山東省大蒜有機(jī)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/山東省食品質(zhì)量與安全檢測技術(shù)重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250100；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物基材料與綠色造紙國家重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250353；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實驗室，北京 100081)

大蒜具有抗炎殺菌[1]、抗氧化[2]、預(yù)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(chǎn)量分別占世界的51.3%和78.8%[5]。 C、H、N、S 等有機(jī)元素是構(gòu)成生命體的基礎(chǔ)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(jī)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(jī)元素也會存在差異。 除內(nèi)在因素外，環(huán)境等外因也會對生命體中有機(jī)元素的含量產(chǎn)生影響，如紅橙光有利于植物的碳代謝，而藍(lán)光有利于氮代謝[8]。 因此，品種以及生長環(huán)境等內(nèi)外因素同樣也可能會對大蒜的碳氮代謝產(chǎn)生影響。 有機(jī)元素不僅可以用于產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源[9]，還是食品營養(yǎng)品質(zhì)的重要體現(xiàn)。 然而，目前針對大蒜的分析主要集中在無機(jī)元素[10]，有機(jī)元素研究極少，尤其是針對山東省不同品種及地區(qū)大蒜有機(jī)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(fā)現(xiàn)我國大蒜內(nèi)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(dá)11 148、24 502、10 868 mg/kg Dw[11]。 美國藥典規(guī)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(guī)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(shè)備，具有準(zhǔn)確度高、特異性好等優(yōu)點(diǎn)，但一般需要進(jìn)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(zhì)快速評價方法，對促進(jìn)我國大蒜高質(zhì)量發(fā)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(jī)元素存在一定關(guān)聯(lián)。 基于現(xiàn)代有機(jī)元素分析儀(organic element analyzer，OEA)的有機(jī)元素分析法，可同時對樣品中C、H、N、S 元素的含量進(jìn)行定量分析測定，目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)境學(xué)、化學(xué)和藥物學(xué)等領(lǐng)域，具有前處理簡單、檢測時間短、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可自動進(jìn)樣，能夠進(jìn)行連續(xù)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(qū)及品種大蒜樣品中C、H、N、S 元素含量及差異，在此基礎(chǔ)上，分析有機(jī)元素與大蒜中主要含硫化合物含量水平的相關(guān)性，以期為大蒜中含硫化合物的預(yù)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(jī)元素分析結(jié)果與課題組前期測得的含硫化合物進(jìn)行相關(guān)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(guān)信息如下:共采集了山東省不同地區(qū)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(diǎn)、經(jīng)緯度、海拔、大蒜品種等信息。 采樣地點(diǎn)包括濟(jì)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(jì)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(jī)元素分析儀:德國Elementar 公司Elementar Unicube，模式設(shè)為CHNS 模式；燃燒管溫度設(shè)為1 150℃；還原管溫度設(shè)為850℃。 高純氦氣(體積分?jǐn)?shù)≥99.999%)作為載氣，氧氣(體積分?jǐn)?shù)≥99.995%)作為助燃?xì)狻?/p>

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(biāo)與方法

GSAC、蒜氨酸和大蒜素含量數(shù)據(jù):直接采用前期課題組Liu 等[11]的研究結(jié)果，主要用于本論文中有機(jī)元素與含硫化合物的相關(guān)性分析。

C、H、N、S 元素測定:分別準(zhǔn)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(jìn)樣盤中測定C、H、N、S 元素含量，以磺胺為標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制和有機(jī)元素的定量分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行柱狀圖的繪制；采用IBM SPSS Statistics 23 進(jìn)行描述統(tǒng)計分析、箱圖繪制、單因素方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(fā)現(xiàn)，胡蘿卜中C 含量為13.1%；Ajayan 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)，鮮蒜中的糖類化合物高達(dá)26%～30%[18]，是形成黑蒜等深加工產(chǎn)品的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 山東省大蒜有機(jī)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(dāng)，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(zhì)中的N 含量。 農(nóng)產(chǎn)品中N 的含量主要與蛋白質(zhì)、游離氨基酸等化合物含量水平相關(guān)。 相對于其他蔬菜類產(chǎn)品，大蒜中的蛋白質(zhì)含量相對較高，根據(jù)《中國食物成分表》分析，脫水大蒜和鮮蒜中的蛋白質(zhì)含量分別為13.2%和4.5%～5.2%[21]，是大蒜重要的品質(zhì)成分，我國大部分大蒜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及部分名特優(yōu)新農(nóng)產(chǎn)品將蛋白質(zhì)作為其品質(zhì)評價的指標(biāo)之一。 大蒜中20 種游離氨基酸總含量高達(dá)0.92%～6.78%(以干重計)[11]，參與黑蒜、黑蒜汁等大蒜深加工產(chǎn)品中美拉德反應(yīng)，對大蒜深加工品質(zhì)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(dá)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(yīng)大蒜整體質(zhì)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(fēng)味前體物質(zhì)的平均總含量達(dá)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(fā)現(xiàn)，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(diǎn)共163 個大蒜樣品發(fā)現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)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(dá)16.13%。 表明環(huán)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)偏差較大。

