紫蘇全生長期16種無機元素的分布規律

龔姮姮 胡思平 艾鑫衛 黃文鄴 蔡 濤 廖照江

(1. 三峽大學 生物與制藥學院， 湖北 宜昌 443002； 2. 宜都市環境監測站， 湖北 宜昌 443000)

紫蘇(Perillafrutescens)，別名：桂荏、白蘇、赤蘇等；為一年生草本植物，屬于唇形科一屬；紫蘇為《中國藥典》收載入藥，屬于第1批次被我國衛生部頒布的既是食品又是藥品的60種中藥之一．紫蘇因有多種活性成分而備受中國乃至世界的關注．紫蘇籽油中含有不飽和脂肪酸-α-亞麻酸，具有一定的預防性降低血脂的作用，紫蘇總黃酮有抗氧化性，揮發油、有機酸、酚等化合物具有廣泛的抗菌活性[1-5]．目前，對紫蘇屬植物藥用價值的研究主要集中在揮發油上[6-7]，而對其無機元素的相關報道甚少．中藥中微量元素的含量是中藥品質非常重要的基礎保障，紫蘇作為藥食兩用的中藥，對其無機元素研究十分必要[8-15]．

本研究以紫蘇全生長期根、莖、葉部位為研究對象，應用ICP-MS對紫蘇樣品中16種無機元素(Na、Mg、K、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Cd、Hg、Pb)進行了定量測定，并進行分析，旨在對紫蘇全生長期根、莖、葉部位從無機元素角度進行動態變化分析，為全面評價的紫蘇的藥食兩用價值提供理論基礎，為紫蘇植物資源合理開發利用提供參考依據．

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇子藥材購買于湖北宜昌西陵區．該樣本經三峽大學王玉兵副教授鑒定為湖北紫蘇(Perilla.Frutescens)．

標準品：混合標準溶液(含量：100 mL；批號：8517)購自Thermo Elemental；硝酸(優級純)購自天津市科密歐試劑有限公司；過氧化氫(優級純)購自天津市科密歐試劑有限公司；水為娃哈哈純凈水．

1.2 儀器

電感耦合等離子體質譜儀X Series 2(PlasmaLab 2.0數據處理系統)美國Thermo公司；德國sartorius BS224S電子天平：深圳市朗普電子科技有限公司；DZF-6020型真空干燥箱：上海-恒科技有限公司．

1.3 方法

1.3.1 電感耦合等離子體質譜條件

檢測K、Na、Mg、Al采用冷焰模式，Fe、Co、Cd、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se、Pb采用碰撞池反應模式(即CCT模式)[16]測試．在最優化儀器工作條件后，兩種模式的相關工作參數見表1．其中霧化氣、助燃氣、冷卻氣及載氣均為氬氣，CCT碰撞氣為氦氣．

表1 ICP-MS儀器工作參數

續表1 ICP-MS儀器工作參數

1.3.2 樣品采集與制備

紫蘇種子于2017年6月5日播種，直至2017年6月15日發芽長出兩對葉片，對幼苗進行移栽，將幼苗移栽至面積(5 m×7 m)實驗田，每組幼苗隨機種植．移栽后每隔20 d后按規則采樣(20、40、60、80、100、120 d)．

采樣方法為對角線取樣，在實驗田對角線上選定5個取樣點，在每個取樣點上按規定的面積(50 cm×50 cm)內采樣，每個點采取至少一株紫蘇，按根、莖、葉三部位進行采收．根據植物生長情況，按不同生長時期可分為：營養期(0～60 d)、開花期(60～100 d)、結果期(100～120 d)．

紫蘇樣品采集后，先用自來水洗去上面的泥土等雜質，然后用去離子水清洗3遍，再用紗布吸取樣品表面水分．于105℃下殺青，再在65℃烘48 h，制成干樣．然后用中藥粉碎機粉碎，準確稱取粉碎后紫蘇樣品0.500 0 g置入聚四氟乙烯消解罐中．向消解罐中加入2.00 mL濃硝酸和2.00 mL過氧化氫，然后密封消解罐并置入烘箱中，180℃恒熱8 h，冷卻后小心打開消解罐，用稀硝酸溶液稀釋并精確定容于50 mL容量瓶中，制得待測樣本溶液，每個部位每個時期平行四個樣本，全程做空白對照樣．

