硒\\(Selenium,Se\\)是自然環境中廣泛存在的一種非金屬元素[1].盡管沒有直接證據顯示硒對植物是必需的,但它已被證實是人類和動物所必需的微量元素[2],與心腦血管疾病、人體免疫、抗癌和抗病毒等代謝活動有重要關系[3-4].據研究估計全世界大約10億人硒攝入量不足[3].此外,世界上大多數人口所消費的食物中硒含量為亞適宜水平.受酸雨、土壤酸化及長時間密集種植農作物的影響,食物中的硒含量將會進一步減少[5].研究和實踐表明生物強化硒\\(Selenium biofortification\\)是提高居民硒攝入量的有效措施[6-7].該項措施不僅能提高整個食物鏈中的硒含量水平,同時也能提高作物的產量,改善作物品質[7].研究表明,硒處理能夠顯著提高獨行菜[8]、大蒜[9]等作物的總抗氧化力,并提高產量和蛋白質、必需氨基酸、維生素C的含量.因此生物強化硒是人體補硒高效、低廉、簡便易行的途徑,富硒農產品的生產技術研究也已成為當前研究的熱點之一.蠶豆\\(Vicia faba L.\\),又名佛豆、胡豆等,廣泛用作糧食、蔬菜、飼料等,是淀粉、蛋白質、纖維素的優良來源[10].蠶豆具有很高的營養價值,但同時也含有單寧、植酸等抗營養因子[10],不利于人體對營養物質的吸收與利用.目前大量研究主要集中于硒處理對植物生長的影響、植物吸收和轉化硒規律、硒在植物中的存在形態等方面,而硒對作物營養品質、抗營養物質含量、抗氧化性的影響及其之間關系的報道仍然很少.因此,重視硒在蠶豆中的富集、生物有效性及對營養物質的影響,對提高豆類作物硒含量和改善營養品質有重要意義,可使富硒蠶豆等相關食品成為居民補充硒和其他營養物質的一種理想途徑.本試驗以2種蠶豆為研究對象,采用盆栽試驗研究土壤添加硒對蠶豆籽粒的營養品質、硒含量及抗氧化性的影響,以期豐富植物強化硒的理論研究并為富硒蠶豆的生產提供理論依據.
1材料與方法
1.1試驗材料
供試蠶豆品種為"崇禮蠶豆"和"鳳豆6號",分別由河北省張家口市農業科學院作物研究所和云南省大理州農科所提供.
供試土壤取自張家口市農業科學院張北縣壩上試驗田,前茬作物為小麥,為栗鈣土.土風干后過5mm篩,曬干裝盆.采用30cm×30cm的白色不透光塑料花盆裝土,每盆裝土10kg.土壤理化性狀為:有機質20.7g/kg,堿解氮67mg/kg,有效磷93.0mg/kg,有效鉀240mg/kg,全硒0.08mg/kg,pH 8.25.
1.2試驗設計
盆栽試驗于2012年5月-2012年9月在河北省張家口市農業科學院張北縣壩上試驗站盆栽試驗場地進行.試驗采用隨機區組設計.試驗設計6個硒濃度處理,分別為:
0\\(CK\\)、3.1\\(Se1\\)、6.2\\(Se2\\)、12.4\\(Se3\\)、24.8\\(Se4\\)和50.0\\(Se5\\)mg/kg,每個濃度3次重復.由于Se5處理的蠶豆在生長過程中逐漸死亡,故僅對前5個處理的蠶豆進行取樣測定.
將亞硒酸鈉\\(Na2SeO3\\)配置成一定濃度溶液后均勻噴施在土中,充分混合均勻后裝盆.播種時每個花盆中等距播10粒蠶豆,播深2cm.出苗后進行定苗,每盆3株.根據植株長勢和土壤狀況及時澆水.
1.3測定方法
蠶豆成熟后,對籽粒進行采收.籽粒用不銹鋼粉碎機粉碎后過40目篩后待測.常規成分按照下列方法分別測定:粗蛋白采用凱氏定氮法[11];粗纖維采用ANKOM纖維分析儀測定[11];粗灰分采用干灰化法[11];高氯酸水解后用蒽酮比色法測定淀粉含量[12].植酸含量測定采用FeCl3比色法[13],單寧含量測定采用Folin-Denis法[14].1,1-二苯基-2-三硝基苯肼\\(DPPH\\)自由基清除率測定采用Brand-William的方法[15],清除力用清除50% DPPH自由基時的樣品濃度\\(IC50\\)表示.硒含量測定采用氫化物發生---原子吸收分光光度法[16].
