五种魔芋中主要营养成分及重金属元素分析

周启武1,桂云霞2,李明灿3,张国昌3,马引娟3,白海东

(1.滇西科技师范学院生物技术与工程学院,云南临沧 677000;2.云南农业大学食品科学技术学院,云南昆明 650201;3.孟定海关综合技术中心,云南临沧 677000;4.临沧市林业科学院,云南临沧 677000)

魔芋(AmorphophalluskonjacC. Koch)为天南星科(Araceae)魔芋属(AmorphophallusBlume)多年生宿根性球茎草本植物,雌雄同株,起源于印度及斯里兰卡,全球共有163个品种,现分布于印度半岛及东亚洲各国及非洲的部分国家,别名有“磨芋”、“鬼芋”、“蒟蒻”、“妖芋”、“花麻蛇”等[1]。我国已发现并命名的有26种,占世界魔芋种数的22.6%,主产于四川、陕西、云南、贵州、安徽、湖北、福建和台湾等地[2-3],栽培面积达190万亩,加工企业130余个,年产魔芋精粉、微粉2.5万吨,占世界总产量的60%,成为全世界魔芋种植面积最大的国家,也是我国中西部地区农业产业结构调整以及农民脱贫致富的支撑产业之一,而云南省作为魔芋的发源地和中国最大的魔芋生产区之一,占全国魔芋产量的60%[4-5]。

在我国,魔芋有着悠久的种植、食用及药用历史。早在2000多年前就有古人用魔芋来治病,现也证实了魔芋属于热量、脂肪、糖分都很低的食物,且具有治疗高血脂、糖尿病等慢性疾病[6],以及抗氧化及保护肝脏[6-7]、镇痛[8]、消炎[6,9]、杀菌[10]、驱虫[11]等功效,有缓解甲状腺癌、胃贲门癌、结肠癌、鼻咽癌、乳腺癌症状和增强免疫力等作用[12-13],被誉为“魔力食品”、“胃肠道清道夫”,且魔芋食品位列WHO推荐的“十大健康食品”之列,具有良好的产业发展前景,我国目前现有的魔芋食品行业对魔芋精粉年平均需求量在1万吨以上[4,14]。在很多地区以作为农民增加收入[15-16],脱贫致富的经济产业[17-18],也为部分地区提高植被覆盖率保护生态环境发挥了良好的作用[18-20],特别是在当前乡村振兴战略背景下,魔芋产业已为我国西部最具成长潜力与竞争优势的地方特色资源产业[21]。

研究表明,魔芋及其相关产品在农林业、食品、医药卫生及工业等领域有着广泛的用途和发展前景[22-23],有关魔芋的研究越来越多,主要集中于魔芋的栽培技术、病虫害防治、药用保健价值方面[22,24],结合不同地区对魔芋的营养成分及重金属含量方面的研究较少,一定程度上限制了魔芋及其产品的综合利用。本研究通过对几种魔芋中主要营养成分和重金属元素分析,以期为魔芋种植品种和精深加工产业中原料的选择以及重金属评价提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

汀盛1号(自研品种)、滇魔芋(A.yunnanensisEngl) 云南省临沧市林业科学院提供,白魔芋(A.albus)、黑魔芋(A.nigrum)和珠芽魔芋(A.bulbiferBlume) 采自临沧市永德县;硫酸 优级纯,四川西陇科学有限公司;硝酸 优级纯,美国默克公司;氢氧化钠 优级纯,天津津科精细化工研究所;95%乙醇、无水乙醚、石油醚(30～60 ℃)、甲基红 均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;硫酸铜、硫酸钾、硼酸、3,5二硝基水杨酸、溴甲酚绿(指示剂级) 均为分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;GNM-SAU-002-2013金单元素溶液标准物质 国家有色金属及电子材料分析测试中心;GBW(E)080263锰单元素溶液标准物质 国家标准物质研究中心;GBW(E)080923铅单元素溶液标准物质、GBW(E)080119镉单元素溶液标准物质、GBW08614铬单元素溶液标准物质、GBW08611砷单元素溶液标准物质、GBW08611砷单元素溶液标准物质、GBW08617汞单元素溶液标准物质、GBW08618镍单元素溶液标准物质 中国计量科学研究院;实验过程用水 均为超纯水。

