不同種植方式大米中碳氮同位素比率與礦質(zhì)元素特征及加工影響

劉亦鳴,李春霖,張衛(wèi)星,聶晶,張永志,許鳳,袁玉偉*

1(寧波大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江 寧波,315211) 2(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營(yíng)養(yǎng)研究所,浙江 杭州,310021) 3(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州,310021)4(中國(guó)水稻研究所,浙江 杭州,310006)

全球水稻產(chǎn)區(qū)主要分布在亞洲,播種面積約占全球的90%,產(chǎn)量約占全球的91%,最主要分布在中國(guó)。稻米中富含礦質(zhì)元素,它在人體中有著重要的作用。通常糙米中人體所需礦質(zhì)元素更為豐富, 糙米再度深加工碾去米糠, 造成部分礦質(zhì)元素?fù)p失[1-2], 得到市場(chǎng)常見(jiàn)的精米[3]。目前常見(jiàn)的種植方式為有機(jī)栽培、綠色栽培和常規(guī)栽培。有機(jī)栽培是基于無(wú)農(nóng)藥、無(wú)化肥、無(wú)抗生素的一種天然種植方式。綠色栽培是用綠色植物肥料和堆肥、合成肥料,不使用任何化學(xué)添加劑的栽培方式。常規(guī)栽培為允許使用化學(xué)肥料、化學(xué)合成農(nóng)藥的栽培方式。根據(jù)WS/T 578.2—2018《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量 第2部分：常量元素》和WS/T 578.3—2017《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量 第3部分：微量元素》對(duì)11種礦質(zhì)元素進(jìn)行分析,糙米制備成精米會(huì)使其礦質(zhì)元素發(fā)生不同程度的流失,目前不同栽培方式對(duì)大米中穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素影響研究較少。不同種植方式對(duì)稻米穩(wěn)定同位素特征指示和礦質(zhì)元素有一定影響,研究不同種植方式和加工程度對(duì)大米穩(wěn)定同位素與礦質(zhì)元素影響,對(duì)產(chǎn)品認(rèn)證識(shí)別檢測(cè)和不同栽培方式下大米營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)非常重要。

穩(wěn)定同位素可隨生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生變化[4],這可以反映植物生長(zhǎng)過(guò)程中環(huán)境因素的差異[5-7]。植物體內(nèi)δ13C、δ15N受到整體生長(zhǎng)環(huán)境的影響[8-10],特別是δ15N易受到肥料及土壤環(huán)境等影響,使植物體內(nèi)碳氮穩(wěn)定同位素發(fā)生不同狀態(tài)的分餾[11-12],施用不同肥料對(duì)3種栽培條件下大米碳氮穩(wěn)定同位素有不同的影響,可以利用這種變化影響探討大米穩(wěn)定同位素變化特征。近些年,設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)探討大米中穩(wěn)定同位素影響因素方面已有良好進(jìn)展。LI等[13]發(fā)現(xiàn)沼氣施用量越高,稻米δ15N值越高。δ13C在不同施肥處理間差異不大。CHUNG等[14]發(fā)現(xiàn)水稻δ13C受復(fù)雜碳循環(huán)的影響,動(dòng)物糞便、合成肥料以及農(nóng)用化學(xué)品均會(huì)影響水稻的微生物活性,使其呈現(xiàn)不同的特征。現(xiàn)已有研究表明糙米中礦質(zhì)元素高于精米。孫開(kāi)奇等[15]發(fā)現(xiàn)京西稻糙米中鎂、磷、鉀、錳含量遠(yuǎn)高于精米, 糙米中鈣、鈉、鐵含量略高于精米, 而糙米中鋅和銅含量略低于精米,京西稻糙米中微量礦物質(zhì)元素的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)大于再度深加工碾去米糠得到的精米。HU等[16]在試驗(yàn)中,對(duì)糙米和精米進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果為糙米礦物質(zhì)含量比精米高,特別是鎂、鐵和錳。

