5省份西瓜特征元素營養水平的分析與評價

摘要：

以中國5省份共113份西瓜果實樣品為研究對象， 參照GB 5009.268—2016、 通過ICP-MS開展了樣品中13種礦物元素的定量分析， 綜合Kruskal-Wallis秩和檢驗、 相關性分析、 PCA分析、 RNI貢獻率等方法， 開展了5省份西瓜特征元素及其營養水平的分析與評價。 結果表明： 新疆西瓜的特征元素為Mo、 Sr、 Ti、 Sn； 廣西西瓜的特征元素為Mn、 Ba、 Co、 Zn、 Fe； 海南和江蘇西瓜的特征元素為B和Be； 山東與其他4省份西瓜13種元素含量差異幅度相對較低。 西瓜中Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo的兒童、 成人男性RNI貢獻率相對較高， 均在1%以上； 西瓜中Zn的女性RNI貢獻率高于1%； 廣西、 山東和新疆Mn、 Fe、 Mo的營養水平相對較高。 西瓜中Fe、 Zn、 Se的RNI貢獻率水平與各產區土壤元素背景值有關聯。 綜合顯示： 不同省份西瓜特征元素及其營養水平有所不同， 可根據該差異， 促進和支撐西瓜的營養膳食及不同省份西瓜產業的差異化、 多元化發展。

關"鍵"詞：西瓜； 礦物元素； 營養水平； PCA分析

中圖分類號：S641

文獻標志碼：A

文章編號：16739868（2025）04009011

Analysis and Evaluation of Nutritional Levels of

Characteristic Elements of Watermelons from 5 Provinces

WANG Xiaoting^1，2，"SHEN Qi²，"Wujisiguleng^1，2，"KANG Qi^1，2，

PAN Juxiu^1，2，"HE Weizhong²，"WANG Cheng³

1."College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China；

2."Institute of Agricultural Quality Standards and Testing Technology， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences/

Laboratory of Agricultural Product Quality and Safety Risk Assessment， Ministry of Rural Agriculture/

Key Laboratory of Functional Nutrition and Health of Characteristic Agricultural Products in Desert Oasis

Ecological Zone （Jointly Built by Ministry of Agriculture and Rural Affairs）/Key Laboratory of Quality and

Safety of Xinjiang Agricultural Products， Urumqi 830091， China；

3."Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091， China

Abstract：

A total of 113 watermelon fruit samples from 5 provinces were taken as the research object， and the quantitative analysis of the contents of 13 mineral elements of the samples was carried out by ICP-MS with reference to GB 5009.268—2016， and then the characteristic elements and their nutritional levels were analyzed and evaluated by combining Kruskal-Wallis rank sum test， correlation analysis， PCA analysis， RNI contribution rate and other methods． The characteristic elements of watermelon in Xinjiang were Mo， Sr， Ti and Sn， in Guangxi were Mn， Ba， Co， Zn and Fe， and in Hainan and Jiangsu were B and Be， while the differences in 13 elements between Shandong and other provinces was relatively low． The RNI contribution rates of Fe， Zn， Se， Mn and Mo of watermelon for children and adult males were relatively higher， all at more than 1%， while and the RNI contribution rate of Zn of watermelon for female was higher than 1%， The nutritional levels of Mn， Fe and Mo in Guangxi， Shandong and Xinjiang watermelons were relatively high． The RNI contribution rates of Fe， Zn and Se of watermelon were correlated with the background values of soil elements in each producing area． The characteristic elements and nutritional levels of watermelon in different provinces are different， which can be used as reference to promote and support the nutritious diet of watermelon and the differentiated and diversified development of watermelon industry in different provinces．