AA-6800F原子吸收分光光度计 日本岛津公司;Kjeitec 8400全自动凯氏定氮仪、Foss Soxtec TM800索氏提取仪 丹麦福斯公司;Agiient 7800电感耦合等离子体质谱仪 美国安捷伦公司;Sartorius BSA224S1电子天平 赛多利斯(北京)公司;Anton Paar MW PRO-T50高压微波消化器 奥地利安东帕有限公司;DHG-9070A电热鼓风干燥箱机 上海浦东荣丰科学仪器有限公司;LabTech-EG35A-PLUS数显控温电热板 北京莱伯泰科仪器股份有限公司;SCIENTZ-SB-5200D超声波清洗机 宁波新芝生物科技有限公司;HH-4恒温水浴锅 常州国华电器;CS-800高速多功能粉碎机 武汉海纳电器;B-400高速均质器 瑞士步琦;KA-1000C离心机 上海安亭科学仪器厂;STUART电磁搅拌器 英国斯图尔特有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 葡甘露聚糖含量测定

1.2.1.1 制作葡萄糖标准曲线绘制 依次取0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 mL标准葡萄糖液于对应25 mL容量瓶中,分别加蒸馏水补足至2 mL,再分别加入1.5 mL 3,5-二硝基水杨酸试剂,充分摇匀后均于沸水浴加热5 min,然后取出冷却至室温,用蒸馏水定容,各取1 cm比色皿于550 nm测定吸光度值,以蒸馏水显色反应作空白调零,记录不同浓度葡萄糖工作液的吸光度值,以葡萄糖毫克数为横坐标(X),吸光度值为纵坐标(Y)建立回归方程[25]。

1.2.1.2 魔芋粉指标 参照《魔芋粉》(NY/T 494-2010)将清水洗净的魔芋球茎切成3～5 mm薄片,于阳光下通风晒干,经粉碎去掉杂质后过40目筛(≤0.425 mm)制得白色普通魔芋精粉备用[25]。

1.2.1.3 魔芋葡甘露聚糖提取液及水解液的制备 准确称取0.2 g魔芋粉末,加入盛有50 mL甲酸-氢氧化钠缓冲液的烧杯中,在室温下通过电磁搅拌1～2 h溶胀后放置至第2 d,经4000 r/min离心20 min后得到上清液,转移至100 mL容量瓶,并用甲酸-氢氧化钠缓冲液定容至100 mL,即为魔芋葡甘露聚糖提取液。再取5.0 mL魔芋葡甘露聚糖提取液于小烧杯中,准确加入2.5 mL 3 mol/L H2SO4摇匀,沸水水浴1.5 h,冷却后加入2.5 mL 6 mol/L NaOH,摇匀后转移至25 mL容量瓶中,加蒸馏水定容即得可魔芋葡甘露聚糖水解液。

1.2.1.4 魔芋中葡甘露聚糖测定 分别取葡甘露聚糖提取液、水解液和蒸馏水2.0 mL于3个小烧杯内,依次加入1.5 mL 3,5-二硝基水杨酸,在沸水浴中加热5 min,冷却后转移至25 mL容量瓶中,用蒸馏水定容,以蒸馏水作空白调零,在分光光度计550 nm处分别测定吸光度值,再根据葡萄糖标准曲线查出葡甘露聚糖水解液葡萄糖毫克数(T)和葡甘露聚糖提取液葡萄糖毫克数(T0),通过以下公式计算出葡甘露聚糖含量[25]。

