硒(Selenium,Se)是自然环境中广泛存在的一种非金属元素[1].尽管没有直接证据显示硒对植物是必需的,但它已被证实是人类和动物所必需的微量元素[2],与心脑血管疾病、人体免疫、抗癌和抗病毒等代谢活动有重要关系[3-4].据研究估计全世界大约10亿人硒摄入量不足[3].此外,世界上大多数人口所消费的食物中硒含量为亚适宜水平.受酸雨、土壤酸化及长时间密集种植农作物的影响,食物中的硒含量将会进一步减少[5].研究和实践表明生物强化硒(Selenium biofortification)是提高居民硒摄入量的有效措施[6-7].该项措施不仅能提高整个食物链中的硒含量水平,同时也能提高作物的产量,改善作物品质[7].研究表明,硒处理能够显着提高独行菜[8]、大蒜[9]等作物的总抗氧化力,并提高产量和蛋白质、必需氨基酸、维生素C的含量.因此生物强化硒是人体补硒高效、低廉、简便易行的途径,富硒农产品的生产技术研究也已成为当前研究的热点之一.蚕豆(Vicia faba L.),又名佛豆、胡豆等,广泛用作粮食、蔬菜、饲料等,是淀粉、蛋白质、纤维素的优良来源[10].蚕豆具有很高的营养价值,但同时也含有单宁、植酸等抗营养因子[10],不利于人体对营养物质的吸收与利用.目前大量研究主要集中于硒处理对植物生长的影响、植物吸收和转化硒规律、硒在植物中的存在形态等方面,而硒对作物营养品质、抗营养物质含量、抗氧化性的影响及其之间关系的报道仍然很少.因此,重视硒在蚕豆中的富集、生物有效性及对营养物质的影响,对提高豆类作物硒含量和改善营养品质有重要意义,可使富硒蚕豆等相关食品成为居民补充硒和其他营养物质的一种理想途径.本试验以2种蚕豆为研究对象,采用盆栽试验研究土壤添加硒对蚕豆籽粒的营养品质、硒含量及抗氧化性的影响,以期丰富植物强化硒的理论研究并为富硒蚕豆的生产提供理论依据.
1材料与方法
1.1试验材料
供试蚕豆品种为"崇礼蚕豆"和"凤豆6号",分别由河北省张家口市农业科学院作物研究所和云南省大理州农科所提供.
供试土壤取自张家口市农业科学院张北县坝上试验田,前茬作物为小麦,为栗钙土.土风干后过5mm筛,晒干装盆.采用30cm×30cm的白色不透光塑料花盆装土,每盆装土10kg.土壤理化性状为:有机质20.7g/kg,碱解氮67mg/kg,有效磷93.0mg/kg,有效钾240mg/kg,全硒0.08mg/kg,pH 8.25.
1.2试验设计
盆栽试验于2012年5月-2012年9月在河北省张家口市农业科学院张北县坝上试验站盆栽试验场地进行.试验采用随机区组设计.试验设计6个硒浓度处理,分别为:
0(CK)、3.1(Se1)、6.2(Se2)、12.4(Se3)、24.8(Se4)和50.0(Se5)mg/kg,每个浓度3次重复.由于Se5处理的蚕豆在生长过程中逐渐死亡,故仅对前5个处理的蚕豆进行取样测定.
将亚硒酸钠(Na2SeO3)配置成一定浓度溶液后均匀喷施在土中,充分混合均匀后装盆.播种时每个花盆中等距播10粒蚕豆,播深2cm.出苗后进行定苗,每盆3株.根据植株长势和土壤状况及时浇水.
1.3测定方法
蚕豆成熟后,对籽粒进行采收.籽粒用不锈钢粉碎机粉碎后过40目筛后待测.常规成分按照下列方法分别测定:粗蛋白采用凯氏定氮法[11];粗纤维采用ANKOM纤维分析仪测定[11];粗灰分采用干灰化法[11];高氯酸水解后用蒽酮比色法测定淀粉含量[12].植酸含量测定采用FeCl3比色法[13],单宁含量测定采用Folin-Denis法[14].1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除率测定采用Brand-William的方法[15],清除力用清除50% DPPH自由基时的样品浓度(IC50)表示.硒含量测定采用氢化物发生---原子吸收分光光度法[16].
1.4数据处理
试验数据采用Excel 2010及SPSS 17.0软件进行方差分析与作图,采用Duncan?s新复极差法进行方差显着性检验(P=0.05).