Key words：

watermelon； mineral element； nutritional Levels； PCA analysis

中國是世界西瓜種植大國， 年產量超過1億t， 并逐年遞增^［1-2］。 中國種植西瓜的省份較多， 涉及新疆、 山東、 廣西、 江蘇、 海南等^［3-4］， 分析探討不同省份西瓜的特征元素及其營養水平， 可在支撐西瓜營養膳食的同時， 促進不同省份西瓜的差異性、 多元化發展。 目前， 多位學者已經根據元素含量， 開展了多種農產品或食品特征元素的研究與報道。 有報道顯示， 不同產區藜麥的特征元素為Mg、 P、 Fe、 Se、 Cd、 Mn、 Ba、 Co^［5］； 不同產區香梨中的特征元素為Cu、 Ni、 Na、 B、 Ca、 As、 Y、 Au、 Sr^［6］； 不同產區葡萄酒中特征元素是⁶Li、 ⁷Li、 ¹⁰B、 ¹¹B、 Mg、 P、 Zn等^［7］。 此外， 也有不同產區蕎麥粉^［8］、 大白刺果^［9］、 黃芪^［10］、 當歸^［11］、 葡萄^［12］等特征元素的研究與探討。 礦物元素每日推薦攝入量（recommended nutrient intake， RNI）指滿足某一特定性別、 年齡及身體狀況人群中97%～98%個體需要量的推薦攝入水平^［13］， 可用于評估特定條件下個體的營養素攝入水平是否充分^［14-15］， 有利于從營養水平上揭示不同產區農產品或食品主要成分的營養特點。 基于此， 國內外多位學者通過RNI先后開展了不同農產品中元素營養水平的研究與探討， 涉及的農產品包括紅果參^［16］、 柑橘^［17］、 莧菜^［18］、 藜麥^［18］、 蕎麥^［18］等。 目前還鮮見利用綜合特征元素及RNI開展對不同省份西瓜特征營養元素的系統研究報道， 因此本研究以中國5省份共113份西瓜果實樣品為研究對象， 通過電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）開展了樣品中13種礦物元素的定量分析， 綜合Kruskal-Wallis秩和檢驗、 相關性分析、 PCA分析、 RNI貢獻率等方法， 開展了5省份西瓜特征營養元素的研究與探討， 旨在為西瓜元素營養水平評價、 不同產區西瓜特征營養素的識別等提供數據支撐。

1"材料與方法

1.1"實驗材料

成熟西瓜果實： 采集于5個省份， 共113份， 其中廣西壯族自治區37份、 山東省20份、 新疆維吾爾自治區10份、 海南省20份、 江蘇省26份。 樣品分別由國家現代農業產業技術體系（西甜瓜）南寧、 濰坊、 吐魯番和喀什、 三亞、 鹽城綜合試驗站根據所在省份西瓜的種植分布， 參照《新鮮水果和蔬菜 取樣方法》（GB/T 8855—2008）進行采集。 每份樣品采集2個整瓜， 帶回實驗室后， 用去離子水沖洗、 瀝干后， 按照四分法進行取樣、 切分、 混合、 勻漿后置于-18 ℃冰箱中保存備用。

1.2"儀器與設備

電感耦合等離子體質譜儀（iCAP Qc型）， 美國ThermoSciemtific公司； 微波消解儀（Mars 5型）， 美國CEM公司； 電子天平（BAS223S型）， 德國賽多利斯公司； 趕酸儀（BHW-09C型）， 上海博通有限公司； 超純水機Millipore（Mill-Q型）， 美國Millipore公司。

1.3"實驗方法

按照《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）進行溶液制備， 采用微波消解儀進行消解， 主要步驟如下：

稱取西瓜樣品1 g（精確到0.000 1）于消解罐中， 加入2 mL水和6 mL硝酸溶液， 在通風櫥中靜置3 h， 再放入微波消解儀中（設置溫度為120、 150、 190 ℃； 升溫時間均為5 min； 保持時間分別為5、 10、 20 min）進行充分消解。 待消解完畢， 冷卻后取出緩慢排氣。 將消解罐放入趕酸儀中， 趕酸至微量。 轉移至50 mL的容量瓶中， 用超純水定容， 搖勻待ICP-MS定量， 同時做空白實驗。 ICP-MS操作參考條件如表1。

