施氮對毛竹筍營養成分的影響

張 晗，李 全，郭子武，呂建華，應葉青，宋新章

（1. 浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400）

氨基酸、維生素C、粗纖維、粗蛋白質和可溶性糖是人體不可或缺的營養成分，參與體內重要的生命活動和代謝過程，而礦質元素是組成激素、維生素、蛋白質和多種酶的重要組成部分[1]，在人體保健方面起著重要作用。竹筍作為中國的傳統佳肴，已有2 500多年的食用和栽培歷史，其味道鮮美、口感清脆、營養豐富而深受人們喜愛，被譽為最受歡迎的五大保健食品之一。中國是世界上最大的竹筍生產國和消費國，每年有大量的竹筍及其相關產品遠銷海外。其中，毛竹Phyllostachys edulis筍產量居竹筍產量之首，含蛋白質類、纖維類、糖類、多種礦質元素和氨基酸等人體所需的營養物質，毛竹筍具有高纖維、高氮、高礦質、低脂肪、低糖等營養特點[2?4]，符合現代社會人們對飲食健康和食品質量的追求，具有很好的市場前景。目前，竹筍品質的研究主要集中在營養動態[5?6]、存儲包裝方式[7?8]以及經營措施[9?10]對竹筍營養成分的影響。其中，大量研究表明：施肥能顯著影響竹筍的產量[10?11]和筍體中的氨基酸、蛋白質和脂肪等營養物質的含量[9,12]。近年來，隨著工農業生產和人類活動強度的增加，工業活動的密集化，如化石燃料燃燒、氮肥施用、畜禽養殖等人為活動的劇增，致使氮排放量不斷攀升，大氣中活性氮持續升高，氮沉降已從發達地區迅速發展到全球范圍，極大地干擾了氮循環[13]。中國的氮沉降情況愈加嚴重，僅次于歐洲和美國，為全球第三大氮沉降區[14]。中國亞熱帶地區的平均氮沉降量已達30.00 kg·hm?2·a?1[15]，最大氮沉降量已達 51.56 kg·hm?2·a?1，而且還有進一步增加的趨勢[16]。中國亞熱帶地區也是毛竹林的主要分布區，毛竹林面積達443萬hm2，約占全國竹林面積的70%，毛竹是該區域重要的森林資源和南方山區農民經濟收入的重要來源[17]。目前研究表明：氮沉降對毛竹林的土壤酶活性[18]、毛竹葉片化學計量、養分重吸收及凋落葉養分歸還[19]等方面都有顯著影響，這些變化是否會影響竹筍營養成分含量，進而改變其品質，尚未可知。為此，本研究以毛竹筍為研究對象，通過人工施氮模擬大氣氮沉降的方法，研究氮沉降對毛竹筍品質的影響，以期為在日益增強的大氣氮沉降下毛竹筍可持續經營提供新的參考。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省杭州市臨安區青山湖街道青山筍材兩用毛竹林樣地(30°14′N，119°42′E)，該區處于中亞熱帶季風氣候區的北緣，雨水充足，氣候溫潤，四季分明。年平均降水量1 420 mm，年平均氣溫15.6 ℃，最高和最低氣溫分別為41.7 ℃和?13.3 ℃。年均日照約1 847 h，年均無霜期約230 d。土壤類型屬于黃土壤，低山丘陵地貌，海拔100～300 m。研究地毛竹林采用集約經營模式，隔年采伐4 a以上的老竹，現存立竹主要是4齡竹(2016年)和2齡竹(2018年)。每年7?8月墾復除去林下的灌木和雜草，9月撒施450 kg·hm?2復合肥，施肥后翻耕30 cm，使之與表層土壤均勻混合。林地的林分和表層土壤(0～20 cm)初始特征見表1[20]。

表1 毛竹林分和表層土壤(0～20 cm)特征Table 1 Original characteristics of the Ph. edulis plantation and surface soil(0?20 cm)

