漂燙和干制復水處理對海帶(Laminaria ochroleuca)中四種元素生物利用度的影響

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(1.中國農業大大學煙臺研究院,山東煙臺 264670; 2.山東海洋資源與環境研究院,山東煙臺 264000)

近年來,隨著科學技術的迅猛發展,促進經濟增長的同時,也帶來了嚴重的環境問題。礦石開采冶煉、工業“三廢”以及農藥化肥的使用,引發了環境污染,其中重金屬污染尤為嚴重。已有研究表明,人類活動排放的重金屬已成為海洋環境中重金屬的主要來源[1]。利用海洋生物對金屬的蓄積情況評價海洋環境中金屬的污染是可行的,特別是藻類,由于其特殊的結構性質,在海洋環境中,對金屬的富集性較高,是各種元素天然、高效的富集器。元素中鋅(Zn),硒(Se)被認為是必需元素,而鉛(Pb)和鎘(Cd)屬于有害金屬[2-3]。

目前,藻類中各種重金屬的檢測主要集中在總濃度的變化,然而,污染物的總量并不能直接反映出存在的健康風險,很可能高估了風險。因為食物成分在消化過程中被釋放,僅僅有部分被機體吸收。生物利用度(Bioaccessibility)是指污染物進入機體后,能夠被消化吸收的量[4-5]。針對生物利用度的測定,目前已有幾種方法應用于不同的食品評價中[6-9]。考慮到體內實驗的成本以及動物福利問題,具有成本低、快速以及可重復等優點的體外消化(invitro)模型應用越來越廣泛[10-11]。金屬的生物利用度不僅與其吸附形式有關,也與食品的物理化學性質以及加工方式有很大關系[12]。目前已經有一些報道關于加工方式對水產品中金屬濃度以及生物利用度的影響,研究表明,不同的加工方式對不同金屬元素的吸收利用影響很大[13-15]。很多學者對不同地區的海帶中重金屬的含量進行了調查報告[16-17]。然而,絕大多數的結果都是針對鮮海帶或干海帶,加工過程對海帶中重金屬含量的影響報道較少。基于海帶對金屬元素的強富集性,有必要研究常用烹飪方式對海帶中元素吸收利用的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮海帶(Laminariaochroleuca) 采自山東威海榮成海域;胃蛋白酶(1∶3000,純度>99%)、胰酶(純度>99%)、牛膽粉(純度>99%)、豬黏蛋白(分析純) 購自Sigma公司;4種元素標準液購自國家標準化物質中心;尿素、尿酸、葡萄糖醛酸、牛血清蛋白、葡萄糖胺鹽酸鹽、濃硝酸 分析純,購自上海生物工程有限公司;氯化鉀、氯化鈉、碳酸氫鈉、磷酸二氫鈉、硫酸鈉、磷酸二氫鉀、二水氯化鈣、氯化銨、鹽酸 均為分析純,購自煙臺三和化工有限公司;唾液、胃消化液、膽汁及腸液 配方參考Oomen[19]。

Agilent 7500a電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS) 美國Agilent公司;MARS微波消解儀 美國CEM公司;GZX-9023MBE鼓風干燥箱 上海博訊生物儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 海帶的預處理 海帶采用漂燙和干燥復水兩種加工方式進行處理。海帶漂燙:大約100 g鮮海帶置于2000 mL煮沸雙蒸水中5 min;海帶干燥復水:鮮海帶置于鼓風干燥箱60 ℃烘干4 h至恒重;將烘干后的干海帶置于蒸籠中,保持蒸鍋中的水一直處于沸騰狀態,蒸40 min,直至干海帶綿軟可食用。鮮海帶原料及經過兩種熱處理的樣品,分別于12000 r/min均質1 min,每份均質液樣品分為兩組,一組進行體外模擬消化實驗后,再采用ICP-MS測定其金屬濃度;另一組直接采用ICP-MS測定其元素濃度。

1.2.2 ICP-MS測定元素濃度 將1.2.1得到的原料及兩種熱處理均質液樣品,置于60 ℃干燥箱烘干4 h至恒重,分別準確稱取0.2 g放入消解管中,加入5 mL濃硝酸,浸泡12 h,將消解管置于消解儀上,逐步升溫到190 ℃并保持,直到消化液完全澄清且無白煙冒出。冷卻后,用超純水定容至25 mL,然后用ICP-MS測定樣品中元素濃度,每個樣品重復三次[18]。

1.2.3 生物利用度的測定 體外模擬消化實驗模型參考Oomen等[19]。稱取1 g均質液樣品(三個重復)加入9 mL唾液,混合物在37 ℃、55 r/min振蕩5 min,接著加入14 mL胃消化液,相同條件振蕩2 h后,27 mL腸液和9 mL膽汁同時加入,混合液相同條件繼續振蕩反應2 h。混合液8000 r/min離心10 min,上清液過0.45 μm濾膜,-20 ℃保存,濾液直接進行ICP-MS測定。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對實驗結果進行多重比較分析,結果采用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 原料及加工后樣品中元素濃度

