无土栽培水芹不同器官的氨基酸特征及其资源化利用潜力分析

刘吉祥 杜凤凤 孙林鹤 王巍 赵慧君 姚东瑞 常雅军

〔江苏省中国科学院植物研究所（南京中山植物园），江苏省水生植物资源与水环境修复工程研究中心，江苏南京 210014〕

水芹〔（Bl.）DC.〕为伞形科多年生宿根性水生草本植物，是我国传统特色水生蔬菜之一（孙林鹤 等，2021）。随着人们生活水平的提高，民众消费理念由“生存型”向“发展型”和“健康型”转变，崇尚绿色、健康、有机食品（欧开翔和谷荣辉，2022），注重纯天然保健型蔬菜的开发应用。水芹所含蛋白质、维生素及矿质营养物质远高于芹菜（旱芹）、大白菜、鱼腥草等蔬菜作物（吴三林 等，2012；郑毅 等，2013；梁颖 等，2018），是公认低热量、高营养价值的蔬菜之一（袁名安 等，2016；李瑞 等，2017）；水芹还含有丰富的黄酮、挥发油、糖、甾醇、脂肪酸等成分（徐中海 等，2010；Ma et al.，2010；郭晓青 等，2017；王虹 等，2019），具有降血糖（Lee et al.，2017）、增强免疫力和抗病毒（刘青川 等，2018）、抗炎（Park et al.，2019）、抗肝损伤（Lu &Li，2019）等功效，有一定的临床应用价值（袁名安 等，2016）。因此，水芹具有较大的资源化利用潜力。

氨基酸是含有碱性氨基和酸性羧基的有机化合物，是构成蛋白质的基本单位，具有促进人体蛋白质合成、能量物质供给、增强人体免疫力、增加机体抵抗力等作用。植物中的氨基酸有20 余种，以结合态和游离态两种形态存在。结合态氨基酸作为蛋白质和多肽的基本构成单位存在于植物体中，游离态氨基酸则是以游离状态存在于植物体中，称为游离氨基酸（free amino acid，FAA）（顾晓敏 等，2022）。根据人体对氨基酸的需求，分为必需氨基酸（essential amino acid，EAA）和非必需氨基酸（non-essential amino acid，NEAA）两种。必需氨基酸必须由食物蛋白供给，而非必需氨基酸可由人体自身简单合成，两者均与人体生命活动息息相关，是人体代谢不可缺少的营养成分（van der Meij et al.，2019），其中一些药用氨基酸（medicinal amino acid，MAA）在人体机能维持方面至关重要。氨基酸还可分为鲜味氨基酸、甜味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸4 类，直接影响蔬菜产品的口感及鲜美程度（Tseng et al.，2005；王馨雨 等，2020；范婷婷 等，2021）。此前，易雪静等（2015）在洞庭湖野生水芹中检测出15 种氨基酸，钱兰华等（2020）在苏州圆叶水芹中检测出18 种氨基酸。水芹作为药食兼用型水生蔬菜，氨基酸含量与组成、营养与风味评价，在其食品开发和药理应用方面具有重要意义。

