山東省大蒜有機元素檢測與分析

劉平香，張華勇，王文博，翁瑞，王玉濤，杜紅霞，王文正，秦宏偉

(1.山東省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所/山東省食品質量與安全檢測技術重點實驗室，山東 濟南 250100；2.齊魯工業大學(山東省科學院)生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東 濟南 250353；3.中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所/農業農村部農產品質量安全重點實驗室，北京 100081)

大蒜具有抗炎殺菌[1]、抗氧化[2]、預防癌癥[3]、減少膽固醇沉積[4]等多種生理功能，具有較高的藥用價值。 我國大蒜種植面積和總產量分別占世界的51.3%和78.8%[5]。 C、H、N、S 等有機元素是構成生命體的基礎元素，在不同物種間存在較大差異，如龍井茶中N 含量為2.36%[6]，而有機洋甘菊和薰衣草N 含量僅為1.66%[7]；同一物種的不同品種有機元素也會存在差異。 除內在因素外，環境等外因也會對生命體中有機元素的含量產生影響，如紅橙光有利于植物的碳代謝，而藍光有利于氮代謝[8]。 因此，品種以及生長環境等內外因素同樣也可能會對大蒜的碳氮代謝產生影響。 有機元素不僅可以用于產品的產地溯源[9]，還是食品營養品質的重要體現。 然而，目前針對大蒜的分析主要集中在無機元素[10]，有機元素研究極少，尤其是針對山東省不同品種及地區大蒜有機元素的分析目前還未見報道。

前期，課題組研究了我國6 個省份242 份大蒜樣品中29 種特征性成分的含量水平，發現我國大蒜內含物豐富，其中γ-L-谷氨酰-S-烯丙基-L-半胱氨酸(γ-L-glutamyl-S-allyl-L- cysteine，GSAC)、蒜氨酸和大蒜素平均含量可分別高達11 148、24 502、10 868 mg/kg Dw[11]。 美國藥典規定，大蒜中的蒜氨酸和GSAC 分別不得低于0.5%和0.2%(以干重計算)[12]；我國藥典規定大蒜中大蒜素含量不得低于0.15%(以鮮重計算)[13]。 目前大蒜中含硫化合物等特征成分的分析主要依賴大型儀器設備，具有準確度高、特異性好等優點，但一般需要進行前處理，分析速度相對較慢，時效性較差。 因此，建立大蒜品質快速評價方法，對促進我國大蒜高質量發展具有重要意義。大蒜中氨基酸和含硫化合物等成分可能與大蒜中C、H、N、S 等有機元素存在一定關聯。 基于現代有機元素分析儀(organic element analyzer，OEA)的有機元素分析法，可同時對樣品中C、H、N、S 元素的含量進行定量分析測定，目前已廣泛應用于環境學、化學和藥物學等領域，具有前處理簡單、檢測時間短、綠色環保等優點，可自動進樣，能夠進行連續大批量檢測，適用于大量樣品的快速檢測[14]。

本試驗以山東省65 個大蒜樣本為研究對象，分析不同地區及品種大蒜樣品中C、H、N、S 元素含量及差異，在此基礎上，分析有機元素與大蒜中主要含硫化合物含量水平的相關性，以期為大蒜中含硫化合物的預測評估提供一種新思路。

1 材料與方法

1.1 供試材料

為將大蒜中有機元素分析結果與課題組前期測得的含硫化合物進行相關性分析，本試驗所用樣品均為前期采集大蒜樣品制成的凍干粉[11]。樣品采集和處理方法及相關信息如下:共采集了山東省不同地區及品種共65 個大蒜樣品，所有樣品于2018 年7 月至9 月份采收，每個樣品不少于30 個鱗莖，采樣時記錄采樣地點、經緯度、海拔、大蒜品種等信息。 采樣地點包括濟寧市(15個)、濰坊市(15 個)、臨沂市(15 個)、萊蕪市(10個)、東營市(6 個)和濟南市(4 個)，采樣品種包括白皮四六瓣(17 個)、白皮雜交蒜(9 個)、糙蒜(6 個)、紅皮雜交蒜(12 個)、魯蒜一號(3 個)、蒲棵蒜(6 個)和其他品種大蒜(12 個)。 樣品采集后，除去鱗芽外衣，冷凍干燥后研磨成粉末待測。

1.2 試驗儀器與工作條件

有機元素分析儀:德國Elementar 公司Elementar Unicube，模式設為CHNS 模式；燃燒管溫度設為1 150℃；還原管溫度設為850℃。 高純氦氣(體積分數≥99.999%)作為載氣，氧氣(體積分數≥99.995%)作為助燃氣。