本試驗(yàn)以稻米為研究對(duì)象,選取有機(jī)、綠色和常規(guī)3種栽培條件下精米和糙米,對(duì)3種栽培條件下糙米與精米δ13C、δ15N及11種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行測(cè)定,探究不同種植方式下糙米與精米穩(wěn)定同位素和礦物元素特征變化及加工影響,為糙米及精米認(rèn)證產(chǎn)品檢測(cè)及不同栽培方式下大米營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)所用的稻米均來(lái)自丹陽(yáng)市,栽培方式為有機(jī)栽培、綠色栽培、常規(guī)栽培,品種均為小陽(yáng)粳,根據(jù)稻米加工類型分為精米和糙米2種。在3個(gè)相鄰試驗(yàn)田中種植水稻樣品,并使用相同的水源灌溉從而消除環(huán)境變量的影響。有機(jī)水稻種植區(qū)肥料選用油菜餅。綠色水稻種植以每667 m2施15 kg氮磷鉀復(fù)合肥、10 kg油菜餅和尿素。常規(guī)水稻種植以每667 m2施20 kg復(fù)合肥和15 kg尿素。

1.2 樣品收集和處理

水稻成熟后,取樣品18份(有機(jī)6份、綠色6份、常規(guī)6份)。穩(wěn)定同位素和礦物多元素在檢測(cè)之前,將樣品放入糙米機(jī)制備成糙米,再將糙米放入精米機(jī)制備成精米后入粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎處理,精米9份(有機(jī)3份、綠色3份、常規(guī)3份)、糙米9份(有機(jī)3份、綠色3份、常規(guī)3份),共18份樣品,過(guò)60目篩后裝入樣品袋,待測(cè)。

1.3 儀器與設(shè)備

XP6型天平,瑞士Mettler-Toledo公司;Vario PYRO cube、Vario Isotope cube型元素分析儀、Isoprime 100型、Biovision穩(wěn)定同位素比率質(zhì)譜儀,德國(guó)Elementar公司;CEM Mars 5微波消解儀,美國(guó)CEM公司;Thermo Fisher X-series Ⅱ 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,美國(guó)熱電公司;HR2864粉碎機(jī),美國(guó)飛利浦公司。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 碳、氮穩(wěn)定同位素檢測(cè)

參照邵圣枝等[17]的方法,取大約3.0～4.0 mg待測(cè)樣,用錫箔杯包好后放至元素分析儀樣品盤中,樣品中的碳元素和氮元素轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2氣體后,進(jìn)入同位素質(zhì)譜儀檢測(cè)。具體條件：元素分析儀氦氣吹掃流量為230 mL/min;氧化爐和還原爐溫度分別為1 020 ℃和650 ℃,進(jìn)入質(zhì)譜儀載氣氦氣流量為100 mL/min。穩(wěn)定性同位素比率計(jì)算如公式(1)所示：

δ/‰=[(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn))-1]×1 000

(1)

式中：R樣品為所測(cè)樣品中重同位素與輕同位素的豐度比,即13C/12C、15N/14N;R標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)樣品中重同位素與輕同位素的豐度比,其中δ13C的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為VPDB,δ15N的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為Air。

穩(wěn)定同位素δ13C標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：B2155(蛋白質(zhì),δ13C VPDB=-26.98‰,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu))、IAEA-CH-6(蔗糖,δ13C VPDB=-10.45‰,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu))、USGS64(甘氨酸,δ13C V-PDB=-40.8‰,美國(guó)地質(zhì)勘探局)。

穩(wěn)定同位素δ15N標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：B2155(蛋白質(zhì),δ15N Air=5.94‰,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu))、IAEA-N-2(硫酸銨,δ15N Air=20.30‰,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu))、USGS64(甘氨酸,δ15N Air VPDB=1.76‰,美國(guó)地質(zhì)勘探局)。

1.4.2 礦質(zhì)元素檢測(cè)

稱取0.3 g左右的稻米樣品于微波消解內(nèi)罐,分別向每個(gè)消解罐中加入7.0 mL硝酸,輕輕搖動(dòng)溶液樣杯讓樣本和酸混勻;在將消解罐置于GT-400中進(jìn)行120 ℃、30 min的預(yù)處理熱消解過(guò)程,直至黃煙冒盡(預(yù)處理過(guò)程中需打開(kāi)密封塞),并冷卻至室溫;擦干溶樣杯外壁,杯身完全置于套筒內(nèi),擰緊密封蓋,將消解罐按照規(guī)范放入微波消解儀轉(zhuǎn)盤中并選擇相關(guān)消解模式進(jìn)行消解;儀器消解過(guò)程結(jié)束或儀器自動(dòng)降溫至60 ℃以下后,可將消解罐取出,按照拆卸流程取出罐內(nèi)溶樣杯;將溶樣杯放入GT-400趕酸,設(shè)置溫度為180 ℃,時(shí)間為30 min,趕酸至剩余液體量為5 mL左右;待趕酸結(jié)束冷卻至室溫,將消解罐的溶液轉(zhuǎn)移到樣品杯中,加純水定容至25 mL后上ICP-MS進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 24(美國(guó)IBM公司)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),結(jié)果以Mean±SD表示,并采用Origin 2019b軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量特征

