恩施地區玉米硒的生物可給性及其健康風險評估

趙 晗， 蔡 超

(1.中國科學院城市環境研究所/中國科學院城市環境與健康重點實驗室，福建廈門 361000； 2.中國科學院大學，北京 100049)

硒為稀有分散元素，在地殼中含量很少，而且在土壤中的分布極不均勻。世界上土壤自然含硒量在0.01～2.00 mg/kg之間，一般土壤中硒含量約0.4 mg/kg[1]，可見湖北恩施地區屬于中國典型的高硒區。Qin等采集恩施富硒地區農田土壤，硒含量高達5.90～24.3 mg/kg[2]。恩施富硒作物中煙草和茶葉等研究比較多，但是，玉米作為恩施地區栽培面積最大的作物研究得相對較少。Xu等采集了恩施地區煙草葉子，測得其硒含量為0.3～29.3 mg/kg[3]；Dai采集了恩施地區茶葉，測得其硒含量最高可達到7.53 mg/kg[4]。另外，對富硒作物中硒總量研究得比較多，對硒的生物可給性研究得比較少，而硒對人體健康的影響與生物可給性息息相關，且很少有研究關注到作物品種對生物可給性的影響。生物可給性是指食物直接進入人體的消化系統后，人體胃腸道溶解部分所占的比例[5]。Lavu等探究了比利時韭菜和洋麻硒的生物可給性，在胃階段約為45%，在小腸階段約為75%，小腸階段顯著比胃階段要高[6]；Bhatia等研究了印度蘑菇硒小腸階段的生物可給性，約為57%[5]。本研究首次探討了玉米品種對硒的生物可給性的影響。

硒過多或過少對人體健康都不利，人體缺硒會導致克山病和大骨節病；硒過量會導致人體脫發、脫甲等硒中毒癥狀[7-8]。飲食是硒暴露的主要途徑，評估其健康風險對于當地人群的健康狀況具有十分重要的意義。但是，目前探究食物硒健康風險的研究并不多，而且國內外的研究一般采用食物總硒直接參與計算。然而食物中的硒并不會被人體完全吸收，這樣無疑增大了硒中毒的健康風險，所以本研究采用硒的生物可給性參與健康風險評估的計算，旨在為開展富硒玉米的科學種植提供理論支持。

1 樣品采集與分析方法

1.1 玉米采集及預處理

樣點于2015年8月20日采自湖北省恩施市魚塘壩、長平、屯堡和紅土地區。土壤樣品取0～20 cm的耕作層土壤，玉米樣品采集于對應的土壤上的玉米籽粒。其中，本研究玉米約4月開始種植，8月成熟，采樣時期為玉米的成熟期，采樣部位為玉米的果實。土壤樣品在室內陰涼處風干、壓碎，揀去樣品中的碎石、植物殘體等雜物，過100目篩，裝入聚乙烯塑料袋中備用。玉米樣品在實驗室內先用自來水沖洗3次，然后用蒸餾水沖洗3次，室溫下晾干，用冷凍干燥機烘干，再用植物碎樣機粉碎并過100目篩，密封儲存于聚乙烯塑料袋中備用。

1.2 樣品測試與分析

土壤樣品的消解試驗開始于2015年8月23日，參考Williams等采用的電熱板消解法[9]并稍作改進：稱取經風干粉碎過100目篩的樣品0.2 g于消解管中，提前稱取空的消解管質量，加濃硝酸10 mL、高氯酸2.5 mL，搖勻，放置過夜，次日于低溫電熱板上加熱至冒白煙，蒸至1 mL左右，取下冷卻，以Milli-Q超純水定容至40 mL左右，稱質量，樣品液經0.22 μm濾膜過濾后待測，同時制作分析空白，每個樣品3個平行。

玉米樣品的消解參考王欣等采用的微波消解法[10]：稱取玉米粉樣品0.2 g(過100目)置于微波消解管(提前清洗，烘干)中，加入2 mL濃HNO3、2 mL H2O2，過夜，微波消解；消解結束后，冷卻至室溫，打開消解罐，樣品液轉移至40 mL離心管中，并用超純水洗滌消解罐及蓋3次，合并洗滌液，定容并搖勻，稱質量，樣品液經0.22 μm濾膜過濾后待測。每個樣品做3 個平行，同時做空白試驗。

土壤和玉米樣品都采用ICP-MS(電感耦合等離子體質譜法)進行分析測量，ICP-MS 采用 He 碰撞池模式。其中，土壤的處理過程中加入土壤成分分析標準物質GSS-1和GSS-3，植物的處理過程中加入玉米標準物GBW10012，根據標準物質與重復樣品的測定，數據結果可靠。