1.2 試驗設計

采用典型樣方法，在毛竹林內設立9個20 m×20 m典型樣地，樣地之間設置20 m以上的緩沖間隔區。以中國亞熱帶地區平均大氣氮沉降量(30 kg·hm?2·a?1)和未來增加趨勢為依據[21]，設置3個氮沉降處理，分別為對照 (0 kg·hm?2·a?1，ck)、低氮 (30 kg·hm?2·a?1，N30)和高氮 (60 kg·hm?2·a?1，N60)，各處理重復3次。2013年1月至2019年4月，每月進行模擬氮沉降處理，全年12次。處理方法為在10 L水中加入各樣地所需的相應質量的硝酸銨(NH4NO3)，采用電動背式噴霧器將配好溶液均勻地噴灑在樣地上；對照組采用同樣的方法噴灑等質量的水，以減少外加水因素帶來的誤差影響。

1.3 樣品的采集、處理和測定

于2019年4月在毛竹林樣地采挖大小適中，出土高度約3～5 cm的毛竹筍，要求其整體形態特征明顯、飽滿健壯、筍體完整，每個樣地各采集5個春筍，將筍籜上的泥土和雜物清理干凈，裝入放有冰袋的恒溫采集箱，帶回實驗室用于分析檢測。將新鮮春筍去除掉筍殼和竹篼，選取其中可食的鮮嫩部分切成塊狀，采用四分法取樣，在(130±2) ℃的烘箱中殺青10 min后，放入(60±1) ℃干燥機中烘干，粉碎后過60目篩，放入干燥器中保存以供竹筍營養成分測定。

氨基酸采用氨基酸分析儀測定[9]；維生素C用稀酸提取，高效液相色譜法測定[22]；粗纖維的測定參照國標GB/T 5009.10?2003《植物類食品中粗纖維的測定》，采用酸堿洗滌法；粗蛋白質采用凱氏定氮法測定[23]；可溶性糖采用硫酸苯酚法測定[24]；礦質元素采用硝酸-高氯酸(HNO3-HClO4)濕法消化法，消化液用火焰原子吸收光譜法測定[25]。

1.4 數據處理分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析不同氮沉降強度下毛竹筍中氨基酸、維生素C、粗纖維、粗蛋白質、可溶性糖和礦質元素差異；用SPSS 19.0進行統計分析；用Origin 2018作圖。所有數據均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 毛竹筍氨基酸質量分數

由表2可知：氮沉降對毛竹鮮筍的總氨基酸、必需氨基酸和甜味氨基酸的質量分數均有顯著提高作用(P＜0.05)，分別增加了45.03%～54.08%、33.66%～35.64%和96.50%～106.50%；而毛竹鮮筍的鮮味氨基酸、苦味氨基酸和芳香類氨基酸的質量分數分別在高氮下顯著增加了20.43%、15.83%和21.21%(P＜0.05)，低氮下顯著降低63.44%、11.15%和27.27%(P＜0.05)。同時，不同氮沉降水平下，毛竹鮮筍的必需、鮮味、甜味、苦味和芳香類氨基酸比例變化較大，氮沉降對毛竹鮮筍中氨基酸比例具有顯著影響(P＜0.05)。其中甜味氨基酸比例在氮添加下顯著增加34.02%～35.54%(P＜0.05)，而氮沉降對必需氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸和芳香類氨基酸比例均有顯著降低作用(P＜0.05)，分別降低7.84%～11.96%、21.92%～74.80%、24.79%～38.76%和21.30%～49.80%。

表2 不同氮沉降水平下毛竹筍不同類型氨基酸質量分數及比例Table 2 Contents and proportions of different types of amino acids under different nitrogen(N) deposition