有機(jī)栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量結(jié)果見(jiàn)表1。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.0‰和4.1‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.1‰和4.2‰,有機(jī)栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。精米和糙米11種礦質(zhì)元素的含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3種礦質(zhì)元素和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,Na、Ca、Mn等6種礦質(zhì)元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Ca、Mn 4種礦質(zhì)元素顯著高于精米(P值小于0.05),其余7種礦質(zhì)元素在2種稻米間含量差異性不顯著;精米Na礦質(zhì)元素含量高于糙米,Mo、Cu 2種元素不明顯,糙米加工成精米后,礦質(zhì)元素減少了42%。

表1 有機(jī)栽培下精米和糙米穩(wěn)定同位素與礦質(zhì)元素平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under organic cultivation

2.2 綠色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量特征

綠色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量結(jié)果見(jiàn)表2。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.9‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和4.5‰,綠色栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。其中Cr、Ni、Mo 3種礦質(zhì)元素含量和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5種礦質(zhì)元素含量為1～100 mg/kg,糙米中有6種元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Mn 3種礦質(zhì)元素含量顯著高于精米(P<0.05),其余8種礦質(zhì)元素在2種稻米間含量差異性不顯著,精米由糙米脫皮除糠后礦質(zhì)元素?fù)p失了40%。

表2 綠色栽培下精米和糙米穩(wěn)定同位素與礦質(zhì)元素平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished andbrown rice under green cultivation

2.3 常規(guī)栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量特征

常規(guī)栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質(zhì)元素含量結(jié)果見(jiàn)表3。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.7‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.7‰,常規(guī)栽培下的糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。精米和糙米中11種礦質(zhì)元素含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3種礦質(zhì)元素和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5種礦質(zhì)元素含量為1～100 mg/kg,糙米中有6種元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Fe、Mn 4種礦質(zhì)元素含量顯著高于精米(P<0.05),其余7種礦質(zhì)元素在2種稻米間含量差異性不顯著;精米各元素含量均低于糙米,精米在糙米脫皮除糠后礦質(zhì)元素?fù)p失了54%。

表3 常規(guī)栽培下精米和糙米穩(wěn)定同位素與礦質(zhì)元素平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under conventional cultivation

2.4 不同栽培方式下精米和糙米同位素礦物元素差異

精米在3種栽培方式下δ13C和δ15N分布圖(圖1-a),精米δ13C分布為-27.7‰～-26.9‰,δ15N分布為3.7‰～4.9‰。δ13C在有機(jī)和綠色栽培下差異顯著,且有機(jī)栽培下δ13C值最高,綠色栽培下最低。δ15N在綠色與常規(guī)栽培下差異顯著,在綠色栽培下δ15N值最高,常規(guī)栽培下最低。精米在3種栽培條件下穩(wěn)定同位素與礦物元素含量見(jiàn)表4。Na、Mg、K、Mo 4種元素存在顯著性差異,Na在有機(jī)栽培下含量最高,綠色栽培下最低,Mg和Mo在綠色栽培下含量最高,常規(guī)栽培下最低,K在綠色栽培下含量最高,有機(jī)栽培下最低。Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn含量均無(wú)顯著性差異。

a-δ13C特征;b-δ15N特征圖1 精米與糙米在3種栽培條件下δ13C和δ15N特征

表4 不同栽培條件下精米和糙米礦質(zhì)元素平均值與標(biāo)準(zhǔn)差 單位：mg/kg

糙米在3種栽培方式下δ13C和δ15N分布圖(圖1-b),糙米δ13C分布為-27.8‰～-26.9‰,δ15N分布為3.4‰～4.7‰。δ13C和δ15N在各栽培條件下均無(wú)顯著差異。糙米在3種栽培條件下穩(wěn)定同位素與礦物元素含量見(jiàn)表4,K和Mn 2種元素存在顯著性差異。K和Mn在常規(guī)栽培下含量最高,有機(jī)栽培下最低。其余元素間均無(wú)顯著性差異。

