相同生长环境下3种蔬菜对钾、钙、镁、铅元素的富集特性研究

    孟君 郭全海 陈晨 张峻松

    摘要：选取相同生长环境下的荆芥、藿香和小茴香3种蔬菜，以微波消解法对样品进行前处理，在优化的测定条件下采用原子吸收光谱法测定样品中钾（K），钙（Ca），镁（Mg），铅（Pb）4种元素含量.结果表明：荆芥、藿香和小茴香的茎和叶中均含有较丰富的K，Ca，Mg.同时，3种蔬菜全株中均检测到一定含量的重金属元素Pb.4种元素在蔬菜中不同部位的富集特性具有明显差异.其中，K较易富集在荆芥茎、藿香茎和小茴香叶中，Ca和Mg较易富集在3种蔬菜叶中.在日常生活中，人们可以根据不同蔬菜所含微量元素、矿物质的不同，针对自身的需求选择蔬菜，保持微量元素在体内的平衡，促进身体健康.

    关键词：蔬菜;矿质元素;富集;微波消解;原子吸收

    中图分类号：TS201.6文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.003

    文章编号：2096-1553（2019）01-0021-06

    0 引言

    随着人们对食品营养安全的日益重视，了解蔬菜矿物质元素含量及其种植土壤中是否存在重金属污染显得十分重要.

    荆芥（Nepeta cataria L.），原名假苏，土名姜芥，属唇形科植物，其干燥茎叶和花穗可入药，具有发汗、解热等功效，是中华常用草药之一.此外，荆芥因含有特殊的芳香气味，也可作为烹饪原料，是夏季绿叶蔬菜绝佳的调味品，不仅味道鲜美，还具有防暑、开胃健脾、抗菌抗炎等作用[1-2].

    藿香（Agastache rugosa），别名排草香、大叶薄荷、山薄荷等，属唇形科藿香属芳香草本植物，是我国传统的药食同源植物，在全国各地广泛分布.藿香具有芳香化湿、祛暑解表、和中止呕等功效，可全草入药，食用价值也较高.由于藿香气味清爽甘甜，用其制作的菜肴风味独特，成为近几年在烹饪行业用得较多的中草药调味品之一[3-6].

    小茴香（Foeniculum vulgare），别名茴香、甜茴香等，属伞形科茴香属，多年生草本植物，现在我国各地区均有栽培.小茴香具有特殊的香味，其种子和挥发油是重要的调味香料，可直接用于烹调和制作调味品.小茴香的嫩茎叶也是一种芳香性蔬菜，可直接食用，在我国主要用于馅食[7].小茴香是我国卫生部于2002年公布的《关于进一步规范保健食品原料管理的通知》中规定的药食同源植物.作为中药，小茴香具有明目健脑、消咳止喘、缓解胃病和肾病等重要的药理作用[8].

    以上3种调味品蔬菜都是药食同源的常见植物，其中药作用的发挥主要依赖于多种活性成分的协同作用，而矿物质元素作为中药归经和药性物质基础的组成部分，也是该调味品蔬菜发挥药效的重要物质基础之一[9].

    矿物质元素与人体健康关系密切，摄入过量或不足都会使机体产生不同程度的生理异常甚至引发疾病[10].

    在人体内，钾元素（K）能够维持细胞的内外渗透平衡和神经细胞膜的生物兴奋性，具有信息传递的作用[11];钙元素（Ca）除作为骨质的主要成分外，还能够降低毛细血管壁的通透性，有抗炎消肿、抗组织胺作用;镁元素（Mg）是体内重要的电解质，在细胞外液中的含量仅次于K，广泛参与蛋白质合成和能量代谢，是许多酶的活化因子， 还是神经细胞中含量最多的矿物质元素，能保证神经机能正常运行[12];而重金属中污染环境最普遍的元素之一铅（Pb）[13]，在人体内不能被降解，容易蓄积，从而使蛋白质变性，酶失去活性，对组织细胞造成结构和功能上的损害.

    鉴于此，本文选取相同生长环境条件下的荆芥、藿香和小茴香3种药食同源的调味品蔬菜，以微波处理样品，采用火焰原子吸收光谱法对其茎、叶中的K，Ca，Mg 3种矿物质元素含量和重金属元素Pb含量进行比较分析，以期考察药食同源蔬菜中矿物质和重金属元素的富集特性，并为安全营养药食同源蔬菜的筛选和日常生活中合理的膳食选择提供理论指导.

    1 实验材料与方法

    1.1 实验材料与试剂

    实验材料：荆芥、藿香、小茴香，均采自驻马店市自耕土地.