栽培方式可显著影响农作物的产量和品质（高雪琴 等，2020；张翠利 等，2020）。水芹栽培根据栽培基质可分为土壤栽培和水面无土栽培两种。一直以来，对水芹中挥发油、黄酮、矿质元素、维生素，以及氨基酸等成分的研究多基于土壤栽培，而对无土栽培水芹的化学成分分析较少（易雪静 等，2015；鄂尔德尼，2017）。近年来，富含氮、磷等营养物质的富营养化水体分布广泛，可为水生蔬菜生长提供必需的营养元素。且随着城乡一体化建设的加快，土地面积日益减少，人们对绿地需求在不断增加。利用长三角地区四通八达的水系和富营养化水面栽培水生蔬菜，对确保“菜篮子”工程、水体营养物质生态高值利用、土地资源节约等具有重要意义。由此，本试验选择可修复富营养化水体的规模化无土栽培水芹品种金陵1 号（常雅军 等，2020；Sun et al.，2021）为研究对象，采用富营养水栽培方式，利用柱前衍生高效液相色谱法（HPLC-MS/MS）测定水芹不同器官的氨基酸组分及含量，并根据WHO/FAO 人体必需氨基酸标准模式谱评价其营养价值与风味特征，探讨规模化水面无土栽培水芹的资源化应用潜力，为水芹氨基酸功能性食品和保健品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试水芹品种为金陵1 号（江苏省中国科学院植物研究所育成），2020 年11 月19 日以匍匐茎种植于江苏省宿迁市渔樵专业合作社富营养化水体中。水质参数为：总氮（TN）含量78.53 ± 1.49 mg·L，铵态氮（NH-N）含量25.20 ± 0.14 mg·L，亚硝态氮（NO-N）含量1.57 ± 0.28 mg·L，总磷（TP）含量247.78 ± 7.59 mg·L，化学需氧量（COD）191.11 ± 5.33 mg·L。2021 年5 月9 日，挑选长势均一、状态良好、无机械损伤的水芹植株，分别取500 g 新鲜的根、茎、叶，立即液氮速冻、粉碎备用；每个部位3 次重复。

组氨酸（His）、丝氨酸（Ser）、天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）、精氨酸（Arg）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、苏氨酸（Thr）、丙氨酸（Ala）、脯氨酸（Pro）、胱氨酸（Cys）、赖氨酸（Lys）、酪氨酸（Tyr）、甲硫氨酸（Met）、缬氨酸（Val）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Trp）、γ-氨基丁酸（GABA）、D-α-氨基正丁酸、羟脯氨酸（HPro）等23 种氨基酸标准品购自Sigma 公司；甲醇、乙腈、乙酸购自ANPEL 公司；氢氧化钠、盐酸、乙酸乙酯购自中国医药集团有限公司，均为AR 级。

1.2 方法

1.2.1 试剂制备与样品提取 分别用0.1 mol·L盐酸溶解各氨基酸标准品配制成浓度为1 μmol·mL的混标母液，再按照5、10、50、100、300、500、700 nmol·mL梯度稀释，分别装入1.5 mL的EP 管中，采用外标法进行定量，制作拟合曲线（表1）。

表1 氨基酸标准拟合曲线

游离氨基酸测定样品前处理：分别称取水芹根、茎、叶样品100 mg 至离心管中，加入0.1 mol·L盐酸提取液0.6 mL，涡旋混匀，振荡提取，12 000 r·min离心10 min，取上清液备用。

水解氨基酸测定样品前处理：分别称取水芹根、茎、叶样品100 mg 至色谱瓶中，加入6 mol·L盐酸1 mL，121 ℃酸解24 h，取200 μL 液氮吹干；再加入0.1 mol·L盐酸提取液200 μL，涡旋混匀，振荡提取，12 000 r·min离心10 min，取上清液备用。

1.2.2 仪器参数 数据采集仪器系统主要包括超高效液相色谱（Vanquish UPLC，Thermo，USA）和高分辨质谱（Q Exactive，Thermo，USA）。

色谱系统采用的是超高效液相系统（Vanquish UPLC，Thermo，Waltham，Massachusetts，USA），采 用ACCQ-TAG TMULTRA C18（100 mm × 2.1 mm，1.8 μm）（Waters，Milford，Massachusetts，USA）液相色谱柱进行分离，进样量为1 μL；流动相A（AccQ·TagtmUltra Eluent A）和流动相B（AccQ·TagtmUltra Eluent B）（Waters，Milford，Massachusetts，USA）的流动相梯度详见表2，柱温为65 ℃（Glauser et al.，2016）。

表2 流动相梯度

质谱系统采用Q Exactive（Q Exactive ™，Thermo，Waltham，Massachusetts，USA）高分辨质谱检测系统，配有电喷雾离子源（electrospray ionization，ESI）和Xcalibur 工作站。利用电喷雾离子源，在正离子扫描模式下以单离子检测（SIM）模式进行分析，可以大大提高灵敏度。优化后的质谱分析条件为：鞘气40 arb，辅助气10 arb，离子喷雾电压 +3 000 V（-2 800 V），温度350 ℃，离子传输管温度320 ℃（Zhuang et al.，2020）。