2.2 毛竹筍營養成分

氮沉降對毛竹筍營養成分的影響顯著(圖1)。隨氮沉降增加，維生素C和粗蛋白質質量分數均先下降而后升高，而粗纖維和可溶性糖質量分數則均呈先升高而下降趨勢，且各處理毛竹筍的粗蛋白質、可溶性糖并無顯著差異(P＞0.05)。毛竹筍維生素C質量分數不同處理間則差異顯著(P＜0.05)，而高氮沉降毛竹筍粗纖維質量分數與對照并無顯著差異(P＞0.05)，且均顯著高于低氮沉降處理(P＜0.05)。

圖1 不同氮沉降水平下毛竹筍維生素C、粗纖維、粗蛋白質和可溶性糖質量分數Figure 1 Contents of vitamin C, crude fiber, crude protein and soluble sugar under different nitrogen (N) deposition

2.3 毛竹筍礦質元素質量分數

由圖2可知：毛竹筍不同礦質元素質量分數差異較大，且對氮沉降的響應不同。其中：鉀最高，硒最低。氮沉降對鉀和鋅無顯著影響(P＞0.05)，但卻顯著提高了硒(83.15%～100.33%)、鐵(69.57%～77.91%)和鈉(26.22%～28.16%)(P＜0.05)質量分數，顯著降低了銅(18.19%～24.72%)(P＜0.05)質量分數。同時，錳、鈣和鎂質量分數在低氮處理下顯著增加(P＜0.05)，在高氮處理下顯著降低(P＜0.05)。與對照相比，在低氮處理下錳、鈣和鎂質量分數均顯著提高(P＜0.05)，分別提高61.67%、17.45%和10.08%，而高氮處理下錳和鈣質量分數分別降低14.22%、30.32%。

圖2 不同氮沉降水平下毛竹筍礦質元素的質量分數Figure 2 Contents of mineral elements under different nitrogen (N) deposition

3 討論

3.1 氮沉降對毛竹筍氨基酸質量分數的影響

本研究毛竹筍中共檢測出18種氨基酸，其中賴氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)、蛋氨酸(Met)、蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)和纈氨酸(Val)為人體必需氨基酸。氮沉降顯著提高毛竹筍中總氨基酸和必需氨基酸的質量分數，這與施肥[9,26]和施氮肥[26]的研究效果相同。

環境因素會影響竹筍中總氨基酸質量分數，其中對氨基酸影響最大的因素為氮素供應水平[27]。氮素是植物體內氨同化和氨基酸合成的重要來源，是植物生理生化過程的重要營養物質[28]。土壤中的氮元素增加，為植物體合成氨基酸提供了豐富的氮源[9]。因此，氮沉降增加了毛竹筍中總氨基酸和必需氨基酸的質量分數，能夠促進人體氨基酸平衡，減少因氨基酸失衡所造成的代謝紊亂、機體抵抗力下降等問題[29]。此外，氨基酸種類、含量和比例對竹筍中蛋白質種類和含量有一定影響，從而影響竹筍的品質[30]。

其中，鮮味氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)和芳香類氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)[31]質量分數在高氮處理下顯著增加，說明過量氮沉降能提高毛竹筍的鮮味，使得竹筍的食用風味更好?？辔栋被?纈氨酸、異亮氨基酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸)[31]質量分數及比例在低氮下顯著降低，而甜味氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、絲氨酸)[31]質量分數及比例在氮沉降下顯著增加，表明適度的氮沉降有利于降低竹筍的苦澀味，增加甜味，從而提升其口感。

3.2 氮沉降對毛竹筍營養成分的影響

維生素C在增強體液免疫和細胞免疫方面具有顯著功效，還能用來預防感冒、延緩衰老和防治冠心病等[29]；粗纖維是影響竹筍食用口感的重要指標，在改善腸胃功能、降低血糖和膽固醇含量、防治腸癌和高脂血癥等方面也具有重要作用[9]；蛋白質在竹筍干物質組成中含量較高，同時也是生物體的主要組成部分和人體必需營養物質[32]；可溶性總糖是評價竹筍品質的重要指標[33]，也是人體能源物質的重要組成部分。