原料及加工后海帶中各元素濃度見表1。原料中Zn的濃度為3.42 mg/kg,兩種加工處理均顯著提高其濃度,其中干燥-復水組Zn的濃度顯著高于漂燙處理(p<0.05)。海帶中的Cd經過兩種熱處理后,其濃度也均顯著高于原料(p<0.05);而Pb正好相反,兩種加工處理后其濃度均降低。海帶經過漂燙處理后,Se的濃度顯著降低(p<0.05)。

一般認為食品原料加工過程中,有一部分元素進入水中,從而降低了其濃度,然而結果并不是完全如此。

2.2 原料及加工后樣品中元素生物利用度

原料及熱處理后海帶樣品中4種元素的生物利用度見圖1。加工前后Pb、Cd、Se、Zn的生物利用度分別為39.28%～105.88%、34.88%～55.32%、86.24%～97.67%和59.35%～98.76%,其中原料海帶中Pb的生物利用度超過100%。以往的研究報道中,也有學者得出海產品中重金屬的生物利用度超過100%,這可能是與樣品的不均一性有關[11,21]。Cd的生物利用度在所有的樣品中都較低,這意味著僅以總量來判斷海帶中Cd的危害性,會高估風險。而加工前后樣品中Se的生物利用度均較高,說明熱處理對海帶中Se的吸收利用影響很小。

圖1 兩種熱處理對海帶中Pb,Cd,Se,Zn生物利用度的影響Fig.1 Effects of two heat treatments on bioaccessibility of Pb,Cd,Se,Zn in seaweed

不同學者研究報道顯示,水產品中元素的生物利用度很難進行比較,原料品種的差異甚至同一品種不同規格大小對同一種元素生物利用度均有影響。He等[22]研究了不同大小規格的同一種魚類中Cd、Cu和Se的生物利用度,分別為73.7%～93.2%、81.4%～85.4%和48%～61%。Laird等[11]調查了魚類、貝類以及海藻中Cd、Se和Cu的生物利用度,分別為18%～107%、50%～98%和59%～117%。

兩種加工方式均降低了海帶中Pb和Cd的生物利用度,而Se和Zn的濃度經過加工后反而升高。這個結果表明熱處理確實能影響海帶中元素的吸收利用,而且針對不同的元素,這種變化趨勢是不同的。一般認為,海帶的質地結構經過熱處理后要比原料更加柔軟、易消化,因此各元素很容易被釋放到消化液中,進而生物利用度升高。然而經過熱處理后,Pb和Cd的生物利用度降低,原因可能是水分以及一些可溶性成分的損失,導致重量減輕,從而影響生物利用度[23];此外,不同金屬在海帶中的累積形式以及吸附機制不同,Pb和Cd可能主要與一些不容易降解、難消化的復合物結合,經過熱處理后,這些復合物的難溶性加劇,導致其生物利用度下降。

兩種加工方式相比,干制復水處理后四種元素的生物利用度基本高于漂燙處理,這可能是因為干制復水操作相比漂燙處理,加工過程更加復雜,對原料結構的破壞更大,因此其元素生物利用度更高。元素的生物利用度不僅與元素的吸附形式有關,而且與食品的物理化學形態,加工方式有關。Almela等[24]發現紫菜經過烘烤后,提高了As的生物利用度,而羊棲菜中的As經過浸泡后,含量降低了60%[21]。

2.3 元素濃度與生物利用度的相關性

由表2可以看出,除了Cd和Zn的生物利用度沒有相關性以外,其他幾種元素濃度、生物利用度以及濃度和生物利用度之間都存在顯著相關性。Pb的濃度和生物利用度之間,Pb和Zn以及Se和Zn的生物利用度之間呈極顯著負相關(p<0.01)。這些結果表明海帶中四種元素的吸收不僅與元素自身有關,而且與其他元素的濃度以及生物利用度有關。

目前關于海產品中元素的濃度以及生物利用度的相關性分析有一些研究報道。He等[25]發現貝類中Se的生物利用度和濃度之間沒有相關性。Gao等[26]研究表明牡蠣中Cd的濃度與生物利用度之間呈現顯著負相關,與本文結果相反。而Laird等[11]對魚類和貝類中Se的研究發現,其濃度和生物利用度呈現顯著的正相關關系,這與本文的研究結果一致。

3 結論

本文對海帶中Pb、Cd、Se、Zn四種元素利用情況,通過體外模擬消化模型進行研究。結果表明,經過兩種熱處理后,海帶中Pb的濃度及生物利用度均降低,而Zn的濃度及生物利用度均有提高;兩種加工方式相比,干制復水處理后樣品中四種元素的生物利用度更高。此外,一種元素的吸收利用與原料中其他元素的濃度有顯著相關性。