大白菜不同层次营养价值和健康风险评价

胡子逸，黄红荣，陈新平，刘敦一*

（西南大学资源环境学院，重庆市土肥资源高效利用重点实验室，重庆 400715）

大白菜（Brassica rapaspp.pekinensis）起源于中国，是我国种植面积最大、产量最高的蔬菜作物之一，在亚洲国家消费较高[1-3]。大白菜作为保健蔬菜，营养丰富，含有多种维生素和矿质元素，是含锌最多的蔬菜之一[4-5]。其生长过程是外层先生长形成莲座，后内层生长，大白菜不同层次外观差异很大，其不同层次叶的色泽、形态、质地、口感均有较大差异，且用途多样。例如，在韩国习惯将大白菜的外层叶用于煲汤，而内层叶被用来做蔬菜卷[3]，而国内市场上的商品大白菜往往将原大白菜外层几片叶剥弃后进行销售 ，该行为带来的浪费以及营养损失程度目前未知。

大白菜生长、外观等差异明显，一些研究开始关注大白菜不同层次的营养和生理指标上的差异，尤其是抗氧化性方面的研究。张振贤等[6]研究发现大白菜N、P含量从外到内增加，Ca、Mg、Fe、Mn含量由外到内逐渐减少。Solymosi等[7]研究发现大白菜不同层次的叶绿素含量由外至内逐渐减少。有研究还对大白菜不同层次的VC、酚类等含量进行测定，或采用一些抗氧化性评价方法（如1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine，DPPH）自由基清除法），发现大白菜抗氧化性由外向内逐渐降低[3-8]。现有针对大白菜不同层次的研究都存在评价指标较为单一，缺乏综合定量化比较的问题，且鲜有从营养价值和人体健康风险角度考虑大白菜不同层次的差异研究。

在综合评价食物营养价值的方法上，营养质量指数（index of nutritional quality，INQ）是常用的一种指标，其本质是食物中的各营养素对人体需要的满足程度以及对热能满足程度的判定方法，指营养素密度（该食物所含某营养素占供给量的比）与热能密度（该食物所含热能占供给量的比）之比，用于衡量食物提供某营养素的营养价值高低。研究表明，INQ法在对不同蔬菜营养价值比较和对不同人群的膳食营养进行评价方面应用较多[9-12]，但对同种蔬菜不同部分的营养价值评价研究较少。

此外，在评价食品中微量金属对人体健康风险的评估方面，人们通常通过健康风险指数（health risk index，HRI）来衡量[13]，并同时采用美国环保署2000年发布的目标危险系数（target hazard quotient，THQ）法计算暴露人群的健康风险[14]，该法能同时评价食品中单一重金属和多种重金属复合暴露的健康风险。例如，在对北京市蔬菜样品的监测中，该方法的应用可对蔬菜中砷、镉、铬、铜、镍、铅、锌7 种重金属含量造成当地居民潜在健康风险进行系统的调查和评估[15]。

本研究旨在通过测定大白菜不同层次的形态指标、矿物质含量和抗氧化性物质含量，运用主成分分析（principal components analysis，PCA）方法综合评价大白菜不同层次和不同部位的差异。并采用INQ法探究大白菜不同层次和不同部位的营养价值差异，结合HRI和THQ的评价方法，综合评价大白菜不同层次和不同部位对不同摄入人群的健康风险。该研究对揭示大白菜不同层次和不同部位矿质营养和抗氧化性的差异，明确其带来的营养效应和健康风险，以及指导不同层次和部位的大白菜的食用有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大白菜购于重庆市合川农贸批发市场，品种为‘鲁白’，采收时间为2018年9月20日，产地为甘肃兰州。

芦丁、2,6-二氯酚靛酚 上海阿拉丁试剂有限公司；抗坏血酸、单宁酸 美国Sigma公司；其他试剂均为分析纯 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

原子吸收分光光度计 日本日立公司；OPTIMA 7300 DV电感耦合等离子体发射光谱仪 美国PerkinElmer公司；KDN-1自动凯氏定氮仪 上海雷磁公司；CR-10 Plus色差计、SPAD-502P叶绿素仪 日本Konica Minolta公司。

1.3 方法

1.3.1 材料处理

从购得的26 颗大白菜中挑出长势均匀的12 颗白菜，分成3 组，每组4 颗白菜，根据Seong等[3]的方法将白菜叶片按总叶片数均等分成外、中、内3 个部分（每部分约18～20 片叶），长度小于2 cm的叶片忽略不计。先用自来水充分冲洗以除去样品表面的杂质，然后用去离子水冲洗至少3 遍，沥去水分并用滤纸吸收白菜叶表面的水分，一棵白菜为一个处理，每个处理设置4 个平行，每片叶采用不锈钢剪刀沿着叶柄和叶片连接处剪开。

