不同種植方式大米中碳氮同位素比率與礦質元素特征及加工影響

劉亦鳴,李春霖,張衛星,聶晶,張永志,許鳳,袁玉偉*

1(寧波大學 食品與藥學學院,浙江 寧波,315211) 2(浙江省農業科學院 農產品質量安全與營養研究所,浙江 杭州,310021) 3(農業農村部農產品信息溯源重點實驗室,浙江 杭州,310021)4(中國水稻研究所,浙江 杭州,310006)

全球水稻產區主要分布在亞洲,播種面積約占全球的90%,產量約占全球的91%,最主要分布在中國。稻米中富含礦質元素,它在人體中有著重要的作用。通常糙米中人體所需礦質元素更為豐富, 糙米再度深加工碾去米糠, 造成部分礦質元素損失[1-2], 得到市場常見的精米[3]。目前常見的種植方式為有機栽培、綠色栽培和常規栽培。有機栽培是基于無農藥、無化肥、無抗生素的一種天然種植方式。綠色栽培是用綠色植物肥料和堆肥、合成肥料,不使用任何化學添加劑的栽培方式。常規栽培為允許使用化學肥料、化學合成農藥的栽培方式。根據WS/T 578.2—2018《中國居民膳食營養素參考攝入量 第2部分：常量元素》和WS/T 578.3—2017《中國居民膳食營養素參考攝入量 第3部分：微量元素》對11種礦質元素進行分析,糙米制備成精米會使其礦質元素發生不同程度的流失,目前不同栽培方式對大米中穩定同位素和礦質元素影響研究較少。不同種植方式對稻米穩定同位素特征指示和礦質元素有一定影響,研究不同種植方式和加工程度對大米穩定同位素與礦質元素影響,對產品認證識別檢測和不同栽培方式下大米營養評價非常重要。

穩定同位素可隨生長環境發生變化[4],這可以反映植物生長過程中環境因素的差異[5-7]。植物體內δ13C、δ15N受到整體生長環境的影響[8-10],特別是δ15N易受到肥料及土壤環境等影響,使植物體內碳氮穩定同位素發生不同狀態的分餾[11-12],施用不同肥料對3種栽培條件下大米碳氮穩定同位素有不同的影響,可以利用這種變化影響探討大米穩定同位素變化特征。近些年,設計驗證試驗探討大米中穩定同位素影響因素方面已有良好進展。LI等[13]發現沼氣施用量越高,稻米δ15N值越高。δ13C在不同施肥處理間差異不大。CHUNG等[14]發現水稻δ13C受復雜碳循環的影響,動物糞便、合成肥料以及農用化學品均會影響水稻的微生物活性,使其呈現不同的特征。現已有研究表明糙米中礦質元素高于精米。孫開奇等[15]發現京西稻糙米中鎂、磷、鉀、錳含量遠高于精米, 糙米中鈣、鈉、鐵含量略高于精米, 而糙米中鋅和銅含量略低于精米,京西稻糙米中微量礦物質元素的礦質營養價值遠大于再度深加工碾去米糠得到的精米。HU等[16]在試驗中,對糙米和精米進行了測試,結果為糙米礦物質含量比精米高,特別是鎂、鐵和錳。

本試驗以稻米為研究對象,選取有機、綠色和常規3種栽培條件下精米和糙米,對3種栽培條件下糙米與精米δ13C、δ15N及11種礦質元素含量進行測定,探究不同種植方式下糙米與精米穩定同位素和礦物元素特征變化及加工影響,為糙米及精米認證產品檢測及不同栽培方式下大米營養評價提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用的稻米均來自丹陽市,栽培方式為有機栽培、綠色栽培、常規栽培,品種均為小陽粳,根據稻米加工類型分為精米和糙米2種。在3個相鄰試驗田中種植水稻樣品,并使用相同的水源灌溉從而消除環境變量的影響。有機水稻種植區肥料選用油菜餅。綠色水稻種植以每667 m2施15 kg氮磷鉀復合肥、10 kg油菜餅和尿素。常規水稻種植以每667 m2施20 kg復合肥和15 kg尿素。

1.2 樣品收集和處理

水稻成熟后,取樣品18份(有機6份、綠色6份、常規6份)。穩定同位素和礦物多元素在檢測之前,將樣品放入糙米機制備成糙米,再將糙米放入精米機制備成精米后入粉碎機進行粉碎處理,精米9份(有機3份、綠色3份、常規3份)、糙米9份(有機3份、綠色3份、常規3份),共18份樣品,過60目篩后裝入樣品袋,待測。

1.3 儀器與設備

XP6型天平,瑞士Mettler-Toledo公司;Vario PYRO cube、Vario Isotope cube型元素分析儀、Isoprime 100型、Biovision穩定同位素比率質譜儀,德國Elementar公司;CEM Mars 5微波消解儀,美國CEM公司;Thermo Fisher X-series Ⅱ 電感耦合等離子體質譜儀,美國熱電公司;HR2864粉碎機,美國飛利浦公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 碳、氮穩定同位素檢測