土壤有效態的測量試驗于2015年8月30日開始，參考Wang等的土壤硒的連續化學浸提五步法[11]，并且針對恩施地區的樣品稍作改進。各個形態提取方法如下：(1)水溶態。稱取 1.000 g 土壤樣品于 10 mL離心管中，加入蒸餾水 10 mL，加蓋，平放于振蕩器上，室溫下振蕩 1 h，然后以 4 000 r/min 轉速離心30 min，取出上清液，定容至10 mL，檢測。(2)可交換態。在上述含有殘渣的離心管中，加入 0.1 mol/L KH2PO4-K2HPO4溶液10 mL，室溫下同法振蕩 2 h，以 4 000 r/min轉速離心30 min，取出上清液，定容至 10 mL，待測。(3)鐵錳氧化物和碳酸鹽結合態。在(2)含有殘渣的離心管中，加入 3 mol/L HCl 10 mL，于 90 ℃的恒溫水浴中加熱50 min并間歇振蕩，然后以 400 r/min轉速離心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待測。(4)有機物結合態。在(3)含有殘渣的離心管中，加入 0.1 mol/L K2S2O810 mL，于 90 ℃恒溫水浴中加熱 2 h并間歇振蕩，然后以 4 000 r/min 轉速離心 30 min，取出上清液，定容至500 mL，待測。取出殘渣，烘干，重新研磨。以下操作方法同上面土壤總硒含量的測定。

玉米可給性試驗于2015年9月12日開始進行，采用Jaiswal等的體外模擬消化方法[12]。胃部階段：稱1.25 g玉米粉到50 mL血清瓶中，加入12.5 mL胃液(6%胃蛋白酶，pH值為1.75)，混合物振蕩1～2 min。然后密封血清瓶，以 150 r/min 轉速在37 ℃條件下振蕩3 h。每個樣品設置重復。冷卻后，在4 ℃下以5 000 r/min離心20 min。樣品液經 0.45 μm 水性濾膜過濾，密封儲存在0～4 ℃條件下待測，測量前先定容至50 mL，然后取出10 mL，稀釋到100 mL上機測量。小腸階段：將胃階段得到的溶液pH值通過NH4HCO3調整到7，然后加入10 mL胰消化液(2%胰酶、0.2%膽汁)，混合物振蕩1 min；接下來操作同胃階段。樣品分析采用ICP-MS，同時做空白試驗和3個平行，數據結果可靠。

2 結果與分析

2.1 土壤硒含量

由圖1可知，本研究區土壤硒含量空間分布不均勻，差異較大。總體來看，魚塘壩地區土壤硒含量最高，達到(5.320±0.422)mg/kg；長平地區土壤硒含量最低，為(0.127±0.034)mg/kg。可見，土壤硒含量的最大值是最小值的 41.9 倍，基于算術平均數的變異系數為123%。魚塘壩地區之所以高硒，大多數研究者認為是富硒炭質巖石的暴露和風化，然而朱建明等認為魚塘壩高硒的重要原因是人為播撒富硒炭質巖碎粒和火土肥[13]。

2.2 玉米硒含量

由圖2可知，本研究區玉米硒含量空間分布不均勻，差異較大。總體來看，魚塘壩地區玉米硒含量最高，達(1.400±0.131)mg/kg；長平地區玉米硒含量最低，為(0.065±0.009)mg/kg。魚塘壩地區玉米硒含量接近高硒中毒村的1.38 mg/kg，顯著高于恩施其他地區[14]。玉米硒含量最大值是最小值的21.5倍，基于算術平均數的變異系數為126%。不同地區的玉米硒含量差異較大，郭宇等報道，在漁塘壩采集的玉米樣品硒含量最大值為1.16 mg/kg[15]，這跟本試驗的結果比較接近；Moon等采集了韓國地區的玉米樣品，其硒含量比較低，為0.001 9 mg/kg[16]；Chilimba等研究了非洲馬拉維地區生物強化的玉米，其硒含量最高可達21 mg/kg[17]。

2.3 玉米的富集系數

由圖3可知，本研究區不同玉米品種的富集系數不同。總體來看，富硒能力最強的玉米品種是中玉335。其中富集系數范圍0.210～0.514，算數平均數為0.321，基于算術平均的變異系數是41.5%，富集系數最大值是最小值的2.45倍。玉米中硒含量不僅與其所生長土壤的本底值有關，還與玉米的生理結構密切相關。玉米富集系數是表征玉米吸收富集硒能力的重要指標，不同玉米品種的富集系數有差異，而且某些品種間差異十分顯著，說明在考察玉米富硒問題時，玉米品種也是一個不容忽視的重要因素。建議當地居民栽培玉米時應該根據當地的實際情況選擇合適的玉米品種。