式中:ε-葡甘聚糖中葡萄糖和甘露糖残基分子量与其水解后所生成的葡萄糖和甘露糖分子量之比(ε=0.9);T-标准曲线上所对应的葡甘露聚糖水解液葡萄糖含量(mg);T0-标准曲线上所对应的葡甘露聚糖提取液葡萄糖含量(mg);m-样品质量(g)。

1.2.2 蛋白质含量测定 分别称取5种魔芋粉末试样2.000 g(精确至0.001 g)至消化管中,依次加入研细的0.4 g CuSO4和6 g K2SO4粉末、少量超纯水及20 mL H2SO4后于消化炉上(420 ℃)消化150 min,冷却至管中液体呈绿色透明状,以试剂作空白对照依次经凯氏定氮仪测定蛋白质的含量[26]。

1.2.3 粗脂肪含量测定 依次称取试样3.000 g(m0)于砂芯杯内,放入脱脂棉,连接装置和电源,待索氏抽提仪完成自检后装好砂芯杯,于恒重(m1)的接收瓶中加入1/3体积的石油醚后放于仪器内,设定程序(温度80 ℃,沸腾60 min,淋洗60 min,回收40 min)自动抽提6 h(6～8次/h),待抽提液没有油斑时回收石油醚,取下接收瓶置于硅胶干燥器中干燥30 min后称量,重复至恒重(m2),即可按以下公式计算魔芋中脂肪含量,结果保留两位小数[27]。

1.2.4 粗纤维含量测定 称取20 g试样(m)于500 mL锥形瓶中,加入200 mL煮沸的1.25% H2SO4,并于电热板上恒体积微沸30 min(搅拌1次/5 min),迅速用亚麻布过滤,用沸水洗涤至洗液中性,再用200 mL煮沸的1.25% KOH溶液将亚麻布上的残留物洗入原锥形瓶中,继续微沸30 min,重复加热洗涤3次后移入恒重(G0)的垂熔坩埚中抽滤,用热水充分洗涤后抽干,再依次用乙醇和乙醚各洗涤1次。将坩埚和内容物于105 ℃烘箱中烘至恒量(G1)后按以下公式计算魔芋中粗纤维含量,结果保留两位小数[28]。

1.2.5 重金属含量测定 微波消解:称取粉末试样0.2 g(m)于消化管中,加入5 mL硝酸,加盖放置1 h,按高压微波消化器设定程序加热消解(见表1)。消解完后冷却至100 ℃左右,取出自然降到室温并于超声水浴箱中超声脱气5 min,用超纯水定容至25 mL(V)备用,其中设置2个空白[29]。

表1 微波消解仪设置条件Table 1 Conditions of microwave digestion device

ICP-MS工作条件:测定前,对仪器的射频功率、等离子体气流量、载气流量、辅助气流量等操作条件和参数进行调谐,以得到最佳灵敏度,本研究中ICP-MS工作条件如表2。

表2 电感耦合等离子体质谱仪工作参考条件Table 2 Working reference conditions of ICP-MS

元素分析模式及内标选择:根据ICP-MS待测Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、Hg和As 7种元素选择对应的分析模式,并严格按标准选择待测元素所对应的同位素和内标元素[29],见表3。

表3 ICP-MS待测元素分析模式及所选同位素与内标元素Table 3 Elemental analysis mode of ICP-MS and selected isotope and internal standard elements

元素含量的测定:先测定待测元素和内标元素的信号响应值,在用电感耦合等离子体质谱仪测定空白溶液和试样溶液,得到试料空白溶液质量浓度(ρ0)和试料溶液中被测元素质量浓度(ρ),根据标准曲线(所选内标元素响应信号值)及以下公式计算得到消解液中待测元素的浓度(X),结果保留三位小数:

1.3 数据处理

实验每个样品重复测定3次,数据利用Microsoft Office 2010求出平均值±标准偏差(Mean±SD)并绘图,数值表示为平均值±标准差;利用SPSS 22.0中文版进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 魔芋中主要营养成分