援助：这家人住在一所属于病人父亲的房子里，因为家中有继母，所以他们需要支付房租，但是当经济状况特别糟糕时，病人的父亲会予以宽限、理解。

1.3 氨基酸营养评价

参照世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）修订的人体必需氨基酸标准模式谱（WHO &FAO，1973），采用由朱圣陶和吴坤（1988）提出的氨基酸比值系数法，通过计算氨基酸比值（ratio of amino acid，RAA）、氨基酸比值系数（ratio coefficient of amino acid，RCAA）和氨基酸比值系数分（score of ratio coefficient of amino acid，SRCAA）对水芹各器官所含必需氨基酸进行营养价值评价。由于胱氨酸是由甲硫氨酸转变而成，因此将甲硫氨酸和胱氨酸合并计算（Met-Cys）；酪氨酸是由苯丙氨酸转变而成，亦将苯丙氨酸和酪氨酸合并计算（Phe-Tyr）。

式中，CV 为RCAA 的变异系数，CV=标准差/均数。

1.4 氨基酸风味评价

呈味氨基酸分为鲜味、甜味、苦味和芳香族氨基酸4 类。通过对水解氨基酸中呈味氨基酸含量及相对含量进行比较分析，并对游离氨基酸中呈味氨基酸的含量和风味贡献强度进行分析，评价水芹各器官风味。氨基酸风味贡献强度采用味觉阈值比（ratio of content and taste threshold，RCT）来评价（黄元河 等，2021），RCT=某风味氨基酸含量/相应氨基酸的味觉阈值。RCT 可反映单一氨基酸对整体滋味的贡献值大小，当RCT ≥1 时，认为该氨基酸对呈味有贡献；当RCT ＜1 时，则认为该氨基酸对呈味无贡献。

1.5 数据处理

使用Xcalibur 4.1（Thermo Scientific，Waltham，Massachusetts，USA）在Q Exactive 上采集数据，并使用TraceFinder ™ 4.1 Clinical（Thermo Scientific，Waltham，Massachusetts，USA）进行处理，量化数据输出为Excel 格式。所有数据图表均在WPS Office 2019 及Origin 2018 软件中处理、绘制，采用SPSS 26.0 对试验结果进行单因素方差分析（Duancan）和显著性分析（＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 氨基酸组分分析

水芹叶片中水解氨基酸和游离氨基酸的色谱图分别如图1、2 所示，氨基酸峰间距较合理，无重叠，峰面积分离较好，能直观的反映水芹的氨基酸含量。

图1 水芹叶片中水解氨基酸色谱图

如表3 所示，通过HPLC-MS/MS 法在水芹中检出22 种水解氨基酸，23 种游离氨基酸，其中包括8 种必需氨基酸和9 种药用氨基酸。必需氨基酸分别为Lys、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Thr、Trp，药用氨基酸分别为Asp、Glu、Leu、Tyr、Phe、Gly、Lys、Arg、Met。检出呈味氨基酸18 种，其中属鲜味氨基酸的有：Asp、Glu、Lys，属甜味氨基酸的有：Thr、Ser、Gly、Ala、His、Pro，属苦味氨基酸的有：Met、Arg、Val、Leu、Ile、Trp，属芳香族氨基酸的有：Phe、Tyr、Cys。水芹各器官所含氨基酸种类略有不同，Cys 仅在叶片中检出。与前人研究（易雪静 等，2015；钱兰华等，2020）相比，本试验首次在水芹中检出Asn、Gln、HPro、GABA 和D-α-氨基正丁酸等5 种氨基酸，说明水面无土栽培的水芹所含氨基酸种类丰富。