微量分析天平:瑞士梅特勒-托利多XPR2(最大稱重2.1 g；d ＝1 μg)。

1.3 測定指標與方法

GSAC、蒜氨酸和大蒜素含量數據:直接采用前期課題組Liu 等[11]的研究結果，主要用于本論文中有機元素與含硫化合物的相關性分析。

C、H、N、S 元素測定:分別準確稱取充分混勻的大蒜凍干粉5 mg(精確至0.001 mg)于錫舟中，封口后置于自動進樣盤中測定C、H、N、S 元素含量，以磺胺為標準品進行標準曲線的繪制和有機元素的定量分析。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013 進行柱狀圖的繪制；采用IBM SPSS Statistics 23 進行描述統計分析、箱圖繪制、單因素方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 山東省大蒜C、H、N、S 含量水平分析

如表1 所示，山東省65 個大蒜樣品中的C 含量為40.18%～43.37%，低于日常生活中廚余垃圾的C 含量水平(48%)[15]，表明大蒜中C 含量在人類日常食用食物中整體處于中等偏下的水平。Ahmad 等[16]研究發現，胡蘿卜中C 含量為13.1%；Ajayan 等[17]研究發現，不同種類海藻中的C 含量為18.11%～38.43%。 與普通蔬菜相比，大蒜中的C 含量相對較高，究其原因，可能與大蒜含有豐富的糖類化合物相關，鮮蒜中的糖類化合物高達26%～30%[18]，是形成黑蒜等深加工產品的重要物質基礎。

表1 山東省大蒜有機元素含量水平 (%)

山東大蒜中的H 含量為6.07%～6.59%，與新鮮荔枝皮(6%)[19]、廚余垃圾(6.4%)[15]、不同種類茶葉(5.78%～6.24%)[7]中H 元素含量相當，但低于山芋種子中H 含量(7.45%)[7]。

山東大蒜中N 含量為2.03%～3.39%，與廚余垃圾中N 含量(2.6%) 接近[15]，但高于板栗(1.06%～1.66%)[20]、新鮮荔枝皮(1%)[19]等基質中的N 含量。 農產品中N 的含量主要與蛋白質、游離氨基酸等化合物含量水平相關。 相對于其他蔬菜類產品，大蒜中的蛋白質含量相對較高，根據《中國食物成分表》分析，脫水大蒜和鮮蒜中的蛋白質含量分別為13.2%和4.5%～5.2%[21]，是大蒜重要的品質成分，我國大部分大蒜產品標準及部分名特優新農產品將蛋白質作為其品質評價的指標之一。 大蒜中20 種游離氨基酸總含量高達0.92%～6.78%(以干重計)[11]，參與黑蒜、黑蒜汁等大蒜深加工產品中美拉德反應，對大蒜深加工品質具有重要影響。 此外，大蒜中還含有豐富的蒜氨酸、GSAC 等含氮的特征性化合物，二者含量最高可達4.7%和2.5%(以干重計)。 因此，大蒜中N 元素的含量可以間接反應大蒜整體質量水平。

含硫化合物是大蒜等辛辣蔬菜的特征性化合物，大蒜中7 種風味前體物質的平均總含量達3.7%(以干重計)[22]，因此，大蒜中的S 元素相對較高，為0.61%～1.23%，平均值為0.83%。 研究發現，廚余垃圾中的S 含量僅為0.4%[15]；山芋種子和新鮮荔枝皮中的S 含量分別為0.51%[23]和0.6%[19]；草藥茶中的S 含量為0.19%～0.52%[7]，均低于大蒜中S 含量水平。 Choi 等[24]通過分析韓國55 個采樣點共163 個大蒜樣品發現，韓國大蒜中的S 含量為0.48%～0.90%(以干重計)，略低于山東省大蒜S 的含量水平。

大蒜中C 和H 元素含量的相對標準偏差(RSD)較小，均小于1.5%，而N 和S 元素含量的RSD 相對較大，均大于10%，尤其是S 元素的RSD 高達16.13%。 表明環境、品種等因素對大蒜的初生代謝影響相對較小，然而光照、溫度等因素對植物的次生代謝影響較大[25]，導致大蒜中的蒜氨酸等特征性化合物含量水平差異較大，因此N和S 含量的相對標準偏差較大。

2.2 山東省不同地區大蒜C、H、N、S 含量水平差異分析

從圖1 可以看出，東營和濰坊大蒜中的C 含量較高，分別為41.83% ～42.42%和41.53% ～43.37%，顯著高于濟寧大蒜(40.72%～42.22%)。臨沂大蒜中H 元素含量平均為6.37%，顯著高于濟寧大蒜(6.24%)。 雖然山東省不同地區間大蒜C 和H 元素含量水平存在差異，但整體差距較小。 而N 和S 元素在部分地區間差距相對較大。濰坊和臨沂大蒜樣品中的平均N 含量均為2.94%，顯著高于濟寧大蒜(2.59%)。 S 元素在不同地區間的分布規律與N 元素較為一致，其在臨沂、濰坊和東營大蒜中的含量(0.89%～0.90%)顯著高于濟寧大蒜(0.71%)。