2结果与分析
2.1硒对蚕豆产量及籽粒硒含量的影响
通过土壤施硒可以显着影响2种蚕豆的籽粒产量及籽粒硒含量(表1).随着施硒量的增加,崇礼蚕豆籽粒产量呈先增加后降低的趋势,其中Se2和Se4显着高于(提高12.5%)和低于(降低37.5%)对照(CK)产量.对于凤豆6号,其籽粒产量呈现随施硒量的增加而降低的趋势,其中CK处理显着高于Se4处理,而和其他施用硒处理无显着性差异.
土壤施硒可以显着提高蚕豆籽粒硒含量(表1).施硒使崇礼蚕豆和凤豆6号籽粒硒含量分别达到4.23~7.38mg/kg和4.66~6.71mg/kg,分别较对照提高21.3~35.8和4.97~7.60倍.通过拟合方程描述蚕豆籽粒硒含量(y)与土壤硒含量(x)之间关系,大致呈现对数增长趋势.崇礼蚕豆为y=1.271ln(x)+3.306 4(R2=0.964 4);凤豆6号为y=1.066ln(x)+3.509 3(R2=0.995 2).由此可知,尽管施硒能显着提高蚕豆籽粒硒含量,但籽粒硒含量与土壤施硒量之间并非线性增加关系,施少量硒(3.1mg/kg)便可以极大地提高籽粒硒含量.随施硒量的进一步增加,籽粒硒含量增加幅度降低.
在不施加硒时(CK),崇礼蚕豆和凤豆6号籽粒硒含量分别为0.19和0.78mg/kg,后者是前者的4.1倍.这说明在土壤硒浓度低时,蚕豆品种间对硒的富集能力不同,存在基因型的差异.
综合考虑籽粒产量与硒含量,2种蚕豆每盆富集到籽粒中的硒总量变化趋势一致,均呈现先增加后降低的趋势,且2种蚕豆每盆硒总量均在Se3时达到最大(崇礼蚕豆和凤豆6号分别为117.30和56.06μg/盆).同一处理,崇礼蚕豆每盆富集硒总量要远高于凤豆6号,其主要原因是崇礼蚕豆每盆产量较高(表1).由此可见,富硒农产品开发不仅要重视产品中硒含量的提升,也要兼顾经济器官的产量.
2.2硒对蚕豆籽粒常规营养成分的影响
土壤硒处理不仅可以影响蚕豆产量和籽粒硒含量,对蚕豆籽粒营养成分也有一定影响.由表2看出,硒处理可以降低籽粒粗蛋白质含量,高浓度硒处理时(崇礼蚕豆为>24.8 mg/kg,凤豆6号为>12.4mg/kg)显着 减 低 了 蚕 豆 籽 粒 粗 蛋 白 含 量.虽然凤豆6号在Se1处理粗蛋白含量高于CK,但并无显着差异.
2种蚕豆籽粒中粗纤维含量的变化规律也不尽相同.对崇礼蚕豆而言,粗纤维含量以Se2最低(4.84%),以Se4最高(5.41%);而凤豆6号籽 粒粗纤维 含量随施硒量的增 加 而 增加,Se4时显着高于对照,其含量提高了17.8%.
Se4浓度下凤豆6号的粗灰分含量最高(7.35%),显着高于对照;而各个硒浓度处理下崇礼蚕豆籽粒粗灰分含量之间并无显着差异.总碳水化合物含量虽然随着土壤施硒量的增加呈下降趋势,但每个蚕豆品种内,硒处理间籽粒中碳水化合物含量均无显着差异.
2.3硒对蚕豆籽粒抗营养成分的影响
土壤施硒也可以不同程度影响一些抗营养物质的含量.由表3可见,2种蚕豆籽粒中植酸含量受土壤硒含量的影响较小,崇礼蚕豆籽粒植酸含量变化范围为17.37~17.75mg/g,凤豆6号籽粒植酸含量的变化范围为19.13~19.56mg/g,各处理间差异不显着.施硒可以显着提高蚕豆籽粒中单宁含量.崇礼蚕豆的单宁含量在Se3处理时比对照显着提高了7.63%.凤豆6号单宁含量在Se2和Se4处 理 时 分 别 比 对 照 显 着 提 高 了24.8%和23.6%.