2.4 土壤硒的賦存形態

由圖4可知，本研究區土壤硒的賦存形態空間分布有差異，連續浸提致使土壤硒分為水溶態、可交換態、碳酸鹽和鐵錳氧化物結合態、有機物結合態、殘渣態5個部分，其中水溶態所占比例最低，殘渣態所占比例最高。土壤硒的有效態是指真正可以被植物吸收利用的土壤硒形態，主要包括可交換態和水溶態。由圖4可以看出，魚塘壩地區土壤硒的有效態比例最低，長平地區最高。另外，魚塘壩地區殘渣態比例最高。對土壤中硒的全量分析是確定土壤硒營養狀況的重要手段，但是卻不能很好地提供硒的生物可利用性方面的信息，不同形態的硒有顯著的地球化學差異，影響著硒在土壤環境中的遷移、轉化和生物可利用性，因為了解土壤中硒的賦存形態十分必要。國內外的研究者針對不同地區樣品提出了不同的土壤硒的連續化學浸提方法，如Wang等的五步法[11]、Shannasarka等的六步法[18]和朱建明等的七步法[19]。鑒于本次試驗土壤樣品的特質和總硒水平，決定參考Wang等的五步法[12]并略加改進，進行試驗。恩施地區土壤普遍有效態比例低，殘渣態比例高，說明該地區土壤硒的生物可利用性不高。魚塘壩地區有效硒比例很低，但是土壤硒總量很高，所以真正可以被玉米利用的硒含量也相對比較高，導致了該地區玉米硒含量很高。雖然長平地區的土壤硒有效態比例最高，但是由于硒總量很低，真正被玉米利用的硒含量不高，導致該地區玉米硒含量很低。朱健明等采集了恩施地區的土壤樣品，試驗證明恩施地區土壤硒的可利用性普遍不高，比例最高的是植物不可利用的殘渣態硒[19]；吳少尉等采集了恩施地區富硒土壤，連續浸提的結果將恩施高硒地區土壤硒分為水溶態、可交換態、碳酸鹽及鐵錳氧化物結合態、有機物結合態、殘渣態5個部分，分別占總硒的3.1%、11.7%、16.7%、25.7%、42.0%[20]，這與本試驗的結果相近。

2.5 玉米硒的生物可給性

由圖5可知，本研究區采集的5種玉米品種硒的生物可給性存在差異。由此可以看出，5種玉米品種硒的生物可給性都是小腸階段顯著高于胃階段，在小腸和胃階段都是中玉335硒的可給性最高，惠民379最低。胃階段硒的生物可給性為23.6%～39.1%，小腸階段為44.9%～59.1%。說明玉米品種對硒的生物可給性有不可忽視的影響。不同的玉米品種硒的生物可給性不同，可能是因為不同玉米品種各成分的含量和比例有差別，不同研究者測出的玉米硒生物可給性結果不同，這可能是由于采樣地區和體外模型方法不同導致的。Jaiswal等采集了印度的玉米樣品，測出在胃階段的可給性為32%，小腸階段的可給性為51%，小腸階段顯著高于胃階段[12]，這跟本試驗結果相近，之所以小腸階段更高，可能是因為小腸是食物消化的主要場所，擁有更多的消化液和消化酶；而Khanam等同樣研究了印度的玉米樣品，測出玉米硒的生物可給性卻為10%左右[21]。恩施魚塘壩地區玉米力單1號雖然可給性不是最高的，但是由于玉米總硒含量很高，所以被人體攝入的硒含量也相對較高。可見，長期食用當地玉還是很有可能有硒中毒的風險，應當慎重對待。

2.6 PDI指數

PDI(probable daily intake of Se for a human)指數通常被用來評價人群膳食硒中毒風險。Hawkesford等采集了北美地區的樣品，PDI為60～220 μg/d[22]；Yoneyama等采集了日本地區的樣品，PDI為140～178 μg/d[23]； Hira等采集了印度高硒地區的植物樣品，PDI為475～632 μg/d[24]。

本試驗采集玉米樣品硒含量最高為1.40 μg/g，玉米品種硒的生物可給性最高為59.1%。另外根據湖北省統計年鑒可知，恩施地區人均玉米攝入量為38 g/d，根據Qin等的調查結果可知，玉米供硒占所有食物組分的6.7%左右，從而可以算出PDI為469 μg/d[25]。最新硒允許最高劑量為400 μg/d，所以恩施魚塘壩高硒地區當地居民有慢性硒中毒風險[26]。

3 結論

整體來看，本研究區域內魚塘壩地區土壤硒含量最高，長平地區土壤硒含量最低；魚塘壩地區玉米硒含量最高，長平地區玉米硒含量最低；不同品種的玉米富集系數有差異，品種也是玉米富硒的一個不可忽視的重要因素；恩施地區土壤硒各賦存形態比例以殘渣態最高、水溶態最低；不同玉米品種在胃階段的生物可給性為23.6%～39.1%，在小腸階段的生物可給性為44.9%～59.1%，小腸階段顯著高于胃階段。本試驗探究了玉米品種對硒的生物可給性的影響，結果表明玉米品種也是玉米硒生物可給性的一個不可忽視的因素；魚塘壩地區PDI指數為469 μg/d，當地人群有慢性硒中毒的風險。

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