2.1.1 葡甘露聚糖含量 本研究建立的回归方程y=0.1364x+0.0172(R2=0.9987),根据回归方程得出葡甘露聚糖含量结果见图1。

图1 5种魔芋中葡甘露聚糖的含量Fig.1 Glucomannan contents in five kinds of konjac

由图1所示,测定的5种魔芋中汀盛一号和白魔芋葡甘露聚糖含量最高,分别为65.92%和65.31%,滇魔芋次之(57.74%),珠芽魔芋和黑魔芋最低(分别为55.51%、54.83%)。孙天玮等[30]测定白魔芋葡甘聚糖含量为51.05%,珠芽魔芋46.59%,而魔芋精粉最高在51.3%～63.5%[31],而不同品种的魔芋葡甘聚糖含量相差较大,分布在10%～70%之间[32],一般在60%左右[33],含量差异除与魔芋品种有关外,还可能与魔芋粗粉、生长环境等有关[34-35]。因葡甘露聚糖是一种天然合成的高分子多糖,本身具有独特的抗菌性、增稠性、胶凝性、乳化性和流变性等,可减少和延缓葡萄糖吸收而抑制血糖升高和脂肪酸合成、增强机体免疫能力等[4,36],使其在医药保健、农业、食品产业和环保工业等各方面都具有很好的应用价值,是评价魔芋品质的重要指标之一[22,36],因此以葡甘聚糖成分作为精深加工产品开发利用时,可首选汀盛一号和白魔芋作为原料。

2.1.2 蛋白质含量 蛋白质含量测定结果见图2。

图2 5种魔芋中蛋白质含量的测定结果Fig.2 Protein contents in five kinds of konjac

图2所示,汀盛一号和白魔芋中蛋白质含量最高,分别为7.86%和7.57%,其次是黑魔芋(5.53%)和滇魔芋(5.36%),株芽魔芋最低(4.16%),整体含量区间比《中国食物成分表》(4.6%)高[37],而朱瑛等[38]测定魔芋中蛋白质含量仅为0.12%,魏养利等[4]测定为3.4%,表明不同品种的魔芋蛋白质含量存在差异,且本次研究的魔芋样品中蛋白质含量普遍高于文献报道数据。

2.1.3 脂肪含量 脂肪含量测定结果见图3。

图3 5种魔芋中脂肪含量的测定结果Fig.3 Crude fat contents in five kinds of konjac

由图3所示,测定的5种魔芋中脂肪含量在0.06%～0.54%之间,其中滇魔芋的脂肪含量为0.06%,比其他经常食用的食物含量(10%～30%)少得多,李磊[24]测定了不同魔芋中粗脂肪含量为0.28%～0.48%,均说明魔芋脂肪含量低,属于低脂、低热量食品,可为“魔力食品”的精深加工提供数据参考。

2.1.4 粗纤维含量 粗纤维含量测定结果见图4。

图4 5种魔芋中粗纤维含量测定结果Fig.4 Coarse fib contents in five kinds of konjac

由图4所示,5种魔芋样本中粗纤维含量从高到低依次为白魔芋(4.70%)>汀盛一号(3.80%)>株芽魔芋(3.70%)>黑魔芋(3.60%)>滇魔芋(3.10%),魔芋块茎中粗纤维含量一般在4%～4.5%[39],而李磊[24]测定了10种不同魔芋中粗纤维含量为3.14%～5.14%,因食物中的粗纤维不易消化,对肥胖、糖尿病和高血脂等病起到预防和治疗作用[6],所以魔芋可作为补充人体膳食纤维较好的食药材料,同时本研究结果也为魔芋产品深加工工艺提供参数。