2.4硒对蚕豆籽粒提取物
DPPH自由基清除率的影响本试验采用清除DPPH自由基抗氧化体系对蚕豆籽粒中抗氧化活性进行评价,半抑制质量浓度(IC50)越低则表明DPPH自由基清除力越强.硒处理蚕豆籽粒的抗氧化性均高于对照(图1).计算不同试样各自的IC50,CK、Se1、Se2、Se3和Se4处理的崇礼蚕豆籽粒提取物的IC50分别为28.1、25.9、20.0、18.3和23.1mg/mL;抗氧化力随浓度呈现先增加后稍微降低的趋势,其中Se2和Se3处理的抗氧化力显着高于对照.
CK、Se1、Se2、Se3和Se4处理的凤 豆6号 籽 粒 提 取 物 的IC50分 别 为33.7、21.9、23.8、27.5和22.9mg/mL,其中Se1、Se2及Se4处理的抗氧化力显着高于对照.可以看出,土壤添加硒可以提高蚕豆籽粒提取物对DPPH自由基的清除能力,提高籽粒抗氧化活性,这可能是籽粒中抗氧化物质含量增加的结果.
2.5测定指标的相关性分析
由表4可见,崇礼蚕豆籽粒中硒含量与粗蛋白质含量、单宁含量之间存在显着的相关性.凤豆6号籽粒硒含量与粗纤维含量之间也存在显着的相关性.崇礼蚕豆与凤豆6号籽粒硒含量与籽粒提取物DPPH自由基清除力(用IC50表示)之间存在极显着相关性.2种蚕豆籽粒硒含量与粗灰分、总碳水化合物及植酸含量之间并无显着相关性.2种蚕豆籽粒中单宁含量与DPPH自由基清除力之间存在显着的相关性,而与粗蛋白、粗纤维、粗灰分、粗碳水化合物、植酸之间相关性较差.
3讨论
3.1硒对蚕豆籽粒产量与硒含量的影响
硒经植物的吸收和转化进入食物链,从而被人体吸收与利用.研究表明,适宜浓度硒处理不仅可以提高食物链的硒水平和营养价值,改善作物的品质,也可以提高作物的产量[7].高浓度的硒对植物具有毒害作用,通过影响植物的生理和正常代谢降低植物的生物产量与经济产量[17].郝玉波等[17]证实低含量(<10mg/kg)的硒能促进玉米的生长、提高生物产量和籽粒产量;高浓度硒抑制玉米的正常生长和干物质累积量,籽粒产量和品质下降.本研究中崇礼蚕豆籽粒产量在适宜浓度(<6.2mg/kg)有所增加,但随土壤硒浓度的继续增加而急剧下降,这与前人[18]在其他作物上的相关研究规律相符.
凤豆6号与崇礼蚕豆稍有不同,籽粒产量随硒浓度的增加而不断下降,并未出现产量增加的现象,这可能与品种对硒的敏感度有关.对水稻[19-20]玉米[17]和谷子[21]等作物的研究表明,不同品种对硒的吸收和响应规律不同,存在基因型的差异.在不添加硒时,崇礼蚕豆富集硒的能力要弱于凤豆6号(崇礼蚕豆为0.19mg/kg,凤豆6号为0.78mg/kg),但随着硒浓度增加,崇礼蚕豆的硒含量增加倍数要远大于凤豆6号.可见不同蚕豆品种对硒的累积能力也存在基因型的差异.
Pappa等[22]报道来自希腊的食用豆硒含量为0.024~0.444mg/kg,平均为0.165mg/kg.本试验对照蚕豆籽粒中硒含量与该范围基本一致.本研究表明添加少量的硒(3.1mg/kg)即可极大地提高蚕豆籽粒硒含量(崇礼蚕豆提高21.3倍;凤豆6号提高4.97倍),且随浓度继续增加,籽粒中硒含量增加幅度降低,这一研究结果与田秀英等[23]对苦荞的研究结果相一致.玉米富集硒的盆栽试验显示玉米籽粒中硒含量与土壤施 硒量之 间 呈 直 线 增 长 关系[17],而本研究则认为对数增长关系拟合度更佳,这可能与作物种类、处理浓度的设置等因素有关.
此外,杜振宇等[24]研究发现尽管茄子硒含量随施硒量增加而显着增加,但无机硒转化为有机硒的比率下降.经计算,食用施硒量为3.1mg/kg处理所生产的崇礼蚕豆13.0g或凤豆6号11.8g即可达到推荐的每日硒摄入量55μg/d,而达到400μg/d的上限摄入量[25]则需要3.1mg/kg生产的崇礼蚕豆94.5g或凤豆6号85.8g,不宜过量食用.硒是一把双刃剑,缺硒和高硒都会对人体产生危害,并且硒的有益到有害范围非常窄,故富硒蚕豆的安全评价与合理摄取的相关研究还需进一步完善.
