凤眼莲与几种生水植物所含生物质的比较研究

黄文邺 蔡 涛 龚姮姮 蒙雪婵 廖照江 郭 坚

(1.三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 医学院，湖北 宜昌 443002)

凤眼莲(Eichhorniacrassipes)俗名水葫芦，原产于巴西的浮水植物，具有适应性强、繁殖速度快的特点[1]，人为引入后，广泛分布于我国长江、黄河流域，带来了水道阻塞、影响交通、鱼类减产等一系列环境生态问题，但当前还缺乏有效的控制手段.为了进行资源综合利用，人们对凤眼莲生物量进行了广泛研究，发现其生物量巨大，具有较高的研究价值[2-3]，其中按生物质分类、与其它水生植物优势比较且进行综合开发利用的研究尚未见报道.为了在资源化利用上找到突破[4-7]，特别是对消耗巨大而生物质原料相对短缺的行业，如植物蛋白和氨基酸生产[8]、植物纤维生产[9]、各类生物包装材料[10]等，提供充足的原料和资源保障，本文对凤眼莲进行了总粗纤维、总糖、总黄酮和总蛋白质等4种生物质检测，并与生长于湖北的4种典型水生植物进行比较研究.建立了全谱(20种)氨基酸检测的柱前衍生高效液相色谱法[11]对凤眼莲进行游离氨基酸含量分析，并采用ICP-MS法对凤眼莲中13种元素进行分析[12].

本文运用比较研究方法，测定了凤眼莲中主要生物质的绝对含量，比较了凤眼莲与4种水生植物中的主要生物质的相对水平.随着未来的环境保护向着日益精细化、在线化、自动化、智能化方向发展[13]，本文的研究将凤眼莲引发的生态环境问题和其综合资源化利用相结合，为两类问题的合并解决提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

Waters e2695高效液相色谱仪，美国Waters公司；上海星门可控温马弗炉；上海让奇T6紫外可见分光光度计；XW-80A涡旋振荡器，上海嘉鹏科技有限公司；ICP-MS，美国ThermoFisher公司.

20种氨基酸标准品(纯度≥99%)；2，4-二硝基氯苯(纯度≥99%)；芦丁标准品(纯度≥98%，酷尔化学)；葡萄糖酸标准品(99%).

1.2 实验方法

1.2.1 总粗纤维检测

分别准确称取凤眼莲、浮萍、睡莲、芦苇、莲(去藕)等5种水生植物的干样2.500 0 g，按标准GB/T 8310-2013处理，将处理后固形物连同坩埚，在干燥箱中烘干至恒重.将已称重的样品在马弗炉中525±25℃，灰化6 h，待马弗炉温度降至300℃时，取出并放入干燥器中冷却，准确称重.

1.2.2 总糖检测

称取凤眼莲、浮萍、睡莲、芦苇杆、莲(去藕)的干样100 g粉碎并全部通过0.25 mm孔径筛，制成干粉末.然后称取1.000 0 g，按标准NY/T 2332-2013处理，将处理所得溶液在520 nm波长处测定吸光度，并通过标准曲线法测定其浓度.

1.2.3 总黄酮检测

分别称取凤眼莲、浮萍、睡莲、芦苇、莲(去藕)的干样0.500 0 g，根据标准NY/T 1295-2007处理，所得样品在420 nm波长处测定吸光度.配制0.001 2、0.002 5、0.005 0、0.010 0、0.015 0 mg·m L-1质量浓度的芦丁标准溶液，在420 nm处测定吸光度，得标准曲线y=32.0248x+0.3748，R2=0.9996，待测样品吸光度也代入标准曲线方程，得总黄酮含量.

1.2.4 总蛋白检测

总蛋白的测定采用克达尔法，分别称取凤眼莲、浮萍、睡莲、芦苇、莲(去藕)干样1.000 0 g，按标准YC/T

166-2003，用乙酸沉淀样品中的蛋白态氮，然后在浓硫酸及催化剂作用下转化为硫酸铵.强碱蒸馏释放出氮，用标准酸液接收，反滴定，用等量的蔗糖替代样品进行空白测试.

1.2.5 游离氨基酸检测

1)检测方法

准确称取0.500 0 g粉碎后的凤眼莲干燥样品，置于250 m L锥形瓶中，加入100 m L水，沸水浴浸提1 h，待样品冷却至室温后，抽滤，收集滤液并定容至100 m L，备用.

取100μL标准溶液及样品稀释液于EP管中，缓冲溶液(p H

9.0)200μL、150 mg·m L-12，4-二硝基氯苯的乙腈溶液100μL，混匀，90℃恒温避光反应90 min，之后加入10%(v/v)乙酸50μL，以水定容至1.00 m L，混匀，取上清液过滤后待测.将200、100、50、20、10、5 mg·L-1的20种氨基酸混合标准溶液各取100μL依上述方法衍生并过滤后进行液相检测.

2)HPLC色谱条件

色谱柱为依利特Supersil ODS2

C18柱(4.6 mm×250 mm，5μm)；流动相 A为0.03 mol·L-1乙酸钠(用冰乙酸调p H=5.25±0.05，含0.15%三乙胺)，流动相B为乙腈；检测波长为360 nm；柱温38℃；流量1 m L·min-1；进样量10μL，梯度洗脱：0～5 min，B由20%～12%，5～15 min，B由12%到18%，15～20 min，B由18%到30%，20～35 min，B由30%到30%，35～40min，B由30%到60%，40～45 min，B由60%到60%，45～50 min，B由60%到20%.

1.2.6 无机元素检测

准确称取0.500 0 g凤眼莲样品于聚四氟乙烯消解罐中，平行做3个样品，加入2 m L过氧化氢和2 m L硝酸，密封消解罐，于180℃烘箱中加热10 h.冷却后开罐，用1%硝酸溶液转移至50 m L刻度容量瓶中定容，摇匀，全过程跟踪做1个空白对照样品.