图2 水芹叶片中游离氨基酸色谱图

表3 水芹不同器官中的氨基酸种类及含量

2.2 氨基酸含量分析

总游离氨基酸在水芹不同器官中的含量由高到低依次为：茎（1.99 mg·g）＞根（1.48 mg·g）＞叶（0.85 mg·g）。与大多数单种水解氨基酸在叶中含量最高的情况相似，大多数单种游离氨基酸在叶中的含量显著高于根和茎，而根、茎间差异不显著。此外，根和茎中的Gln 含量最高，分别占其总游离氨基酸含量的67.47%和65.43%；而叶中含量最高的游离氨基酸为Glu，占叶总游离氨基酸含量的25.55%（表3）。

2.2.2 必需氨基酸、药用氨基酸与呈味氨基酸含量分析 水芹不同器官中的必需氨基酸总含量由高到低依次为：叶（7.46 mg·g）＞根（1.77 mg·g）＞茎（0.95 mg·g），药用氨基酸总含量由高到低亦为：叶（11.93 mg·g）＞根（3.77 mg·g）＞茎（2.96 mg·g），而呈味氨基酸总含量由高到低则为：叶（0.54 mg·g）＞茎（0.10 mg·g）＞根（0.09 mg·g）。在根和茎中，4 类呈味氨基酸含量由高到低均为：鲜味氨基酸＞甜味氨基酸＞苦味氨基酸＞芳香族氨基酸，而叶中则为：甜味氨基酸＞苦味氨基酸＞鲜味氨基酸＞芳香族氨基酸（表3）。

2.2.3 不同器官氨基酸含量分析 进一步分析水芹不同器官的氨基酸特性。结果表明（表4），叶的必需氨基酸含量/总氨基酸含量（E/T）、必需氨基酸含量/非必需氨基酸含量（E/N）值均为最高，且符合WHO/FAO 的理想蛋白标准；而茎和根的E/T、E/N 值远低于叶片，不符合理想蛋白标准。根、茎、叶的药用氨基酸含量/总氨基酸含量（M/T）值均较高，分别为65.18%、72.75%、61.86%，说明水芹的根、茎、叶都具有一定药用价值。

表4 水芹不同器官的氨基酸特性

2.3 氨基酸营养价值与风味评价

2.3.1 氨基酸营养价值评价 当食物氨基酸相对含量与相应人体所需氨基酸含量接近或一致时，具有更高的食用价值。将水芹不同器官中必需氨基酸含量占总氨基酸含量的比例与WHO/FAO 推荐的氨基酸标准模式谱比较发现（表5），叶中除Met-Cys和Lys 的占比低于标准模式谱外，其他必需氨基酸的占比均高于标准模式谱；根中Thr、Ile、Leu 和Phe-Tyr 的占比均高于标准模式谱；茎中仅Phe-Tyr的占比高于标准模式谱。可见，水芹叶中各必需氨基酸含量占总氨基酸含量的比例更符合WHO/FAO氨基酸标准模式谱，说明叶片中的必需氨基酸组成更符合人体所需氨基酸含量要求。

表5 水芹不同器官中必需氨基酸含量占总氨基酸含量的比例

氨基酸比值系数（RCAA）和氨基酸比值系数分（SRCAA）是营养评价的重要指标，食物或蛋白质中必需氨基酸的RCAA 值越接近1（RCAA ＞1 表示相对过剩，RCAA ＜ 1 则相反，RCAA 值最小的氨基酸为其第一限制氨基酸）、SRCAA 值越接近100，说明各氨基酸含量越均衡、营养价值越高（吴莹莹 等，2018）。由表6 可知，水芹根、茎、叶中的氨基酸RCAA 最小值均为Met-Cys，说明水芹不同器官中第一限制氨基酸均为Met-Cys。水芹不同器官中必需氨基酸的SRCAA 值由高到低依次为：叶（62.94）＞根（59.78）＞茎（56.59），同样说明叶中的氨基酸组成更接近WHO/FAO 标准模式，其氨基酸营养价值最高。