參照邵圣枝等[17]的方法,取大約3.0～4.0 mg待測樣,用錫箔杯包好后放至元素分析儀樣品盤中,樣品中的碳元素和氮元素轉化為純凈的CO2和N2氣體后,進入同位素質譜儀檢測。具體條件：元素分析儀氦氣吹掃流量為230 mL/min;氧化爐和還原爐溫度分別為1 020 ℃和650 ℃,進入質譜儀載氣氦氣流量為100 mL/min。穩定性同位素比率計算如公式(1)所示：

δ/‰=[(R樣品/R標準)-1]×1 000

(1)

式中：R樣品為所測樣品中重同位素與輕同位素的豐度比,即13C/12C、15N/14N;R標準為標準樣品中重同位素與輕同位素的豐度比,其中δ13C的相對標準為VPDB,δ15N的相對標準為Air。

穩定同位素δ13C標準物質：B2155(蛋白質,δ13C VPDB=-26.98‰,國際原子能機構)、IAEA-CH-6(蔗糖,δ13C VPDB=-10.45‰,國際原子能機構)、USGS64(甘氨酸,δ13C V-PDB=-40.8‰,美國地質勘探局)。

穩定同位素δ15N標準物質：B2155(蛋白質,δ15N Air=5.94‰,國際原子能機構)、IAEA-N-2(硫酸銨,δ15N Air=20.30‰,國際原子能機構)、USGS64(甘氨酸,δ15N Air VPDB=1.76‰,美國地質勘探局)。

1.4.2 礦質元素檢測

稱取0.3 g左右的稻米樣品于微波消解內罐,分別向每個消解罐中加入7.0 mL硝酸,輕輕搖動溶液樣杯讓樣本和酸混勻;在將消解罐置于GT-400中進行120 ℃、30 min的預處理熱消解過程,直至黃煙冒盡(預處理過程中需打開密封塞),并冷卻至室溫;擦干溶樣杯外壁,杯身完全置于套筒內,擰緊密封蓋,將消解罐按照規范放入微波消解儀轉盤中并選擇相關消解模式進行消解;儀器消解過程結束或儀器自動降溫至60 ℃以下后,可將消解罐取出,按照拆卸流程取出罐內溶樣杯;將溶樣杯放入GT-400趕酸,設置溫度為180 ℃,時間為30 min,趕酸至剩余液體量為5 mL左右;待趕酸結束冷卻至室溫,將消解罐的溶液轉移到樣品杯中,加純水定容至25 mL后上ICP-MS進行測定。

1.5 數據處理

數據采用SPSS 24(美國IBM公司)軟件對試驗數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA),結果以Mean±SD表示,并采用Origin 2019b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 有機栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量特征

有機栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量結果見表1。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.0‰和4.1‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.1‰和4.2‰,有機栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。精米和糙米11種礦質元素的含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3種礦質元素和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,Na、Ca、Mn等6種礦質元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Ca、Mn 4種礦質元素顯著高于精米(P值小于0.05),其余7種礦質元素在2種稻米間含量差異性不顯著;精米Na礦質元素含量高于糙米,Mo、Cu 2種元素不明顯,糙米加工成精米后,礦質元素減少了42%。

表1 有機栽培下精米和糙米穩定同位素與礦質元素平均值與標準差Table 1 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under organic cultivation

2.2 綠色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量特征

綠色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量結果見表2。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.9‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和4.5‰,綠色栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。其中Cr、Ni、Mo 3種礦質元素含量和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5種礦質元素含量為1～100 mg/kg,糙米中有6種元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Mn 3種礦質元素含量顯著高于精米(P<0.05),其余8種礦質元素在2種稻米間含量差異性不顯著,精米由糙米脫皮除糠后礦質元素損失了40%。

表2 綠色栽培下精米和糙米穩定同位素與礦質元素平均值與標準差Table 2 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished andbrown rice under green cultivation

2.3 常規栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量特征

常規栽培下精米和糙米δ13C、δ15N與礦質元素含量結果見表3。糙米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.7‰,精米δ13C、δ15N平均值分別為-27.5‰和3.7‰,常規栽培下的糙米和精米δ13C、δ15N不存在顯著性差異。精米和糙米中11種礦質元素含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3種礦質元素和精米中Fe元素含量較低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5種礦質元素含量為1～100 mg/kg,糙米中有6種元素含量為1～100 mg/kg,Mg、K 2種元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Fe、Mn 4種礦質元素含量顯著高于精米(P<0.05),其余7種礦質元素在2種稻米間含量差異性不顯著;精米各元素含量均低于糙米,精米在糙米脫皮除糠后礦質元素損失了54%。

表3 常規栽培下精米和糙米穩定同位素與礦質元素平均值與標準差Table 3 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under conventional cultivation