3.2硒对蚕豆籽粒营养成分与抗营养因子含量的影响
合理施用微量元素可以促进作物生长,提高作物对养分的吸收能力,有效改善作物营养物质[26].本试验中,蚕豆籽粒粗蛋白含量随施硒浓度增加而降低,凤豆6号在低浓度时粗蛋白含量有所增加,但差异并不显着.适宜浓度时(6.2mg/kg)崇礼蚕豆粗纤维含量最低,而高浓度(24.8mg/kg)时粗纤维含量显着增加;凤豆6号粗纤维含量随硒浓度增加而不断增加.
2种蚕豆品种籽粒中灰分变化趋势也不尽相同.李明等[18]报道称,施硒量增加可降低莜麦籽粒中粗蛋白的含量,但提高粗纤维的含量,本研究与之类似.但也有研究与上述结果相反.Lee等[27]研究发现小麦籽粒中硒含量与蛋白质含量存在正相关性.田秀英等[23]报道称苦荞的粗蛋白含量随硒浓度增加而升高.李登超等[28]报道称低浓度硒肥能增加小白菜纤维素的含量,高浓度则降低了粗纤维的浓度.以上研究结果之所以不同,可能与施硒浓度范围、施硒的方式与时期及作物种类等因素有关,还有待进一步研究.故农作物富硒研究要综合考虑各因素,从而得到满意的富硒效果.
蚕豆是淀粉、蛋白质、纤维素和矿物质的优良来源,但其中也含有单宁、植酸等抗营养因子,过多摄入不利于人体对蛋白质、矿物质等营养物质的吸收.目前的文献报道多侧重于施硒对植物功能性成分影响的研究,如芦丁、黄酮[23]、Vc、大蒜素[29]等,对抗营养物质含量变化的报道不多.本研究表明,土壤施硒对蚕豆籽粒中植酸含量影响不大,但可以提高单宁含量.最近研究表明,单宁具有抑制白血病、降血压、清除体内自由基以及抑制蛇毒等多种功能[30],从该角度来看,抗营养因子的增加未必见得无益.
3.3硒对蚕豆籽粒DPPH自由基清除力的影响
DPPH是一种有机自由基,因其具有稳定性好、操作简便等优点被广泛应用于评价物质的抗氧化活性[31],可以用来测定任何植物材料提取物的抗氧化力[15].施硒后,2种蚕豆籽粒提取液的DPPH清除力均提高,且与籽粒硒含量、单宁含量之间有显着的相关性,故推测有以下2个原因.
1)含硒化合物具有较强的抗氧化能力,而这些含硒物质随籽粒中硒含量增加而增加.硒在植物体内的存在形式主要是有机硒,占80%以上[32].由于硒与硫之间化学性质相似,硒也可以非特异结合形成与硫相关的化合物[2,8],这些化合物通常被认为具有抗氧化能力,这些物质的形态及功能还有待确定.
2)施硒改变了植物正常的生理代谢过程,为响应硒的刺激,植物可以产生多种抗氧化物质,如黄酮类[23]、单宁、叶绿素[33]、Vc、酚类[34]等.这些抗氧化物质含量与品种、生长环境及种子成熟度等因素有关[33].结合本试验结果可知,蚕豆籽粒提取物DPPH自由基清除力与单宁含量存在显着相关性,这说明籽粒中单宁含量的提高是增强DPPH自由基清除力的原因之一.蚕豆籽粒中还可能存在其他的抗氧化物质(尤其是含硒化合物),这些物质的形态及含量与抗氧化能力的内在联系还需要进一步研究.
4结论
土壤施硒能够显着提高蚕豆籽粒硒含量,但随土壤硒浓度增加,籽粒硒含量增加幅度降低,且品种间对硒的富集规律也存在一定差异.硒处理可以改变蚕豆籽粒中一些常规营养成分和抗营养物质的含量,并能够通过影响单宁等抗营养物质含量提高籽粒的抗氧 化能力.综合考虑低浓度 硒 处 理 (3.1mg/kg)适于富硒蚕豆的开发.富硒蚕豆的开发应因地制宜,筛选适合的蚕豆品种及处理方法,建立起标准化、规范化的技术体系.
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