表6 水芹不同器官中氨基酸RAA、RCAA 和SRCAA分析结果

2.3.2 氨基酸风味评价 氨基酸能使食物具有鲜味、甜味和苦味等独特风味（Zhao et al.，2016），水芹的风味好坏会影响其市场需求。比较水芹不同器官水解氨基酸中的呈味氨基酸含量发现（图3），茎中各类呈味氨基酸含量均低于根和叶，但鲜、甜味氨基酸的相对含量达74.02%，高于根（67.69%）和叶（58.15%），说明茎中鲜、甜味氨基酸贡献值更高；且茎中鲜、甜味氨基酸含量/苦味氨基酸含量的值高达4.30，远高于根（2.94）和叶（2.03），即水芹茎的口感最好。比较不同器官游离氨基酸中的呈味氨基酸含量和味觉阈值比发现（表3、7），根、茎中各类呈味氨基酸含量均远低于味觉阈值，RCT 值均低于1，而叶中Glu 含量为217.8 μg·g，远高于味觉阈值50 μg·g，RCT 高达4.356 06，同时Asp 含量为66.99 μg·g，远高于其味觉阈值30 μg·g，RCT 高达2.232 90，这两种氨基酸对水芹叶片呈味有贡献，使得叶主要呈鲜味。

图3 水芹不同器官中呈味氨基酸含量比较

表7 水芹不同器官中呈味氨基酸的味觉阈值比

3 结论与讨论

本试验结果表明，富营养水栽培的水芹含有22 种水解氨基酸、23 种游离氨基酸，其中包括8种必需氨基酸、9 种药用氨基酸、4 类呈味氨基酸；总水解氨基酸在不同器官中的含量由高到低依次为：叶＞根＞茎，而总游离氨基酸含量为：茎＞根＞叶。虽然本试验中水芹叶片的总氨基酸含量低于土壤种植的东洞庭湖区和汉中山区野生水芹（周芳，2004；易雪静 等，2015）以及苏州圆叶水芹（钱华兰 等，2020），但首次在水芹中检测出Asn、Gln、HPro、GABA、D-α-氨基正丁酸等5种氨基酸，说明水面无土栽培水芹的氨基酸种类更为丰富。与常见蔬菜相比，本试验中水芹叶片的总氨基酸含量远高于青花菜、普通白菜（鸡毛菜）、红苋菜、甘蓝、茼蒿、马蹄等（肖南 等，2019；陈宏靖 等，2020，2021；赵文琦 等，2020），与韭黄、紫薯等相当（Zhao et al.，2016）。可见，水面无土栽培水芹中的氨基酸含量较高。

水芹是典型的药食两用型蔬菜，本试验在水芹中检出9 种药用氨基酸：Asp、Glu、Leu、Tyr、Phe、Gly、Lys、Arg 和Met；药用氨基酸在不同器官中的总含量由高到低依次为：叶＞根＞茎，而药用氨基酸含量/总氨基酸含量（M/T）值为：茎＞根＞叶，且各器官M/T 值均高于60%。可见，水芹药用价值较高。已有研究发现，Arg 是一种半必需氨基酸，对新生儿营养代谢具有重要作用，可促进垂体生长素及胰岛素的分泌和释放，治疗矮小症和糖尿病（蒋与刚和徐琪寿，2002）；Lys 在促进人体生长、钙吸收以及智力提高等方面具有重要作用（汪家春 等，2013）；Glu 是生命不可缺少的氨基酸之一，可提高细胞免疫力（van Sadelhoff et al.，2020），还可使得大部分区域的神经元兴奋，参与记忆与学习过程，以及细胞骨架的形成和功能调节（李淑兰 等，2004）。由此，水芹具有被开发成为提高免疫力和记忆力食品的潜力。此外，本试验在水芹中检测到的其他氨基酸，如Gln 具有抗炎、免疫调节、维护肠屏障和改变肠粘膜通透性、保护应激状态下的组织代谢、保持肌肉质量等功能（Clark et al.，2017；Singer et al.，2019；Wischmeyer，2019；段海娥等，2020；林杰茹等，2020）；HPro 可参与合成多种碳青霉烯类抗生素（Nishino et al.，2003）；GABA 具有治疗精神疾病、糖尿病和改善肝肾功能等作用（林杨 等，2021）。综上可见，水面无土栽培水芹各器官中均含有丰富的药用氨基酸，在保健品方面有较高的应用与开发价值（Hwang et al.，2013）。