2.4 不同栽培方式下精米和糙米同位素礦物元素差異

精米在3種栽培方式下δ13C和δ15N分布圖(圖1-a),精米δ13C分布為-27.7‰～-26.9‰,δ15N分布為3.7‰～4.9‰。δ13C在有機和綠色栽培下差異顯著,且有機栽培下δ13C值最高,綠色栽培下最低。δ15N在綠色與常規栽培下差異顯著,在綠色栽培下δ15N值最高,常規栽培下最低。精米在3種栽培條件下穩定同位素與礦物元素含量見表4。Na、Mg、K、Mo 4種元素存在顯著性差異,Na在有機栽培下含量最高,綠色栽培下最低,Mg和Mo在綠色栽培下含量最高,常規栽培下最低,K在綠色栽培下含量最高,有機栽培下最低。Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn含量均無顯著性差異。

a-δ13C特征;b-δ15N特征圖1 精米與糙米在3種栽培條件下δ13C和δ15N特征

表4 不同栽培條件下精米和糙米礦質元素平均值與標準差 單位：mg/kg

糙米在3種栽培方式下δ13C和δ15N分布圖(圖1-b),糙米δ13C分布為-27.8‰～-26.9‰,δ15N分布為3.4‰～4.7‰。δ13C和δ15N在各栽培條件下均無顯著差異。糙米在3種栽培條件下穩定同位素與礦物元素含量見表4,K和Mn 2種元素存在顯著性差異。K和Mn在常規栽培下含量最高,有機栽培下最低。其余元素間均無顯著性差異。

3 討論

精米中δ13C在有機和綠色栽培下差異顯著,δ15N在綠色與常規栽培下差異顯著。糙米中δ13C和δ15N在各栽培條件下均無顯著差異,這與其在生長過程中外界環境、肥料種類及用量等均相同有一定的關系,YUAN等[18]發現在有機、綠色和常規水稻中有機δ15N更為豐富,但卻更缺乏δ13C,CHUNG等[19]用δ13C和δ15N將環保型水稻和常規水稻成功區別。不同栽培方式δ13C和δ15N具有一定特征性,這與近幾年來在大米領域的研究結果相似[20]。由于不同肥料中δ15N值不同,使水稻植株內發生同位素分餾影響不同,對大米δ15N影響也不同,從而產生差異[21];不同肥料對氮同位素分餾產生不同影響,從而影響植物的生理生態的代謝活動[22],使植物碳同位素發生不同程度的分餾。糙米具有糠層、胚芽和胚乳,精米只有胚乳,說明了胚乳可以直接反映δ13C和δ15N穩定同位素之間的差異性,而加上糠層和胚芽后則不顯示差異性,所以測量稻米同位素差異性應對稻米的胚乳進行檢測。LIU等[20]利用同位素對同一產地有機、綠色和常規栽培下的精米進行區分。公維民等[23]選用均為拋光處理的精米討論我國大米碳氮穩定同位素比率特征及溯源應用,這也說明了利用穩定同位素對大米進行判別時要用精米,精米比糙米可以更好地反映穩定同位素特征。

稻米中具有人體必須的礦質元素,本研究發現大米中各種礦質元素含量分布不均勻,不同種植方式下糙米加工成精米后,有機栽培下礦質元素損失了42%,綠色栽培下損失了40%,常規栽培下損失了54%。精米在有機、綠色和常規栽培下Na、Mg、K、Mo 4種元素含量差異顯著,有機栽培下礦質元素含量最高;糙米在3種栽培下K和Mn含量差異顯著,常規栽培下糙米礦物元素含量最高,高于有機、綠色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。K礦質元素含量最高,Mg、Ca 2種元素含量較高,均高于10 mg/kg,Ni元素含量最低,Cr、Mo 2種元素含量較低,均低于1 mg/kg。精米中Mg、K、Mn元素含量顯著低于糙米,表明這些礦質元素從糙米加工成精米所脫下的糠層和胚芽中含量很高。研究結果與張蘭等[24]發現稻谷在加工過程中Ca、K、Na等元素含量都有明顯的流失,稻米加工成為精米后總營養成分流失約66%這一研究結果相似。因此從營養角度來說,糙米因其豐富的礦質元素比精米更適合人們食用,經常性食用糙米可以有效緩解人類的礦物質缺乏。

4 結論

本研究結果認為,精米δ13C在有機和綠色栽培下差異顯著,δ15N在綠色與常規栽培下差異顯著;糙米δ13C和δ15N在各栽培條件下均無顯著差異,利用穩定同位素對大米進行判別時,精米比糙米可以更好地反映穩定同位素特征,LIU等[25]對糙米加工成的精米進行穩定同位素檢測,該結論可為檢測大米穩定同位素提供更加準確、有效的依據,進一步支持本文結論;常規栽培下糙米礦物元素含量最高,總體高于有機和綠色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。糙米加工成精米后,有機大米中礦質元素減少42%,綠色大米礦質元素損失40%,常規大米礦質元素下降54%。該研究初步揭示了不同栽培條件下糙米與精米穩定同位素和礦質元素變化及加工影響,為科學評價大米中礦質元素含量和指導消費提供科學依據。