圖1 山東省不同地區大蒜有機元素分布箱圖

2.3 山東省不同品種大蒜C、H、N、S 含量水平差異分析

從圖2 可以看出，有機元素含量在品種間存在顯著差異。 其中，魯蒜一號是濟南航天農業發展有限公司培育的大蒜品種，不僅具有蒜薹、蒜頭上市早、產量高的特點，還具有抗寒抗凍、抗重茬、蒜頭個大、皮厚、品質優等優點[26]。 本研究表明，魯蒜一號大蒜中4 種有機元素含量均較高，C、H、N、S平均含量分別高達42.30%、6.34%、3.22%、0.99%，表明該品種大蒜有機內含成分豐富。 前期研究發現，魯蒜一號中GSAC(分子式為C11H18N2O5S)含量為2.03%～2.45%，高于我國大蒜的平均含量水平(1.11%)[11]。因此，魯蒜一號中N、S 等元素含量較高可能是由于GSAC 含量高引起，即有機元素與大蒜特征性成分存在一定關聯。 除魯蒜一號外，蒲棵蒜中S 元素含量也相對較高，平均含量為0.96%。紅皮雜交蒜中4 種有機元素含量均較低。

圖2 山東省不同品種大蒜有機元素含量

2.4 山東省大蒜有機元素及主要含硫化合物相關性分析

大蒜的主要功能成分為含硫化合物，包括GSAC、蒜氨酸和大蒜素等。 其中，GSAC 為蒜氨酸的前體，二者均為大蒜的風味前體物質。 完整的大蒜中不含大蒜素等風味物質，大蒜細胞破碎后，蒜氨酸等S-烷(烯)基-L-半胱氨酸亞砜類化合物極易與蒜氨酸酶(EC 4.4.1.4)反應生成大蒜素等硫代亞磺酸酯類物質，并產生辛辣味。GSAC、蒜氨酸和大蒜素對人體有重要的生理功能。 研究表明，GSAC 具有抗糖基化[27]、抑制肝纖維化[28]、提高人體對必需微量元素的生物利用率[29]等生理活性，蒜氨酸能抑制糖尿病并發癥[30]，大蒜素具有較強的抗菌、抗病毒以及消炎作用[31]。

通過分析不同品種間大蒜有機元素與含硫化合物含量的相關性(表2)發現，有機元素N 和S存在較強的正相關性(r ＝0.53，P＜0.01)，因此推測大蒜的氮代謝與硫代謝可能存在正相關，有利于氮代謝的外界環境可能也有助于硫的代謝。 此外，N 元素與GSAC 存在較強的正相關性(r ＝0.76，P＜0.01)；S 元素與GSAC、蒜氨酸和大蒜素也均存在較強的正相關性，相關系數分別為0.66、0.55和0.52；C 和H 元素與3 種含硫化合物的相關性相對較低。 因此，N 和S 元素可能會成為預測大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指標，有望通過有機元素的檢測實現大蒜品質的快速評價。

表2 山東省大蒜有機元素與主要含硫化合物相關性分析

3 討論與結論

與其他食物相比，山東省大蒜中C、H 和N 元素整體處于中等水平，但S 元素含量遠高于平均水平，可能與大蒜中硫化合物含量較高相關；與一般蔬菜相比，大蒜中的C、N、S 含量均較高，可能與糖類化合物、蛋白質、氨基酸以及含硫化合物等存在一定的正相關性。 本研究結果表明，供試大蒜中C、H 、N、S 含量在地區間及品種間存在顯著差異。 其中，東營、臨沂和濰坊大蒜有機元素豐富，濟寧大蒜則相反。 不同地區間元素的差異可能是由于不同的生長環境導致的。 值得注意的是，濟寧大蒜中C、H、N、S 元素含量均較低，推測可能是由于其他元素(鉀、鎂等礦物質元素等)含量較高的原因，具體原因還有待進一步研究。 本研究采集大蒜均為山東省大蒜，維度跨度較小，在分析不同產地環境對有機元素影響時可能會有一定的偶然性，因此，下一步應對全國范圍內大蒜主產區的樣品進行有機元素的檢測與分析。 此外，本研究發現，魯蒜一號大蒜中C、H、N、S 含量均較豐富，品質優良，加之優良的生物學性狀和較高的經濟效益，可作為一個優選品種。 但應注意的是，本研究中的魯蒜一號樣品均采自東營市，在以后的研究中需進一步對魯蒜一號在不同產地環境中的表現進行分析，篩選出魯蒜一號的最佳生長環境，從而進一步放大品種優勢。 相關性分析表明，N 和S 元素與大蒜中主要的含硫化合物存在正相關性，可以作為預測大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指標，今后可進一步加大樣品量，采用多元數據統計分析等方式建立大蒜中特征性含硫化合物的預測模型，從而為大蒜品質的快速評價提供新方法。