含量达到了6 460.20 mg/kg；微量元素中以Na的含量最高, 平均含量为40.87 mg/kg。3个地区矿质元素含量比较如图2所示, 除Fe、P、Ti含量之间差异不显著外, 其余10种元素之间均有显著性差异关系(P<0.05)。

为比较氨基酸、大量元素及微量元素含量变化，对3个指标进行了无量纲处理。Aminoacids, macro and micro elements with significant differences (P<0.05) were dimensionless.图2 3个地区弗吉尼亚栎种子中氨基酸及矿质元素含量变化Fig.2 Contents of amino acids and mineral elements of Quercus virginiana seeds in the three regions

2.4 弗吉尼亚栎种子化学成分对土壤因子的响应

为了探讨不同立地环境种子中化学成分的差异和对土壤因子的响应特征，全面揭示了土壤因子参数与化学成分指标的相关性，结果如表3。由表3可知, 弗吉尼亚栎种子中不同化学成分对土壤因子的响应程度不同, 种子中含油率、单宁对土壤因子的响应最强, 其复相关系数分别达到了0.941和0.937。种子油中富含饱和脂肪酸、VE等多种成分, 各成分对土壤因子的响应有所不同, 如不饱和脂肪酸与土壤因子的复相关系数达到了0.880, 而VE与土壤因子间的复相关系数仅为0.646。在所测定的矿质元素中以Ni元素对土壤因子的响应程度最强, 其与土壤因子间的复相关系数达到了0.892, 而Mg元素、Fe元素对土壤因子的响应相对较弱, 其复相关系数较Ni元素分别低了 52.74%、66.42%。对弗吉尼亚栎种子中化学成分和土壤因子间的进一步分析表明，不同化学成分对不同土壤因子的响应程度也不同(表3), 其中种子淀粉与Cu元素的相关性最强, 种子中单宁含量与土壤B元素、土壤盐度及pH达到了高度相关, 而含油率仅与土壤盐度有高度相关性, 其相关系数达到了0.821；必需氨基酸和氨基酸总量与土壤因子间均未达到高度相关。矿质元素对土壤因子间响应较为复杂, 不同矿质元素与土壤因子间的相关性大小不一。

表3 弗吉尼亚栎种子化学成分与土壤因子间的相关性)

3 讨 论

本研究表明，弗吉尼亚栎种子的淀粉含量(质量分数)高达60.57%, 在我国壳斗科植物种子中处于较高水平[19]，甚至与我国传统粮食作物高粱、荞麦等的淀粉含量相当[20], 且富含人体所需的必需氨基酸、矿质元素等, 表明弗吉尼亚栎种子有望发展为未来的粮食作物。除此之外，由于其淀粉含量丰富，可考虑作为一种林产淀粉原料进行生物质能源开发[21]。本研究所测3个地区弗吉尼亚栎种子的平均含油率为8.88%, 最高可达11.36%, 该结果显著高于以往有关我国传统栎树种子油脂含量(质量分数1.04%～6.86%)[22]；吴晶晶等[23]基于油酸、亚油酸和亚麻酸含量对我国植物油进行了大致分类, 根据此分类标准, 弗吉尼亚栎种子油是一类以油酸为主要组分的植物油, 与橄榄油、油茶籽油等脂肪酸组成接近, 且弗吉尼亚栎种子的VE总量和表征抗氧化能力的γ-VE含量也均优于油茶籽、油橄榄、薄壳山核桃等的含量[24-25], 以上结果表明弗吉尼亚栎种子油可作为良好食用油资源进行开发利用, 弗吉尼亚栎有作为木本油料树种开发的潜力。此外, 弗吉尼亚栎种子中单宁含量丰富, 单宁是一种特殊的生理药理功能的多酚类物质, 可与动物体内的重金属铅元素络合, 从而抑制动物体对重金属的吸收[26]。本研究3个地区弗吉尼亚栎种子单宁质量浓度的均值为30.14 mg/mL, 表明弗吉尼亚栎种子将来在保健、医药行业都有着较好的应用前景。鉴于此，在未来的研究中应重点考虑弗吉尼亚栎种子中淀粉、油脂、单宁在食品、化工、医药等的应用开发。