    主要试剂：浓HNO3（GR），烟台市双双化工有限公司产;K，Ca，Mg，Pb元素标准储备溶液（1000 μg/mL），北京中治标准样品有限公司产;La（NO3）3，CsCl，上海阿拉丁生化科技股份有限公司产.

    1.2 实验仪器与设备

    DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器公司产;CP214型电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司產;Speed Wave MWS-3型微波消解仪，德国Berghof公司产;AA240FS型和AA240Z型原子吸收光谱仪，

    Pb空心阴极灯，

    美国瓦里安公司产;K，Ca，Mg空心阴极灯，威格拉斯仪器（北京）有限公司产.实验所用玻璃仪器均用体积分数为10%的HNO3溶液浸泡24 h，并用去离子水清洗干净后烘干备用.

    1.3 实验方法

    1.3.1 样品前处理

    将采集于相同生长环境条件下的新鲜荆芥、藿香、小茴香，分别用不锈钢剪刀分成茎、叶两部分，依次用自来水、蒸馏水和去离子水冲洗干净，自然晾晒后置于80 ℃烘箱中烘干，再用研钵粉碎，过100目筛子，最后将过筛样品装入塑料保鲜袋中备用.

    蔬菜中的矿物质元素与有害重金属元素主要以有机物的状态存在，为准确测定其含量，需将有机态金属离子消解为无机态金属离子.样品的消解方法通常有干法消解、湿法消解和微波消解[14-15].微波消解法是近年来兴起的样品前处理方法，因其是在封闭环境下完成消解的，故能同时克服干法消解易造成元素损失和湿法消解易带入污染物的缺点.此外，样品在高温、高压同时作用下，消解速度大幅度提高，被广泛应用于生物[16]、食品[15]等领域.因此本实验选取微波消解法对样品进行前处理.

    1.3.2 微波消解程序的选择

    称取荆芥叶 0.203 6 g，荆芥茎0.200 2 g，藿香叶0.204 5 g，藿香茎0.200 5 g，小茴香叶0.200 2 g，小茴香茎0.200 8 g，分别置于消解罐中，加入6 mL浓HNO3，过夜.次日将经过夜反应的消解罐置于微波消解仪中，在优化后的消解条件（见表1）下进行样品消解处理.将得到的澄清透明消解液转移至25 mL容量瓶中，用去离子水定容至刻度，同时做空白试剂，置于4 ℃冰箱中保存，待测.

    1.3.3 蔬菜样品中的4种元素含量测定的最佳工作条件

    采用火焰原子吸收光谱法测定蔬菜样品中的K，Ca，Mg和Pb含量，4种元素测定的最佳工作条件见表2.

    1.3.4 4种元素标准系列溶液的配制

    质量浓度为100 μg/mL的 K，Ca，Mg，Pb标准储备液的配制：准确移取5.0 mL各元素标准溶液（1000 μg/mL）置于50 mL容量瓶中，用体积分数为1%的HNO3定容至刻度线，摇匀，待用.

    分别取上述4种元素的标准储备液（100 μg/mL）配制各元素的标准系列溶液.其中，Ca和Mg的标准系列溶液中要加入释放剂La（NO3）3溶液，并使其最终质量浓度为6.65 g/L;K的标准系列溶液中要加入抑制K电离的抑制电离剂CsCl，并使其最终质量浓度为3 g/L.4种元素标准系列溶液的具体配制见表3.

    1.4 加标回收试验和精密度考察

    选择将测定过程中干扰因素多、灵敏度低的Ca作为加标元素进行实验，研究所测样品的加标回收情况，以进一步验证测定结果的准确性.取1.3.2制备的6种消解液各5 mL，分别加入一定质量浓度的Ca标准溶液，按照表2所示的仪器工作条件，测定加标后各样品中Ca的含量，加标公式[17]如下：

    R=C2V2-C1V1/C0V0

    式中，R为回收率/%，C2为加标后测得质量浓度/（mg·L-1），V2为加标后样品体积/mL，C1为加标前（第1次）测得质量浓度/（mg·L-1），V1为加标前样品体积/mL，C0为加入Ca标准溶液后的质量浓度/（mg·L-1），V0为加入Ca标准溶液后的体积/mL.

    2 结果与分析

    2.1 样品中4种元素含量的分析

    2.1.1 4种元素的线性回归方程与线性相关系数

    在最佳的测定条件下，采用火焰原子吸收法对4种元素的标准系列溶液进行测定，得到各元素的线性回归方程和线性相关系数，如表4所示.由表4可知，在4种元素的标准系列溶液浓度范围内，所得线性回归方程的相关系数在0.990 4～0.999 5之间，表明此方法稳定性较好.

    2.1.2 样品中各元素含量的测定结果与分析

    3种蔬菜全株样品、茎和叶中4种元素的含量如图1和图2所示.