1.4數據處理
試驗數據采用Excel 2010及SPSS 17.0軟件進行方差分析與作圖,采用Duncan\ue10bs新復極差法進行方差顯著性檢驗\\(P=0.05\\).
2結果與分析
2.1硒對蠶豆產量及籽粒硒含量的影響
通過土壤施硒可以顯著影響2種蠶豆的籽粒產量及籽粒硒含量\\(表1\\).隨著施硒量的增加,崇禮蠶豆籽粒產量呈先增加后降低的趨勢,其中Se2和Se4顯著高于\\(提高12.5%\\)和低于\\(降低37.5%\\)對照\\(CK\\)產量.對于鳳豆6號,其籽粒產量呈現隨施硒量的增加而降低的趨勢,其中CK處理顯著高于Se4處理,而和其他施用硒處理無顯著性差異.
土壤施硒可以顯著提高蠶豆籽粒硒含量\\(表1\\).施硒使崇禮蠶豆和鳳豆6號籽粒硒含量分別達到4.23~7.38mg/kg和4.66~6.71mg/kg,分別較對照提高21.3~35.8和4.97~7.60倍.通過擬合方程描述蠶豆籽粒硒含量\\(y\\)與土壤硒含量\\(x\\)之間關系,大致呈現對數增長趨勢.崇禮蠶豆為y=1.271ln\\(x\\)+3.306 4\\(R2=0.964 4\\);鳳豆6號為y=1.066ln\\(x\\)+3.509 3\\(R2=0.995 2\\).由此可知,盡管施硒能顯著提高蠶豆籽粒硒含量,但籽粒硒含量與土壤施硒量之間并非線性增加關系,施少量硒\\(3.1mg/kg\\)便可以極大地提高籽粒硒含量.隨施硒量的進一步增加,籽粒硒含量增加幅度降低.
在不施加硒時\\(CK\\),崇禮蠶豆和鳳豆6號籽粒硒含量分別為0.19和0.78mg/kg,后者是前者的4.1倍.這說明在土壤硒濃度低時,蠶豆品種間對硒的富集能力不同,存在基因型的差異.
綜合考慮籽粒產量與硒含量,2種蠶豆每盆富集到籽粒中的硒總量變化趨勢一致,均呈現先增加后降低的趨勢,且2種蠶豆每盆硒總量均在Se3時達到最大\\(崇禮蠶豆和鳳豆6號分別為117.30和56.06μg/盆\\).同一處理,崇禮蠶豆每盆富集硒總量要遠高于鳳豆6號,其主要原因是崇禮蠶豆每盆產量較高\\(表1\\).由此可見,富硒農產品開發不僅要重視產品中硒含量的提升,也要兼顧經濟器官的產量.
2.2硒對蠶豆籽粒常規營養成分的影響
土壤硒處理不僅可以影響蠶豆產量和籽粒硒含量,對蠶豆籽粒營養成分也有一定影響.由表2看出,硒處理可以降低籽粒粗蛋白質含量,高濃度硒處理時\\(崇禮蠶豆為>24.8 mg/kg,鳳豆6號為>12.4mg/kg\\)顯著 減 低 了 蠶 豆 籽 粒 粗 蛋 白 含 量.雖然鳳豆6號在Se1處理粗蛋白含量高于CK,但并無顯著差異.
2種蠶豆籽粒中粗纖維含量的變化規律也不盡相同.對崇禮蠶豆而言,粗纖維含量以Se2最低\\(4.84%\\),以Se4最高\\(5.41%\\);而鳳豆6號籽 粒粗纖維 含量隨施硒量的增 加 而 增加,Se4時顯著高于對照,其含量提高了17.8%.