土壤对植物化学成分的影响主要表现为某些成分主要来源的直接作用, 以及通过对某些品质成分调控的间接作用。土壤是种子中矿质元素的主要来源, 但本研究发现土壤矿质元素的含量与种子中的积累量并没有表现出绝对的正相关性, 甚至出现随着土壤中Mn、Ba等元素的增加, 种子中所对应的元素含量反而降低, 这可能与种子对不同矿质元素的富集能力差异有关。经计算，大部分矿质元素的富集系数均低于0.4, 其中值得注意的是种子对Cu的平均富集系数达到了0.46, 高于蒙古栎、水曲柳等树种[27]。Cu是一种重金属元素, 不仅会对生态环境造成污染, 还会通过一系列的生物传递链影响人体健康, 因此本研究结果也可为铜矿区的生态修复树种提供一种新的选择。弗吉尼亚栎种子对P的富集系数达到了1.24, 黄霄等[28]发现枇杷果实在不同发育时期对土壤P的富集能力有所不同, 其富集系数的变化范围为0.66～1.39,反映了弗吉尼亚栎种子在这一发育阶段对P的需求较强。

在土壤通过调控作用影响植物生长发育及其果实品质的间接作用方面, 有研究表明土壤盐度增加会提高植物体内单宁含量[29], 此现象在弗吉尼亚栎种子中也有发现：随着土壤盐度从0.01提高到0.34, 种子中单宁含量提高了134.16%, 相关性分析表明土壤盐度与弗吉尼亚栎种子中单宁含量的相关系数为0.771。本研究还发现土壤盐度与种子含油率及饱和脂肪酸含量，尤其是肉蔻酸、棕榈酸的相关系数也都达到0.8以上, 呈显著正相关；高盐地区弗吉尼亚栎种子的食用价值虽有所降低，工业开发价值增加，这为实现高盐地区生态、经济效益的和谐统一提供新的思路。有研究认为土壤pH和有机质(OM)与果实化学成分之间存在一定的相关性[30]，笔者在对核桃、柿子等的研究中基于土壤性质建立了线性预测模型[8, 31]。此次研究表明，土壤OM主要影响种子所含必需氨基酸中组氨酸的含量, 随着土壤OM的增加, 弗吉尼亚栎种子中必需氨基酸的含量会显著降低。此外, 土壤pH与种子中α-VE、Mn含量具有较高相关性(|r|>0.7), 且具有单调递增或递减的趋势。张磊等[32]研究认为土壤pH与葡萄中单宁的含量为单调递增关系, 但本研究中发现弗吉尼亚栎种子单宁含量在pH接近中性的土壤中具有最大值, 而随土壤pH的减少或增加, 单宁的含量都显著减低, 说明弗吉尼亚栎种子单宁的含量对土壤pH的响应更为敏感。

弗吉尼亚栎种子化学成分丰富, 富含淀粉, 单宁含量和含油率均比大部分国内其他已报道栎树种子的高, VE、氨基酸、矿质元素含量丰富, 有着较为广阔的工业利用开发前景。弗吉尼亚栎种子中化学成分在不同地区具有较大分布差异, 尤其是单宁含量和含油率变异最大。立地环境中土壤主要对弗吉尼亚栎种子中单宁含量及含油率具有较大影响, 种子中单宁的含量与土壤盐度呈单调递增关系, 与土壤pH也有着较强的响应；而种子含油率仅对土壤盐度的响应较强。综上, 本研究结果可对弗吉尼亚栎的栽植地选择及其种子的精深加工利用提供一定的理论基础, 并为弗吉尼亚栎由盐碱地生态林向经济林的发展提供一些思路和依据。