以10μg·L-1铑和铼标准溶液作为内标溶液，以浓度为0.00、1.00、5.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg·L-1的混合标准溶液做工作曲线，用于检测本文所需的无机元素检测.

按照ICP-MS检测的操作，对凤眼莲中的Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo、Cd、Hg、Pb进行检测.用10μg·L-1的调谐液(7Li、59Co、115In、238U混合标准溶液)对仪器进行调谐校正操作，对仪器分辨率、灵敏度等各项指标作系统优化后，采用碰撞池反应模式(CCT)进行测试.

2 结果与分析

2.1 总粗纤维检测结果及分析

凤眼莲中的总粗纤维含量达到干重的20.27%，仅次于芦苇和莲，含量高低：芦苇＞莲＞凤眼莲＞睡莲＞浮萍，分别为33.72%、21.05%、20.27%、17.44%、16.87%.凤眼莲的囊茎中大量粗纤维搭接交织形成网络结构、交联度高、细腻柔顺，无需蒸汽爆破即可对其拆解并加以利用.见表1.

表1 几种水生植物的粗纤维含量(干重的%)

2.2 总糖含量分析

总糖含量见表2.凤眼莲中的总糖含量为干重的5.75%.总糖含量高低：睡莲＞浮萍＞凤眼莲＞芦苇＞莲，依次为38.97%、36.06%、5.75%、4.24%、3.86%.凤眼莲中相对较低的总糖避免了糖的水溶性、水解性、还原性在材料学运用方面的不利影响，为其粗纤维的运用提供正向支持.

表2 几种水生植物的总糖(干重的%)

2.3 总黄酮含量分析

凤眼莲中的总黄酮含量为干重的2.46%.总黄酮含量高低：浮萍＞莲＞睡莲＞凤眼莲＞芦苇，分别为6.78%、5.46%、4.40%、2.17%和2.46%，在5种水生植物中处于低水平，可见，凤眼莲没有黄酮的提取加工等开发利用价值.见表3.

表3 几种水生植物的总黄酮(干重的%)

2.4 总蛋白质含量分析

凤眼莲的总蛋白质含量在所选的水生植物中为最高(见表4)，含量由高到低：浮萍＞凤眼莲＞睡莲＞芦苇＞莲，分别为30.15%、12.65%、9.57%、4.72%、0.54%.与优质牧草苜蓿、聚合草、串叶松香草[14-16]等植物相比，凤眼莲中总蛋白质含量已达它们的一半.所以，凤眼莲可作为未来植物蛋白来源加以开发利用.

表4 几种水生植物的总蛋白质含量(干重的%)

2.5 游离氨基酸含量分析

建立了20种氨基酸的标准曲线方程，相关系数R2值处于0.995 6～0.999 9区间，线性关系良好.衍生化后的溶液，连续进样6针，检测的相对标准偏差RSD(n=6)在0.16～0.82之间，方法精密度较好.

凤眼莲含12种游离氨基酸，见表5，总游离氨基酸含量达13.53 mg·g-1，其中天门冬氨酸最高，占总游离氨基酸含量的42.13%.游离氨基酸含量由高到低：天门冬氨酸＞丙氨酸＞组氨酸＞脯氨酸＞γ-氨基丁酸＞谷氨酸＞苏氨酸＞异亮氨酸＞缬氨酸＞亮氨酸＞甘氨酸＞丝氨酸，分别为干样的42.13%、12.27%、10.94%、8.50%、6.65%、4.06%、3.92%、3.32%、3.25%、2.29%、1.85%、0.81%.

未对凤眼莲中的游离氨基酸与其他4种水生植物做比较研究.

表5 凤眼莲中游离氨基酸种类及结果

2.6 元素含量分析

凤眼莲中的13种无机元素含量，Fe、Mn极高，含量为2 969和1 242 ppm；Zn含量次高，为118.77 ppm；Cr、Ni、Cu含量分别为39.50、21.10、19.83 ppm；低含量的有As、Pb、Co、Mo、Se等5种元素，分别为4.37、4.09、3.57、2.63、2.46 ppm、微量的有 Hg和Cd，含量为0.84、0.28 ppm.

As、Cr、Cd、Hg、Pb通常被界定为有毒元素，其含量分别为4.37、39.50、0.28、0.84、4.09 ppm.其中，Cr已经达到中等含量，As、Pb达到低含量，Cd为微量.见表6.

表6 凤眼莲中13种元素含量ICP-MS检测结果(单位：ppm)

在本文所检测的13种元素中，凤眼莲对Fe、Mn、Zn、Cr、Ni、Cu等6种元素具有很强的富集能力.在规模化养殖、机械化种收、自动化布控、程序化管理、精细化分解利用的条件下，凤眼莲将作为水体环境污染治理的主要物种加以利用，还可能在太阳能向生物质能转化、节能型治污、环境治理美化、二氧化碳捕集等多个领域有很好的开发利用价值.

未对凤眼莲中的无机元素含量与其他4种水生植物做比较研究.

3 结 论

1)凤眼莲所含主要生物质特点是“高纤维、高蛋白、高氨基酸、高金属、低糖、低黄酮”.

2)凤眼莲粗纤维含量达20.27%，蛋白质含量达12.65%，总游离氨基酸含量达13.53 mg·g-1，其巨大的生物量，使其与传统资源物种相比，具有明显的比较优势.

3)凤眼莲对Fe、Mn、Zn、Cr、Ni、Cu等6种重金属元素具有很强的富集吸附能力，具有很好的重金属元素治理和修复开发利用价值.