2.2 山東省不同地區(qū)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(jì)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(jì)寧大蒜(6.24%)。 雖然山東省不同地區(qū)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(qū)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(jì)寧大蒜(2.59%)。 S 元素在不同地區(qū)間的分布規(guī)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(jì)寧大蒜(0.71%)。

圖1 山東省不同地區(qū)大蒜有機(jī)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(jī)元素含量在品種間存在顯著差異。 其中，魯蒜一號是濟(jì)南航天農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司培育的大蒜品種，不僅具有蒜薹、蒜頭上市早、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，還具有抗寒抗凍、抗重茬、蒜頭個大、皮厚、品質(zhì)優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)[26]。 本研究表明，魯蒜一號大蒜中4 種有機(jī)元素含量均較高，C、H、N、S平均含量分別高達(dá)42.30%、6.34%、3.22%、0.99%，表明該品種大蒜有機(jī)內(nèi)含成分豐富。 前期研究發(fā)現(xiàn)，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(jī)元素與大蒜特征性成分存在一定關(guān)聯(lián)。 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(jī)元素含量均較低。

圖2 山東省不同品種大蒜有機(jī)元素含量

2.4 山東省大蒜有機(jī)元素及主要含硫化合物相關(guān)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(fēng)味前體物質(zhì)。 完整的大蒜中不含大蒜素等風(fēng)味物質(zhì)，大蒜細(xì)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(yīng)生成大蒜素等硫代亞磺酸酯類物質(zhì)，并產(chǎn)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(fā)癥[30]，大蒜素具有較強(qiáng)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(jī)元素與含硫化合物含量的相關(guān)性(表2)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)元素N 和S存在較強(qiáng)的正相關(guān)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(guān)，有利于氮代謝的外界環(huán)境可能也有助于硫的代謝。 此外，N 元素與GSAC 存在較強(qiáng)的正相關(guān)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(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)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(guān)性相對較低。 因此，N 和S 元素可能會成為預(yù)測大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指標(biāo)，有望通過有機(jī)元素的檢測實現(xiàn)大蒜品質(zhì)的快速評價。

表2 山東省大蒜有機(jī)元素與主要含硫化合物相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)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(yuǎn)高于平均水平，可能與大蒜中硫化合物含量較高相關(guān)；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(zhì)、氨基酸以及含硫化合物等存在一定的正相關(guān)性。 本研究結(jié)果表明，供試大蒜中C、H 、N、S 含量在地區(qū)間及品種間存在顯著差異。 其中，東營、臨沂和濰坊大蒜有機(jī)元素豐富，濟(jì)寧大蒜則相反。 不同地區(qū)間元素的差異可能是由于不同的生長環(huán)境導(dǎo)致的。 值得注意的是，濟(jì)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(zhì)元素等)含量較高的原因，具體原因還有待進(jìn)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(chǎn)地環(huán)境對有機(jī)元素影響時可能會有一定的偶然性，因此，下一步應(yīng)對全國范圍內(nèi)大蒜主產(chǎn)區(qū)的樣品進(jìn)行有機(jī)元素的檢測與分析。 此外，本研究發(fā)現(xiàn)，魯蒜一號大蒜中C、H、N、S 含量均較豐富，品質(zhì)優(yōu)良，加之優(yōu)良的生物學(xué)性狀和較高的經(jīng)濟(jì)效益，可作為一個優(yōu)選品種。 但應(yīng)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(jìn)一步對魯蒜一號在不同產(chǎn)地環(huán)境中的表現(xiàn)進(jìn)行分析，篩選出魯蒜一號的最佳生長環(huán)境，從而進(jìn)一步放大品種優(yōu)勢。 相關(guān)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(guān)性，可以作為預(yù)測大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指標(biāo)，今后可進(jìn)一步加大樣品量，采用多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方式建立大蒜中特征性含硫化合物的預(yù)測模型，從而為大蒜品質(zhì)的快速評價提供新方法。