1.3.3 標準曲線的繪制

內標溶液的配制：用移液管移取銠(Rhodon)標準液和錸(Rhenium)標準液各1.00 mL于1000 mL容量瓶中，加1%稀硝酸精確定容，配制成1000 μg·L-1的內標儲備液，然后再用移液管移取1.00 mL內標儲備液，移至100 mL容量瓶中，用1%稀硝酸精確定容，配制成濃度為10 μg·L-1內標使用液．

待測元素標準溶液的配制：用移液管移取多元素混合標準溶液1.00 mL于100 mL容量瓶中，加1%稀硝酸溶液精確定容，得到多元素混合標準儲備液，然后采用逐級稀釋法將多元素混合標準液釋成質量濃度為0.5、5.0、10.0、50.0、100.0、200.0 μg·L-1的標準系列溶液．

在選定測定參數下，將所配制的混合標準系列溶液用ICP-MS法測定各元素含量，繪制出相應的標準曲線，結果見表2．

表2 各元素標準曲線

1.3.4 精密度試驗

取標準曲線第3點溶液10 μg·L-1，連續進樣6次，各元素含量RSD在0.780 2%～4.823%，均小于5%，說明儀器精密度良好．

1.3.5 重復性試驗

取紫蘇莖(20171015)樣品粉末0.500 0g，平行6份，按“2.3.2”項下方法操作得供試品溶液，測定，各元素RSD為1.250%～7.904%，結果均小于8%．

1.3.6 加標回收率試驗

取紫蘇莖(20171015)樣品粉末0.250 0 g，精密稱定，加2.00 mL多元素混合標準儲備液100 μg·L-1，按“2.3.2”項下方法操作，計算各元素的加樣回收率在84.35%～109.7%．

2 結果與討論

實驗研究了紫蘇3個生長期、3個部位中16種元素的含量和變化趨勢．紫蘇的3個部位：根、莖、葉．16種元素是：K、Mg、Na、Fe、Al、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、As、Se和Hg、Pb、Cd．其中前13種是生命必需元素，后3種有毒重金屬元素．3個生長期為營養期(0～60 d)、開花期(60～100 d)、結果期(100～120 d)．

2.1 16種元素在全生長期的含量及變化規律

2.1.1 16種元素含量分類

按含量分類，16種元素可分為4類，高含量元素：K、Mg，它們的含量通常在465～24 000 μg·g-1．中等含量元素：Al、Fe、Na，它們含量一般在35～3 471 μg·g-1，低含量元素：Pb、Mn，Zn、Cu，Cr、Ni，含量處于0～365 μg·g-1．痕量元素：As、Co，Hg、Se，Cd，其含量處于0.04～4.30 μg·g-1．

2.1.2 16種元素含量的變化趨勢

16種元素含量隨生長時間延長，總體上都表現為下降趨勢(如圖1所示)，下降趨勢特別明顯的是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、As這8種元素，營養期20 d時在莖中的含量非常高，隨后快速下降．下降趨勢最明顯的K、Mg、Na、Fe、Al等5種元素，除了保持總的下降趨勢外，在莖中的含量下降趨勢尤為明顯，降幅分別是2、6、74、86和99倍．這與紫蘇生長過程莖的擴張幅度最大相一致．根和葉中的這5種元素雖有下降趨勢，但降幅不大．也就是說，在紫蘇各部位擴張過程中，這5種元素也繼續吸收同化并保持相對穩定的含量．這表明，隨著生長期順延、紫蘇有機物含量不斷增加，這5種無機元素的總量也是保持增加態勢，并與有機物增量基本持平并略有下降．

圖1 全生長期16種元素含量動態變化

大部分元素(如K、Mg、Al、Fe、Zn、Cu、Cr、Ni、Co、As)含量隨生長時間總體呈下降趨勢，但在結果期的100 d出現回升，即下降曲線在100 d出現峰值．只有As、Se、Hg未顯現出下降趨勢，并且這3種元素在生長的中后期還出現峰值．也有少數元素：Se和Hg，分別在結果期的100 d出現峰值．大部分元素含量總體呈下降趨勢，可以用全生長期的生物量的增長規律做出合理解釋．本文對紫蘇全生長期的干重進行檢測的結果見表3．由表3可見，紫蘇全株生物量隨著生長期的推進，呈急劇增長態勢．所以，在生物量的稀釋作用下，元素含量呈總體下降趨勢．

表3 不同生長期紫蘇單株干物質(單位：g·株-1)