考虑到人体对不同氨基酸的营养需求，本试验对水芹中必需氨基酸和非必需氨基酸的组分与含量进行分析。结果显示，人体必需氨基酸共8 种，本试验在金陵1 号水芹不同器官中均检出7 种人体必需的水解氨基酸，但常见的Trp 未能检出，可能是由于本试验采用的水解方法致使其被破坏；而在不同器官中均可检测出8 种必需的游离氨基酸。不同器官中的E/T、E/N 值由高到低依次为：叶＞根＞茎。与其他蔬菜相比，本试验水芹叶中E/T、E/N 值不仅远高于紫甘蓝、韭黄、番茄、芦笋、青花菜、花椰菜等多种常见蔬菜（李跃森 等，2013；李佳媛，2017；陈宏靖 等，2020，2021；赵文琦等，2020），还高于狗肝菜、铜锤玉带草、五指毛桃（五指牛奶根）等野生蔬菜（黄元河 等，2020；包艳玲 等，2021）。说明水面无土栽培水芹的必需氨基酸含量均衡，符合理想蛋白标准。同时，通过WHO/FAO 氨基酸标准模式谱和氨基酸比值系数法进行必需氨基酸营养价值评价，发现水芹根、茎、叶中的第一限制氨基酸均为Met-Cys，这与前人在其他食用植物中的研究结果相似（杨东顺 等，2015；耿伊雯 等，2021；卢冉 等，2021）。Met 在合成肌酸与胆碱方面有重要作用（黄艳，2013），建议在食用水芹时可搭配Met 含量较高的食品互补，以提高其营养价值。本试验中，水芹不同器官中必需氨基酸的SRCAA 值由高到低依次为：叶（62.94）＞根（59.78）＞茎（56.59），说明水面无土栽培水芹各器官中的必需氨基酸组成较为均衡。与其他蔬菜相比，水芹叶的SRCAA 值不仅高于芦笋（50.56）、长丝瓜（57.82）、茼蒿（59.88）等蔬菜（陈宏靖 等，2020），也高于山药（58.6）、马铃薯（16.96～65.94）等（张丽梅 等，2008；赵凤敏等，2014），因此，适量增加对水芹叶的食用量有助于人体必需氨基酸的摄入。水芹茎中的鲜、甜味氨基酸含量与苦味氨基酸含量的比值高达4.30，远高于紫花苜蓿（1.80～1.90）（孙娟娟 等，2019），接近于新疆红枣（6.91）（马莎 等，2018）；且茎中的鲜味氨基酸相对含量高达50.64%，远高于冬虫夏草（35%以上）和紫花苜蓿（37%以上）（严冬和杨鑫嵎，2014；孙娟娟 等，2019），说明水芹茎的口感较好。分析游离氨基酸中的呈味氨基酸味觉阈值比，发现水芹叶中Glu 和Asp 的RCT 值分别为4.356 06、2.232 90，对水芹叶片呈味有贡献，使得叶片主要呈鲜味，这也是水芹作为水生蔬菜日常食用茎段和叶片的原因。

综上，水面无土栽培水芹叶中总水解氨基酸含量最高，必需氨基酸含量均衡，氨基酸营养价值最高，主要呈鲜味；茎中总游离氨基酸含量最高，口感风味较好，氨基酸营养价值相对较低；根、茎、叶中均富含具药用功效的氨基酸，开发利用价值较高。笔者前期研究表明，水面无土栽培水芹的矿质营养元素、可溶性糖、粗脂肪、维生素等含量较高（Sun et al.，2021）。因此，利用自然界广泛存在的富营养化水体无土栽培水芹，在修复富营养化水体、节能减排的同时，还节约了宝贵的土地资源，获得了药食兼用型绿色水生蔬菜，在食用、药用、保健品以及动物青饲料等方面均具有较高的开发利用潜力。