1.4"元素含量與RNI評估計算

根據GB 5009.268—2016， 待測元素含量計算公式為：

X=（ρ-ρ₀）×V×fm×1 000（1）

式中： X為試樣中待測元素含量（mg/kg或mg/L）； ρ為試樣溶液中被測元素質量濃度（μg/L）； ρ₀為試樣空白液中被測元素質量濃度（μg/L）； V為試樣消化液定容體積（mL）； f為試樣稀釋倍數； m為試樣稱取質量或移取體積（g或mL）； 1 000為換算系數。

參照萬曉霞等^［16］報道的方法， 進行元素每日推薦攝入量（RNI， 以R_NI表示）或適宜攝入量（AI， 以A_I表示）膳食評估， 計算公式為：

A=C10×RNI（AI）×100%（2）

式中： C為西瓜樣品中某礦物元素含量（mg/kg）； A為西瓜每100 g可食部位中礦物元素含量與推薦攝入量（R_NI）或適宜攝入量（A_I）之比（%）。

所測元素中， 僅查到Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo 5種元素的RNI（AI）值， 如表2^［19］。

2"結果與分析

2.1"不同省份西瓜的元素含量

結果如表3， 按照含量高低， 廣西西瓜中排名前5的元素依次為Fe、 B、 Mn、 Zn、 Sr； 山東西瓜排名前5的元素依次為B、 Fe、 Sr、 Zn、 Mn； 新疆西瓜排名前5的元素依次為B、 Sr、 Fe、 Zn、 Mn； 海南西瓜排名前5的元素依次為B、 Fe、 Zn、 Sr、 Mn； 江蘇西瓜排名前5的元素依次為B、 Fe、 Zn、 Sr、 Ba。 總體上看， 5省份西瓜中B、 Fe、 Zn等元素水平較高。 廣西西瓜Ba、 Co、 Fe、 Mn、 Se、 Sn、 V、 Zn 8種元素含量高于其他4省份； 山東西瓜Mo含量高于其他4省份； 新疆西瓜Sr、 Ti含量高于其他4省份； 江蘇省西瓜則是B、 Be的含量高于其他4省份。 單因素方差分析（One-way ANOVA）結果表明， 5省份西瓜在B、 Ba水平上的差異較大（p＜0.05）， 江蘇西瓜B含量水平居于首位（13.477 7 μg/kg）， 約是廣西和海南的2倍、 山東和新疆的3～4倍。 另外， 廣西西瓜Fe（7.824 5 μg/kg）、 Mn（3.964 4 μg/kg）、 Zn（2.874 3 μg/kg）3種元素都表現出較高的水平， 這表明廣西西瓜可能是B、 Fe、 Mn、 Zn等元素的優勢來源。

綜上表明， 不同省份西瓜樣品中礦物元素含量存在差異。 由于數據量比較大， 為了篩出各省份西瓜的特征元素， 需對樣品數據進行降維處理， 找出特征向量， 從而篩出每個省份西瓜樣品的特征元素。

2.2"西瓜礦物元素主成分分析

由圖1可知， 忽略產地因素， 對13種元素進行Spearman相關性分析， 結果顯示： Ti元素與V、 Fe、 Zn元素之間， V元素與Fe、 Mn、 Zn之間， Mn元素與Fe、 Co、 Zn元素之間， Sr元素和Mo元素之間都存在著極顯著的正相關性（p＜0.01）； B元素除了與Sn元素存在極顯著正相關（p＜0.01）外， 還與V、 Mn、 Fe、 Co、 Zn、 Se、 Ba等元素存在極顯著負相關（p＜0.01）。 相關性數值越接近1， 表明相關性越大， 相關系數達到0.8以上的有： V和Ti； Mn和B、 Co、 Zn； Fe和V、 Ti， 其中， Mn和B為負相關。 相關性分析結果表明： 13種元素間存在一定的潛在聯系， 可通過主成分分析， 進行數據的降維和特征元素的分析與識別。