2.2 魔芋中重金属含量

2.2.1 标准曲线线性范围、曲线方程、相关系数、检出限和定量限 ICP-MS检测法具有线性范围宽的特点,由表4可知,在满足线性范围的稳定性和重复性条件下,Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、As和Hg标准曲线适宜的最高浓度均为50 μg/L,标准曲线的相关系数均在0.9994以上,线性较好,完全能够满足分析方法的需要。同时,按照标准计算本方法的检出限[20],以空白试剂响应值的10倍标准偏差作定量限,得出各重金属元素的检出限和定量限分别在0.002～0.200 mg/kg和0.001～0.130 mg/kg之间,说明该方法灵敏度高,能准确测定低含量的元素,完全能够满足农产品质量安全监测的要求。

表4 重金属标准曲线线性方程、线性范围、相关系数及检出限Table 4 Linear equation,linear range,correlation coefficient,detection limit of heavy metal standard curve

2.2.2 精密度与加标回收验证 取消解待测液按标准预实验方法进行平行试验5份,计算各元素含量的平均值,同时分别于各溶液中加入一定量对应的Cr、Mn、Ni、Cd和Pb标准溶液进行加标回收试验,每份溶液测定3次,以加标前测定的含量平均值计算各元素的回收率,并以各元素相对标准偏差(RSD)来确认方法的准确性与精密度(表5)。

表5 精密度与加标回收试验结果Table 5 Recovery tests of precision and standard addition in digestion solution

由表5可知,各元素相对标准偏差(RSD)≤6.94%,回收率在96.7%～107.2%之间,表明该测定方法的准确度良好且精密度高,满足试验测定要求。

2.2.3 五种魔芋中重金属含量测定结果 按以上条件依次对5种芋魔芋样品处理液进行测定,并根据公式计算得出5种魔芋中Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、As和Hg的含量,结果见表6。

表6 5种魔芋中重金属含量的测定结果(mg/kg)Table 6 Heavy metals contents in five kinds of konjac(mg/kg)

由表6可知,本次测定的魔芋样品中锰含量较高(8.170～53.290 mg/kg,其中黑魔芋含53.290 mg/kg),铬含量在0.320～1.715 mg/kg之间,镍含量在0.232～0.604 mg/kg之间,镉含量为0.014%～0.025 mg/kg,铅含量在0.140%～0.251 mg/kg,砷含量在0.018～0.092 mg/kg,汞含量在0.036～0.062 mg/kg之间,均符合我国食品安全国家标准限量标准(铬<1 mg/kg,镍<1.0 mg/kg,镉<0.03～0.2 mg/kg,铅<1～2 mg/kg,砷<0.5 mg/kg,总汞<0.1 mg/kg)[40]。虽然本研究所测定的5种魔芋样本中的7种重金属含量均符合我国食品安全国家标准限量标准可安全食用,但为开展魔芋及相关产品的安全性评价,仍需对不同土壤环境、魔芋及其产品中各重金属含量、富集作用、危害及防控措施等开展大量研究。

3 结论

本研究表明,魔芋中含有丰富的葡甘聚糖(含量54.83%～65.92%),可达干质量的60%左右,蛋白质含量为4.16%～7.86%,粗脂肪含量最少(0.06%～0.54%),粗纤维含量为3.10%～4.70%,Mn含量较高(8.170%～53.290%,其中黑魔芋含53.290%),且含有Cr、Ni、Cd、Pb、As和Hg6种重金属元素,但含量均在我国食品安全国家标准(GB 2762-2017)的限量要求以内,含量极低,可以放心食用。在不同品种的魔芋中,葡甘露聚糖、脂肪、蛋白质、重金属、粗纤维的含量都有着显著的差距,但白魔芋营养价值整体比其他4种魔芋高,而新品种汀盛一号魔芋葡甘露聚糖(65.92%)高于其他已报道的品种(60%),蛋白质含量最高(7.86%)。本研究结果可对种植品种进行优选以提升魔芋及其产品品质、精深加工工艺、品牌创建、增加种植户收入和持续发展等提供理论参考。