Se4濃度下鳳豆6號的粗灰分含量最高\\(7.35%\\),顯著高于對照;而各個硒濃度處理下崇禮蠶豆籽粒粗灰分含量之間并無顯著差異.總碳水化合物含量雖然隨著土壤施硒量的增加呈下降趨勢,但每個蠶豆品種內,硒處理間籽粒中碳水化合物含量均無顯著差異.
2.3硒對蠶豆籽?？範I養成分的影響
土壤施硒也可以不同程度影響一些抗營養物質的含量.由表3可見,2種蠶豆籽粒中植酸含量受土壤硒含量的影響較小,崇禮蠶豆籽粒植酸含量變化范圍為17.37~17.75mg/g,鳳豆6號籽粒植酸含量的變化范圍為19.13~19.56mg/g,各處理間差異不顯著.施硒可以顯著提高蠶豆籽粒中單寧含量.崇禮蠶豆的單寧含量在Se3處理時比對照顯著提高了7.63%.鳳豆6號單寧含量在Se2和Se4處 理 時 分 別 比 對 照 顯 著 提 高 了24.8%和23.6%.
2.4硒對蠶豆籽粒提取物
DPPH自由基清除率的影響本試驗采用清除DPPH自由基抗氧化體系對蠶豆籽粒中抗氧化活性進行評價,半抑制質量濃度\\(IC50\\)越低則表明DPPH自由基清除力越強.硒處理蠶豆籽粒的抗氧化性均高于對照\\(圖1\\).計算不同試樣各自的IC50,CK、Se1、Se2、Se3和Se4處理的崇禮蠶豆籽粒提取物的IC50分別為28.1、25.9、20.0、18.3和23.1mg/mL;抗氧化力隨濃度呈現先增加后稍微降低的趨勢,其中Se2和Se3處理的抗氧化力顯著高于對照.
CK、Se1、Se2、Se3和Se4處理的鳳 豆6號 籽 粒 提 取 物 的IC50分 別 為33.7、21.9、23.8、27.5和22.9mg/mL,其中Se1、Se2及Se4處理的抗氧化力顯著高于對照.可以看出,土壤添加硒可以提高蠶豆籽粒提取物對DPPH自由基的清除能力,提高籽?？寡趸钚?這可能是籽粒中抗氧化物質含量增加的結果.
2.5測定指標的相關性分析
由表4可見,崇禮蠶豆籽粒中硒含量與粗蛋白質含量、單寧含量之間存在顯著的相關性.鳳豆6號籽粒硒含量與粗纖維含量之間也存在顯著的相關性.崇禮蠶豆與鳳豆6號籽粒硒含量與籽粒提取物DPPH自由基清除力\\(用IC50表示\\)之間存在極顯著相關性.2種蠶豆籽粒硒含量與粗灰分、總碳水化合物及植酸含量之間并無顯著相關性.2種蠶豆籽粒中單寧含量與DPPH自由基清除力之間存在顯著的相關性,而與粗蛋白、粗纖維、粗灰分、粗碳水化合物、植酸之間相關性較差.
3討論
3.1硒對蠶豆籽粒產量與硒含量的影響
硒經植物的吸收和轉化進入食物鏈,從而被人體吸收與利用.研究表明,適宜濃度硒處理不僅可以提高食物鏈的硒水平和營養價值,改善作物的品質,也可以提高作物的產量[7].高濃度的硒對植物具有毒害作用,通過影響植物的生理和正常代謝降低植物的生物產量與經濟產量[17].郝玉波等[17]證實低含量\\(<10mg/kg\\)的硒能促進玉米的生長、提高生物產量和籽粒產量;高濃度硒抑制玉米的正常生長和干物質累積量,籽粒產量和品質下降.本研究中崇禮蠶豆籽粒產量在適宜濃度\\(<6.2mg/kg\\)有所增加,但隨土壤硒濃度的繼續增加而急劇下降,這與前人[18]在其他作物上的相關研究規律相符.
鳳豆6號與崇禮蠶豆稍有不同,籽粒產量隨硒濃度的增加而不斷下降,并未出現產量增加的現象,這可能與品種對硒的敏感度有關.對水稻[19-20]玉米[17]和谷子[21]等作物的研究表明,不同品種對硒的吸收和響應規律不同,存在基因型的差異.在不添加硒時,崇禮蠶豆富集硒的能力要弱于鳳豆6號\\(崇禮蠶豆為0.19mg/kg,鳳豆6號為0.78mg/kg\\),但隨著硒濃度增加,崇禮蠶豆的硒含量增加倍數要遠大于鳳豆6號.可見不同蠶豆品種對硒的累積能力也存在基因型的差異.