主成分分析得出一個二因子模型， 13種元素變量降維至2個主成分（特征根大于1）， 其中第1主成分方差貢獻率為56.180%， 第2主成分方差貢獻率為35.521%， 前兩個主成分的累計方差貢獻率達91.701%， 表明二因子模型代表了大部分的數據變異。 由表4可知， 第1主成分綜合了Be、 Ti、 V、 Fe、 Zn、 Se等元素的相關信息， 第2主成分綜合了Mn、 Mo、 Sn、 Ba等元素的相關信息， 由此可認為Be、 Ti、 V、 Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo、 Sn、 Ba 10種元素是西瓜中的特征元素。

由圖2可知， 新疆和廣西樣品在95%的置信區間下， 能夠很好地區分開， 說明兩個產地的西瓜樣品之間元素含量差異較大， 新疆西瓜樣品均處于PC1和PC2的正軸， 廣西西瓜樣品處于PC1的正軸、 PC2的負軸。 新疆西瓜的特征元素有： Mo、 Sr、 Ti、 Sn， 其中Ti對新疆樣品的得分貢獻最大； 廣西西瓜的特征元素有： Mn、 Ba、 Co、 Zn、 Fe， 其中Mn對廣西樣品的得分貢獻最大； 海南和江蘇的西瓜樣品在95%的置信水平下不能很好地區分開， 說明這兩個省份的西瓜在13種礦物元素之間的差異不大， B、 Be為特征元素； 山東西瓜樣品與其他4個省份的西瓜樣品存在重疊。

PCA分析結果表明： 不同省份西瓜特征元素種類存在差異， 為更好地評價特征元素的營養水平， 需評價西瓜元素的RNI貢獻率。

2.3"RNI貢獻率

由圖3可知， 100 g西瓜中Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo 5種元素占RNI的較大比重， Fe占1%～15%， Zn占1%～6%， Se占1%～7%， Mn占1%～29%， Mo占1%～12%。 在不考慮西瓜產出淡旺季的情況下， 兒童和成人的人均西瓜攝入量分別為7.51 g/d和7.29 g/d^［20］。 有研究表明^［21］， 男性西瓜消耗量約為300 g/次， 女性西瓜消耗量約為250 g/次， 由此可知每攝入一次西瓜， 對人體Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo的最大RNI貢獻依次約為45%、 18%、 21%、 87%、 36%， 可見， 西瓜中Fe、 Mn、 Mo屬優勢元素， Zn、 Se元素水平還有待加強。

廣西100 g西瓜樣品對兒童Mn的RNI貢獻率最高， 極大值可達29%， 對成人男女的AI貢獻率在3%～19%； 對于兒童與成人男性， Fe的RNI貢獻率在4%～12%， 是成人女性的2倍。 山東西瓜樣品中Fe的RNI貢獻率在兒童和成人男性中都表現出了較高的占比， 分別為3%～14%和4%～15%。 新疆西瓜樣品中Mo的成人RNI貢獻率為5%～8%， 兒童貢獻率較突出， 為7%～12%； Fe的RNI貢獻率在兒童與成人男性中為3%～9%， 為成人女性（2%～6%）的1.5倍。 海南西瓜樣品中兒童Mn和Mo的RNI貢獻率分別為2%～3%和1%～5%， 高于成人。 江蘇西瓜樣品中Fe和Mo的RNI貢獻率高于其他元素， 其中Mo元素對兒童RNI的貢獻率最高達5%。

綜合分析可知， 廣西優勢元素為Mn和Zn； 新疆優勢元素為Mo； 山東優勢元素為Fe； 海南優勢元素為Mn和Mo； 江蘇優勢元素為Fe和Mo， 各省份優勢元素具有差異性。

為進一步闡述不同省份西瓜元素RNI貢獻率存在差異的原因， 查閱了5省份土壤元素背景值^［22-23］， 見圖4。 結果表明： 元素RNI貢獻率差異與其產地土壤元素背景值存在一定的關聯性： 廣西西瓜樣品Fe元素和Se元素的RNI貢獻率較高， 其產地土壤中Fe和Se的背景值也處于較高水平； 廣西、 山東、 新疆3省份西瓜樣品Zn元素RNI貢獻率較高， 3省份土壤中Zn元素背景值也處于中上游水平。 與之不符的是： Mn元素和Mo元素的RNI貢獻率與產地土壤元素背景值關聯不大， 如山東與新疆Mn元素的土壤背景值相對較高， 而西瓜樣品Mn元素的RNI貢獻率卻處于中游水平； 新疆土壤中Mo元素的背景值低， 但其西瓜Mo元素RNI貢獻率卻最高。