氮增加不僅有利于蔬菜、作物植株的生長發育，而且對提高果實產量、可溶性糖和蛋白質等營養成分、降低硝酸鹽積累具有重要作用，從而改善植株的品質[24]。而土壤中氮素供應過高時，在硝化細菌的作用下會轉化成硝酸根離子被蔬菜、作物等吸收。在植物體內積累過量硝酸鹽，會對植物自身生長造成危害或品質下降，人們食用后也會對健康造成潛在的危害[34]。

本研究發現：氮沉降促進了粗纖維和可溶性糖的積累，但降低了維生素C的質量分數。氮沉降下竹筍中粗纖維增加，與施肥促進粗纖維積累的研究結果相同[9]。膳食纖維作為“第七類營養素”，具有提高人體耐糖程度，降低膽固醇和刺激腸胃蠕動的作用[35?36]。氮沉降增加膳食纖維有助于改善竹筍品質。施肥促進竹筍中總糖的提高[37]，其原因可能是竹子的光合作用因氮增加而增強，從而增加了運往筍體的糖分，使得筍體內的總糖提高[26]。氮沉降使竹筍中維生素C總體下降，但高氮下維生素C較低氮相比呈顯著提高。其原因可能是，氮沉降使土壤中銨態氮硝態氮離子顯著提高，同時也會導致土壤中離子失衡，使得硫酸根離子、氯離子(Cl?)、磷酸一氫根離子積累，從而對竹筍維生素C的合成產生了一定的抑制作用，這與部分蔬菜的研究結果一致[38]。而離子濃度過高時，植物細胞離子通道會出現飽和現象，相關離子通道開放比率下降[39]。隨著氮沉降水平的提高，土壤中等離子濃度增加可能會使毛竹根系吸收這些離子的通道開放比率下降，從而降低其對竹筍中維生素C的抑制，故高氮下維生素C較低氮顯著提高。

3.3 氮沉降對毛竹筍礦質元素的影響

毛竹筍中這些元素含量之間存在明顯差異，且對氮增加的響應不同，而人體中元素的缺乏和過量可導致多種疾病。氮沉降顯著提高了硒、鐵和鈉質量分數，顯著降低了銅質量分數；錳、鈣和鎂質量分數在低氮下增加，在高氮下降低。硒的缺乏會造成克山病和大骨節病，而氮沉降提高毛竹筍中硒質量分數，這使得人們通過食用同等質量毛竹筍攝入的硒更多，降低了患克山病和大骨節病的可能性；鐵是造血元素，其含量的提高有助于食用者減少貧血、免疫力低、無力、頭痛等問題[40]；鈉元素缺乏會使人出現惡心、食欲不振、心率加快、肌肉痙攣等反應[40]，氮沉降對其含量的提高，有利于人體健康；成人每日可耐受銅的最高攝入量為8.0 mg·d?1[29]。本研究發現：氮沉降顯著降低了毛竹筍中銅質量分數，因而可以降低銅過量所引起的黃疸肝炎、肝硬化、腸胃炎、癌癥、Wilson病等疾病可能性[40]。氮沉降會影響土壤養分，同時影響土壤中鈣離子、鎂離子、鈉離子和鉀離子等鹽基離子[41]。竹筍中不同礦質元素的變化可能與此相關，從而影響筍體內礦質元素含量，而元素間存在拮抗作用，所以不同礦質元素變化不同。

4 結論

氮沉降顯著增加了毛竹筍中總氨基酸、必需氨基酸、甜味氨基酸、粗纖維、硒、鐵和鈉的質量分數，顯著降低了銅的質量分數，表明氮沉降提高毛竹筍的部分營養成分，可在一定程度上促進毛竹筍口感和營養品質的改善，有利于人體保健。