Pappa等[22]報道來自希臘的食用豆硒含量為0.024~0.444mg/kg,平均為0.165mg/kg.本試驗對照蠶豆籽粒中硒含量與該范圍基本一致.本研究表明添加少量的硒\\(3.1mg/kg\\)即可極大地提高蠶豆籽粒硒含量\\(崇禮蠶豆提高21.3倍;鳳豆6號提高4.97倍\\),且隨濃度繼續增加,籽粒中硒含量增加幅度降低,這一研究結果與田秀英等[23]對苦蕎的研究結果相一致.玉米富集硒的盆栽試驗顯示玉米籽粒中硒含量與土壤施 硒量之 間 呈 直 線 增 長 關系[17],而本研究則認為對數增長關系擬合度更佳,這可能與作物種類、處理濃度的設置等因素有關.
此外,杜振宇等[24]研究發現盡管茄子硒含量隨施硒量增加而顯著增加,但無機硒轉化為有機硒的比率下降.經計算,食用施硒量為3.1mg/kg處理所生產的崇禮蠶豆13.0g或鳳豆6號11.8g即可達到推薦的每日硒攝入量55μg/d,而達到400μg/d的上限攝入量[25]則需要3.1mg/kg生產的崇禮蠶豆94.5g或鳳豆6號85.8g,不宜過量食用.硒是一把雙刃劍,缺硒和高硒都會對人體產生危害,并且硒的有益到有害范圍非常窄,故富硒蠶豆的安全評價與合理攝取的相關研究還需進一步完善.
3.2硒對蠶豆籽粒營養成分與抗營養因子含量的影響
合理施用微量元素可以促進作物生長,提高作物對養分的吸收能力,有效改善作物營養物質[26].本試驗中,蠶豆籽粒粗蛋白含量隨施硒濃度增加而降低,鳳豆6號在低濃度時粗蛋白含量有所增加,但差異并不顯著.適宜濃度時\\(6.2mg/kg\\)崇禮蠶豆粗纖維含量最低,而高濃度\\(24.8mg/kg\\)時粗纖維含量顯著增加;鳳豆6號粗纖維含量隨硒濃度增加而不斷增加.
2種蠶豆品種籽粒中灰分變化趨勢也不盡相同.李明等[18]報道稱,施硒量增加可降低莜麥籽粒中粗蛋白的含量,但提高粗纖維的含量,本研究與之類似.但也有研究與上述結果相反.Lee等[27]研究發現小麥籽粒中硒含量與蛋白質含量存在正相關性.田秀英等[23]報道稱苦蕎的粗蛋白含量隨硒濃度增加而升高.李登超等[28]報道稱低濃度硒肥能增加小白菜纖維素的含量,高濃度則降低了粗纖維的濃度.以上研究結果之所以不同,可能與施硒濃度范圍、施硒的方式與時期及作物種類等因素有關,還有待進一步研究.故農作物富硒研究要綜合考慮各因素,從而得到滿意的富硒效果.
蠶豆是淀粉、蛋白質、纖維素和礦物質的優良來源,但其中也含有單寧、植酸等抗營養因子,過多攝入不利于人體對蛋白質、礦物質等營養物質的吸收.目前的文獻報道多側重于施硒對植物功能性成分影響的研究,如蘆丁、黃酮[23]、Vc、大蒜素[29]等,對抗營養物質含量變化的報道不多.本研究表明,土壤施硒對蠶豆籽粒中植酸含量影響不大,但可以提高單寧含量.最近研究表明,單寧具有抑制白血病、降血壓、清除體內自由基以及抑制蛇毒等多種功能[30],從該角度來看,抗營養因子的增加未必見得無益.
3.3硒對蠶豆籽粒DPPH自由基清除力的影響
DPPH是一種有機自由基,因其具有穩定性好、操作簡便等優點被廣泛應用于評價物質的抗氧化活性[31],可以用來測定任何植物材料提取物的抗氧化力[15].施硒后,2種蠶豆籽粒提取液的DPPH清除力均提高,且與籽粒硒含量、單寧含量之間有顯著的相關性,故推測有以下2個原因.