綜上所述， 西瓜中Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo對兒童和成人男性的營養水平相對較高， Zn對女性的營養水平較佳。 5省份西瓜優勢元素的RNI貢獻存在差異， 分別是： 廣西為Mn元素、 山東為Fe元素、 新疆為Mo元素， 海南和江蘇西瓜13種元素中暫未篩選出優勢元素。 西瓜中Fe、 Zn、 Se 3種元素的RNI貢獻率與其土壤元素背景值有一定的正向關聯。

3"討論與結論

3.1"討論

3.1.1"農作物元素存在相關性和差異性

本研究多種元素間存在正相關， 與Hernández 等^［24］的研究結果相一致。 有報道稱， 野生二粒小麥中Fe、 Zn、 Se元素間存在極顯著的正相關^［25-26］； 水稻中Fe、 Zn含量間存在顯著的正相關^［27-28］， 富硒產地4種農作物Se與Zn存在正相關^［29］， Pii等^［30］報道大麥、 番茄、 黃瓜在水培條件下B與Ti元素呈現出正相關性， 與本研究結果相一致。 另外， 有報道顯示， 茶果中B與Mn間存在極顯著的正相關性^［31］， 與本研究結果相反， 這可能是由于作物種類以及栽培方式不同所致。 Blair等^［32］發現Zn和Fe之間共享著大量的數量性狀位點（QTL）， 共享同一攝取/轉運系統的同源元素通常僅在少數家族中表現出顯著的相關性^［33］。 Pandey等^［34］發現Fe與Zn的表型和基因型、 變異性和遺傳性系數很高， 這可能是Zn與Fe之間存在正相關的原因。

趙子丹等^［35］發現不同產地紅棗36種元素中有27種存在差異， 且靈武紅棗、 中寧紅棗、 同心紅棗間的礦物元素含量各具特征； 榴蓮果肉13種礦物元素（Li、 Be、 Na、 Mg、 Ag、 Cd、 Ba、 Al、 Mn、 Zn、 Rb、 Sr、 Tl）在4個產地間存在顯著差異^［36］； Watanabe等^［33］發現不同品種蔬菜可食部位幾種必需微量元素和非必需微量元素濃度間有很大的差異。 這進一步證實了種植于不同產區的同種農產品， 其元素含量確會存在差異。 經緯度、 海拔、 光照、 溫濕度等環境條件是導致該差異的重要因素^［37-38］。 Paunovic′ 等^［39］研究發現， 海拔會影響漿果中礦物質的含量； 降水會使土壤酸化加速， 加上礦物的風化作用， 導致植物中Zn、 Cd、 Rb、 K、 Mn和Ti的含量升高， Sr、 B、 Ca和Mo的含量降低^［40］； 楊鑒等^［41］發現茶園土壤鋅含量空間異質性受多種因素共同影響， 巖性是影響茶園土壤鋅含量空間異質性的主要因素， 降水和海拔也顯著影響茶園土壤中鋅含量的空間異質性。 除土壤因素外， 基因組變異和氣候差異是菠蘿蜜的主要分化因素^［42］。 據《中國氣候公報（2022）》^［43］顯示， 2022年中國北方降水“東多西少”， 南方大部分偏少。 本研究江蘇和海南的B元素水平高， 可能與當地降水多有關。 綜上， 本研究不同省份西瓜特征元素有差異， 可能與環境條件有關。