3 討論

精米中δ13C在有機(jī)和綠色栽培下差異顯著,δ15N在綠色與常規(guī)栽培下差異顯著。糙米中δ13C和δ15N在各栽培條件下均無(wú)顯著差異,這與其在生長(zhǎng)過(guò)程中外界環(huán)境、肥料種類及用量等均相同有一定的關(guān)系,YUAN等[18]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)、綠色和常規(guī)水稻中有機(jī)δ15N更為豐富,但卻更缺乏δ13C,CHUNG等[19]用δ13C和δ15N將環(huán)保型水稻和常規(guī)水稻成功區(qū)別。不同栽培方式δ13C和δ15N具有一定特征性,這與近幾年來(lái)在大米領(lǐng)域的研究結(jié)果相似[20]。由于不同肥料中δ15N值不同,使水稻植株內(nèi)發(fā)生同位素分餾影響不同,對(duì)大米δ15N影響也不同,從而產(chǎn)生差異[21];不同肥料對(duì)氮同位素分餾產(chǎn)生不同影響,從而影響植物的生理生態(tài)的代謝活動(dòng)[22],使植物碳同位素發(fā)生不同程度的分餾。糙米具有糠層、胚芽和胚乳,精米只有胚乳,說(shuō)明了胚乳可以直接反映δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素之間的差異性,而加上糠層和胚芽后則不顯示差異性,所以測(cè)量稻米同位素差異性應(yīng)對(duì)稻米的胚乳進(jìn)行檢測(cè)。LIU等[20]利用同位素對(duì)同一產(chǎn)地有機(jī)、綠色和常規(guī)栽培下的精米進(jìn)行區(qū)分。公維民等[23]選用均為拋光處理的精米討論我國(guó)大米碳氮穩(wěn)定同位素比率特征及溯源應(yīng)用,這也說(shuō)明了利用穩(wěn)定同位素對(duì)大米進(jìn)行判別時(shí)要用精米,精米比糙米可以更好地反映穩(wěn)定同位素特征。

稻米中具有人體必須的礦質(zhì)元素,本研究發(fā)現(xiàn)大米中各種礦質(zhì)元素含量分布不均勻,不同種植方式下糙米加工成精米后,有機(jī)栽培下礦質(zhì)元素?fù)p失了42%,綠色栽培下?lián)p失了40%,常規(guī)栽培下?lián)p失了54%。精米在有機(jī)、綠色和常規(guī)栽培下Na、Mg、K、Mo 4種元素含量差異顯著,有機(jī)栽培下礦質(zhì)元素含量最高;糙米在3種栽培下K和Mn含量差異顯著,常規(guī)栽培下糙米礦物元素含量最高,高于有機(jī)、綠色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。K礦質(zhì)元素含量最高,Mg、Ca 2種元素含量較高,均高于10 mg/kg,Ni元素含量最低,Cr、Mo 2種元素含量較低,均低于1 mg/kg。精米中Mg、K、Mn元素含量顯著低于糙米,表明這些礦質(zhì)元素從糙米加工成精米所脫下的糠層和胚芽中含量很高。研究結(jié)果與張?zhí)m等[24]發(fā)現(xiàn)稻谷在加工過(guò)程中Ca、K、Na等元素含量都有明顯的流失,稻米加工成為精米后總營(yíng)養(yǎng)成分流失約66%這一研究結(jié)果相似。因此從營(yíng)養(yǎng)角度來(lái)說(shuō),糙米因其豐富的礦質(zhì)元素比精米更適合人們食用,經(jīng)常性食用糙米可以有效緩解人類的礦物質(zhì)缺乏。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果認(rèn)為,精米δ13C在有機(jī)和綠色栽培下差異顯著,δ15N在綠色與常規(guī)栽培下差異顯著;糙米δ13C和δ15N在各栽培條件下均無(wú)顯著差異,利用穩(wěn)定同位素對(duì)大米進(jìn)行判別時(shí),精米比糙米可以更好地反映穩(wěn)定同位素特征,LIU等[25]對(duì)糙米加工成的精米進(jìn)行穩(wěn)定同位素檢測(cè),該結(jié)論可為檢測(cè)大米穩(wěn)定同位素提供更加準(zhǔn)確、有效的依據(jù),進(jìn)一步支持本文結(jié)論;常規(guī)栽培下糙米礦物元素含量最高,總體高于有機(jī)和綠色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。糙米加工成精米后,有機(jī)大米中礦質(zhì)元素減少42%,綠色大米礦質(zhì)元素?fù)p失40%,常規(guī)大米礦質(zhì)元素下降54%。該研究初步揭示了不同栽培條件下糙米與精米穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素變化及加工影響,為科學(xué)評(píng)價(jià)大米中礦質(zhì)元素含量和指導(dǎo)消費(fèi)提供科學(xué)依據(jù)。