1\\)含硒化合物具有較強的抗氧化能力,而這些含硒物質隨籽粒中硒含量增加而增加.硒在植物體內的存在形式主要是有機硒,占80%以上[32].由于硒與硫之間化學性質相似,硒也可以非特異結合形成與硫相關的化合物[2,8],這些化合物通常被認為具有抗氧化能力,這些物質的形態及功能還有待確定.
2\\)施硒改變了植物正常的生理代謝過程,為響應硒的刺激,植物可以產生多種抗氧化物質,如黃酮類[23]、單寧、葉綠素[33]、Vc、酚類[34]等.這些抗氧化物質含量與品種、生長環境及種子成熟度等因素有關[33].結合本試驗結果可知,蠶豆籽粒提取物DPPH自由基清除力與單寧含量存在顯著相關性,這說明籽粒中單寧含量的提高是增強DPPH自由基清除力的原因之一.蠶豆籽粒中還可能存在其他的抗氧化物質\\(尤其是含硒化合物\\),這些物質的形態及含量與抗氧化能力的內在聯系還需要進一步研究.
4結論
土壤施硒能夠顯著提高蠶豆籽粒硒含量,但隨土壤硒濃度增加,籽粒硒含量增加幅度降低,且品種間對硒的富集規律也存在一定差異.硒處理可以改變蠶豆籽粒中一些常規營養成分和抗營養物質的含量,并能夠通過影響單寧等抗營養物質含量提高籽粒的抗氧 化能力.綜合考慮低濃度 硒 處 理 \\(3.1mg/kg\\)適于富硒蠶豆的開發.富硒蠶豆的開發應因地制宜,篩選適合的蠶豆品種及處理方法,建立起標準化、規范化的技術體系.
參考文獻
[1]Zhu Y G,Pilon-smits E A H,Zhao F J,et al.Selenium inhigher plants:Understanding mechanisms for biofortificationand phytoremediation[J].Trends in Plant Sci,2009,14\\(8\\):436-442
[2]Terry N,Zayed A M,de Souza M P,et al.Selenium in higherplants[J].Annual Review of Plant Physiology and PlantMolecular Biology,2000,51:401-432
[3]Combs G F.Status of selenium in prostate cancer prevention[J].Brit J Cancer,2004,91\\(2\\):195-199
[4]Reilly C.Selenium in Food and Health[M].2nd ed.New York:Springer,2006
[5]Gissel-Nielsen G.Effects of selenium supplementation of fieldcrops[M]//Frankenberger W T,Engberg R A.Environmentalchemistry of selenium.New York:Marcel Dekker Inc,1998:99-112
[6]Haldimann M,Venner T Y,Zimmerli B.Determination ofselenium in the serum of healthy Swiss adults and correlationto dietary intake[J].J Trace Elem Med Bio,1996,10\\(1\\):31-45
[7]Hartikainen H.Biogeochemistry of selenium and its impact onfood chain quality and human health[J].J Trace Elem MedBio,2005,18\\(4\\):309-318.
[8]Juana F,Protr G,Cristinamartinez M V,et al.Changes innutritional value and cytotoxicity of Garden Cress germinatedwith different selenium solutions[J].J Agr Food Chem,2010,58\\(4\\):2331-2336
[9]Priit P,T\ue56cnu T,Anu V,et al.Effect of selenium treatment onmineral nutrition,bulb size,and antioxidant properties of garlic\\(Allium sativum L\\)[J].J Agr Food Chem,2011,59\\(10\\):5498-5503
[10]唐杰,薛文通.蠶豆中抗營養因子的生理功能[J].食品工業科技,2012,34\\(5\\):1-6
[11]張麗英.飼料分析及飼料質量檢測技術[M].3版.北京:中國農業大學出版社,2007:52-80[12]王福榮.生物工程分析與檢測[M].北京:中國輕工業出版社,2005:146-147
[13]傅啟高,李慧荃.三氯化鐵比色法測定植酸含量的研究[J].營養學報,1997,19\\(2\\):216-220