    1）由图1可知，K，Ca，Mg在3种蔬菜中的含量均较为丰富，同时在样品中也检测出一定量的重金属元素Pb.4种元素在测定的3种蔬菜样品中的含量高低分别为：荆芥中K>Mg>Ca>Pb，藿香中K>Ca>Mg>Pb，小茴香中 K>Ca>Mg>Pb.

    2）由图2可知，3种蔬菜的茎、叶对同种元素的富集特性不同，荊芥和藿香茎中K含量远高于其在叶中的含量，约是叶中含量的3倍;而小茴香叶中K元素含量约是其在茎中含量的2倍，这可能是由于土壤中K在不同植物中的迁移速度不同所致.Ca在3种蔬菜叶中的含量均高于其在茎中的含量，荆芥叶中Ca含量是在茎中含量的7倍;藿香叶中的Ca含量是其在茎中含量的1.6倍;小茴香叶中Ca含量是其在茎中含量的2.8倍.

    Mg在3种蔬菜叶中的含量均高于其在茎中的含量，

    说明Mg元素主要富集在光合作用强的叶部位，由此看出，蔬菜中的Mg不仅来自土壤中Mg元素的迁移，还与植物的光合作用有关.叶中含有大量的叶绿素，而Mg是叶绿素的主要成分.Pb主要富集在荆芥和藿香的茎中，含量分别为0.15 mg·g-1和 0.094 mg·g-1.在小茴香茎中检测到Pb，而小茴香叶中Pb的含量高达0.482 mg·g-1.参考GB 2762—2005的有关规定[18]，球茎和叶类蔬菜中的有害重金属元素指标：Pb含量≤0.3 mg·kg-1.由此看出，在所测的3种蔬菜中，小茴香叶中Pb含量超出了国家规定的卫生标准，表明蔬菜的生长已受到土壤和空气等环境介质的污染.从所测得的3种蔬菜中Pb的含量来看，相同生长环境条件下，小茴香具有较强的富集Pb的能力，其中叶子是Pb元素的主要富集部位.这可能是小茴香生长过程中，土壤中Pb较易迁移到小茴香叶中，也可能是小茴香叶较容易从污染的空气中吸收并富集Pb的缘故.

    元素进入植物的主要途径有两种：一是被植物根部吸收;二是被植物的叶面吸收.蔬菜是最易吸收重金属元素的农作物，蔬菜中的重金属含量超标主要是空气、土壤污染所致[19].

    2.2 加标回收实验和精密度实验结果

    样品中Ca元素的加标回收率和测定的精密度如表5所示.由表5可知，各样品的Ca回收率在86%～119%之间，精密度在 0.1%～1.0%之间，表明本实验方法精密度较好，准确性较高.

    2.3 样品测定的干扰因素与消除方法

    因K在空气-乙炔火焰中易电离，测定时在K标准溶液与样品溶液中均需加入比K更易电离的Cs+溶液，以有效抑制K的电离.本实验结果表明，在标准溶液和样品中加入3 g/LCsCl溶液可大大提高测定的灵敏度.

    Ca，Mg在空气-乙炔火焰中测定有干扰产生，这种干扰需在溶液中加入释放剂来消除.该实验在系列标准溶液和样品中均加入6.65 g/L硝酸镧溶液作为释放剂，以满足测定的要求.

    未见Pb在空气-乙炔火焰中有关阳离子干扰的报道，在波长217.0 nm下，非特征吸收较强.本实验采用扣除背景方法以消除相应的干扰.

    3 结论

    本文采用火焰原子吸收光谱法对相同生长环境条件下3种蔬菜荆芥、藿香、小茴香中4种金属元素K，Ca，Mg，Pb的含量进行测定，比较4种元素分别在3种蔬菜全株、茎和叶中的富集特性.结果表明，K，Ca，Mg含量在3种蔬菜全株中的含量均较为丰富，但同时也检测到一定含量的重金属元素Pb.各种重金属元素在蔬菜不同生长部位的富集量有一定的差异，反映出这些元素在不同植物体内的代谢和迁移能力不同.其中，K较易富集在荆芥茎、藿香茎和小茴香叶中，Ca和Mg较易富集在3种蔬菜叶中.

    3种蔬菜中都含有一定量的重金属元素Pb，其中小茴香叶中的Pb含量已超过了国家规定的卫生标准，应引起注意.

    本文研究结果显示，生长环境条件相同的不同植物，其微量元素种类和含量均有较大差别，这为研究蔬菜中微量元素与生长环境之间的关系，进而促进其合理食用和药用，指导人们健康饮食提供了理论参考.在日常生活中，人们可以根据不同蔬菜所含微量元素、矿物质的不同，针对自身的需求进行选择，保持微量元素在体内的平衡，促进身体健康.

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