在100～120 d區間，增幅至此已經十分平緩，導致含量出現了峰值．所以，峰值的出現，可能并不存在特別的生理過程和增殖方式，而是生物量增幅至此處于停滯所致．

2.2 16種元素在根莖葉中的含量規律

根、莖、葉屬于紫蘇的不同功能部位，其組織結構和生理機能不同，對不同元素的吸收同化也呈現出比較大的差別(如圖2所示)．

2.2.1 16種元素在根中的含量

根中，以100 d計，K、Mg、Al、Fe、Na、Cu、Zn的含量呈階梯狀，含量分別是3 682、2 172、540.4、401.1、263.9、43.90、43.79 μg·g-1，K和Mg的含量最高，Al、Fe、Na次之，而Cu和Zn的較低．除了其中的Al元素以外，K、Mg、Fe、Na、Cu、Zn均屬于營養元素，紫蘇各部位都表現為K高Na低、Cu富Zn足的狀態，符合人類對K和Na攝取比例，以及對Cu、Zn元素的微量攝取需求．

圖2 根、莖、葉部位無機元素含量動態變化

2.2.2 16種元素在莖中的含量

仍以100 d為例，莖中含量最高的元素是K、Mg、Na、Fe、Al、Zn、Cu、Cr、Mn、Ni，分別是11 442、3 866、195.0、173.8、43.86、22.01、14.49、12.10、6.798、3.795 μg·g-1．K、Mg含量最高，K含量尤其高；Na、Fe、Al含量居中，Zn、Cu、Cr、Mn、Ni的含量較低．K作為機體重要的電解質，能維持肌肉的韌性和正常心律，并促進蛋白質、碳水化合物的代謝．紫蘇莖有順氣、安胎、化痰和發散風寒等功效，可能與K含量有關．

2.2.3 16種元素在葉中的含量

葉部位含量，仍以100 d計，含量最高的元素是K、Mg、Al、Fe、Na、Zn、Mn、Cu、Cr、Ni、As、Se、Hg、Pb，含量分別是6926、6571、893.6、666.3、273.3、55.80、37.08、12.95、3.990、3.220、2.460、0.420 1、2.450、2.301 μg·g-1．葉部位的這14種元素依然是呈臺階分布，其中，K、Mg含量高，Al、Fe、Na含量較高，Zn、Mn含量居中，其余元素含量較低，紫蘇葉中含有豐富的人體有益元素．

2.3 根、莖、葉3部位中人體毒害元素分布

非金屬元素As和重金屬元素Cd、Hg、Pb，被認為是對人體毒性最大的4種元素．紫蘇根莖葉中As、Cd、Hg、Pb含量都比較低，列在表4中．

表4 120 d時根莖葉As、Cd、Hg、Pb的含量(單位：μg·g-1)

2.3.1 4種毒害元素的含量變化

As、Cd、Hg、Pb，這4種元素都呈現出隨生長期的下降趨勢，隨著紫蘇各部位有機物含量的增長，這4種元素被稀釋，含量減少．

As、Hg兩種元素在結果期的100 d出現回升，這可能是因為As為生命必需元素，與紫蘇組織中特定物質有識別與結合，并在結果期含量升高．而Hg元素具有揮發性和烷基化特點，在結果期通過葉的表面吸附而使其含量上升．

2.3.2 4種毒害元素的根莖葉3個部位的含量比較

As、Cd、Hg和Pb，這4種毒害元素在根、莖、葉3部位中的含量都較低，總體小于3 μg·g-1．其中As<0.1 μg·g-1，Cd<0.3 μg·g-1、Hg<0.5 μg·g-1，Pb<2.0 μg·g-1．As、Cd、Hg、Pb的含量均低于《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》[17](WM/T 2-2004)(As≤2.0 μg·g-1、Cd≤0.3 μg·g-1，Hg≤0.2 μg·g-1、Pb≤5.0 μg·g-1)的限量標準，僅紫蘇葉中Hg元素含量超過的限量標準，有可能與其土壤背景有關，有待進一步研究．常量元素中K、Na、Mg在機體中以離子狀態存在，參與酶的激化過程，維持體內滲透壓和酸堿平衡，且毒害元素含量低可以保障食用安全、增加營養價值．

3 結 論

1)紫蘇在營養期(幼苗期)對各無機元素的需求量是最大的，16種元素都是在20 d時含量最高．

2)紫蘇的莖部位的無機元素含量最高，有8種元素在莖部位的含量都遠高于根葉部位．

3)紫蘇的根莖葉中毒害元素含量都比較低，As、Cd、Pb低于中國藥典標準的規定值．