3.1.2"不同農作物元素RNI水平存在差異

陳欣^［44］的研究結果發現， 普通柑橘果實Se元素RNI貢獻率在0.065%～1.505%， 富硒柑橘貢獻率在0.098%～1.464%（其中湖北恩施的富硒柑橘RNI貢獻率略高， 為4.989%～25.942%）。 匡立學等^［45］開展了4種水果（蘋果、 梨、 桃、 葡萄）中礦物元素RNI貢獻率的研究與探討， 發現4種水果Fe元素的兒童RNI貢獻率相對較高， 極大值為7%； 萬曉霞等^［16］的研究結果顯示： 紅果參中Mn的RNI（AI）貢獻率在2.608%～7.820%； Zn的RNI貢獻率男性為1.952%～6.100%， 女性為2.711%～6.100%； Fe的RNI貢獻率男性為3.710%～6.596%， 女性為2.968%～6.596%。 西瓜中Zn、 Fe的RNI貢獻率遠低于葉類蔬菜和藍莓^［46-47］， 但與柑橘果實相比， Se的RNI貢獻率有明顯的優勢。

omakl等^［48］的研究表明， 土壤中濃度最高的元素是Mn， 但白樺林樹皮層含量最高的元素卻不是Mn； 余軻等^［49］的研究發現， 青葙對Mn具有很強的轉運能力， 青葙的Mn含量、 生物富集系數和生物量均隨著土壤Mn濃度的增加而升高， 這表明作物種類是影響土壤元素遷移富集的重要因素。 本研究西瓜中Mn元素RNI（AI）貢獻率與土壤背景值未顯示出較強的關聯性， 可能與西瓜Mn的富集遷移特性有關。

Se是人體的必需微量元素， 與人體的免疫功能、 抗氧化、 抗癌等功能密切相關^［50-52］。 Fe參與人體DNA復制和修復， 參與造血和氧氣的運輸與儲存， 缺鐵會導致缺鐵性貧血， 免疫力下降， 影響大腦發育和功能， 造成記憶力下降等^［53］。 Zn幾乎參與了人體的全部代謝， 在細胞生長分裂、 DNA合成復制方面起關鍵作用， 缺鋅會導致發育不良、 味覺削弱^［54］。 Mn、 Mo、 Fe等元素通過與核酸、 蛋白質、 酶、 激素和其他生物有機物質形成螯合物， 參與人體的正常生理和生化過程， 并起到維持正常功能的作用^［6］。 這些微量元素通過充當酶的輔助因子或為蛋白質提供結構支持來參與各種代謝過程， 缺乏和過量都會導致代謝紊亂、 致病性過度生長和免疫功能障礙的發生等^［55］。 Fe、 Mn、 Mo作為西瓜中的優勢元素， 具有較高的營養水平， Zn、 Se元素水平有待加強， 但與柑橘相比， Se元素能為人體提供不錯的營養價值。 廣西、 新疆、 山東、 海南、 江蘇各地西瓜的優勢元素不同， 可為西瓜產業地域性、 多樣性發展提供理論支撐。

3.2"結論

新疆西瓜特征元素為Mo、 Sr、 Ti、 Sn， 廣西西瓜特征元素為Mn、 Ba、 Co、 Zn、 Fe， 海南和江蘇西瓜特征元素為B和Be， 山東與其他4省份西瓜13種元素含量差異幅度相對較低。 西瓜為不同人群提供的營養價值不同： 為兒童和成人男性提供不錯的Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo這5種元素的攝入， 為成人女性提供良好的Zn元素攝入。 不同產地對Fe、 Zn、 Se、 Mn、 Mo等元素的RNI貢獻率有差異： 廣西優勢元素為Mn、 Zn； 新疆優勢元素為Mo； 山東優勢元素為Fe； 海南優勢元素為Mn、 Mo； 江蘇優勢元素為Fe、 Mo。 西瓜中Fe、 Zn、 Se的RNI貢獻率水平與各產區土壤元素背景值有關聯。 綜上， 不同產地西瓜礦物元素水平有差異， 對人體營養貢獻也存在差別； 5產地各有優勢特征元素， 對西瓜產業獨特化發展和西瓜產業多樣化發展提供了理論支撐。

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責任編輯"周仁惠