第一组大白菜用于生物量、水分质量分数、叶面积、叶绿素含量和色泽的测定；第二组大白菜用于矿物质和重金属含量的测定；第三组大白菜用于抗氧化性物质含量的测定。

1.3.2 生物量、叶面积和颜色测定

大白菜叶的干质量、鲜质量用200 g/0.01 g电子天平称量，并计算水分质量分数；用直尺测出大白菜叶片的长和宽，并按照刘明池得出的大白菜叶面积（S）与叶片长（x）、宽（y）回归方程：S＝-272.76+9.45x+16.29y计算叶面积[16]；大白菜叶片色泽用色差计测定；叶绿素计（soiland plant analyzer development，SPAD）值用叶绿素仪测定。

1.3.3 矿物质和重金属含量测定

植物样品分别烘干粉碎后，N的测定采用浓H2SO4消煮半微量凯氏定氮法测定；其余矿质元素（K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu）和重金属元素（Hg、Cd、Cr）含量采用HNO3-H2O2消煮、电感耦合等离子体发射光谱仪测定[17]。结果均以干质量计。

1.3.4 叶绿素和VC含量测定

叶绿素含量的测定采用分光光度法（NY/T 3082—2017《水果、蔬菜及其制品中叶绿素含量的测定 分光光度法》）；VC含量的测定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[18]。以上结果均以湿质量计。

1.3.5 总酚含量测定

参照Ainsworth等[19]的方法进行适当修改测定大白菜总酚含量。取5.0 g样品，用5 mL体积分数80%甲醇溶液研磨匀浆，匀浆液于10 000×g离心15 min后收集上清液。取0.2 mL上清液，加入4.8 mL蒸馏水、0.5 mL 0.2 mol/L福林-酚试剂和2.5 mL质量分数20% Na2CO3溶液，50 ℃恒温水浴避光反应2 h后，于765 nm波长处测定吸光度。用单宁酸作标准曲线，计算样品中总酚含量，结果以鲜质量计。

1.3.6 类黄酮含量测定

参照Li Xican等[20]的方法，采用亚硝酸钠-硝酸铝-氢氧化钠比色法测定类黄酮含量。用芦丁作标准曲线，计算样品中总酚含量，结果以鲜质量计。

1.3.7 主成分分析

PCA法是一种降维的统计方法，它借助于一个正交变换，将其分量相关的原随机向量转化成其分量不相关的新随机向量，同时确保原始数据损失最小化的统计过程，PCA经常被用来评估水果和蔬菜的品质[3,21-22]。本研究中PCA用于量化与大白菜品质属性间的相关性，同时对大白菜不同层次的品质进行比较。

1.3.8 INQ法评价营养价值

当INQ＞2，表明某种食物可作为该类营养素的良好来源；当INQ＞1，说明食物提供某营养素的能力大于提供热量的能力，营养价值高；当INQ＜1，说明食物提供某营养素的能力小于提供热量的能力，营养价值低；当INQ＝1时食物提供某营养需求达到均衡[23-26]。INQ按式（1）计算。

式中：营养素参考值（nutrient reference values，NRV）和推荐摄入热量参考GB 28050—2011《食品安全国家标准 预包装食品营养标签通则》。

1.3.9 重金属健康风险评价

1.3.9.1 健康风险指数

健康风险指数（health risk index，HRI）＜1表示安全水平，没有明显的风险；而HRI≥1表示相关暴露人群存在一定健康风险；HRI值越大，风险越高[27-28]。HRI实质是人群将每天通过食用蔬菜摄入的微量金属与参考口服剂量进行比较，具体按公式（2）计算。

式中：Cn表示在鲜质量基础上的特定植物的平均金属含量/（mg/kg）；Dn表示特定蔬菜的每人平均每日摄取量，成人与儿童分别设定为301.4 g/d和231.5 g/d[29-30]；RfD表示口服参考剂量，Hg、Cr、Cd、Mn、Zn和Cu的RfD分别为每天0.000 16、1.5、0.001、0.033、0.3、0.04 mg/kg[14,31]；Bw为平均体质量，成人与儿童分别设为55.9 kg和32.7 kg[30]。

1.3.9.2 THQ法

该方法首先假定污染物的吸收剂量等于摄入剂量，以测定的污染物人体吸收剂量与参考剂量的比值作为评价标准，若THQ＜1，则说明目标对人群没有明显的健康风险，反之，则说明测定的目标对相关人群有健康风险，THQ越大，表明该污染物对人体健康风险越大。THQ按式（3）计算。

式中：Cn、Dn、RfD和Bw值同1.3.9.1节所述，EFr是指人群暴露频率，设定为每年350 d；EDtot为总暴露时间，成人与儿童分别设定为30 年和6 年[32]；ATn表示非致癌平均暴露时间（EDtot×365 d/年）。

多种重金属的复合健康风险，即危害指数（hazard index，HI），其按公式（4）计算。

1.4 数据统计与分析

本实验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理，以平均值±标准差表示，采用Origin Pro 8.5软件绘图，采用SAS 8.1软件对实验数据进行单因素方差分析，通过Duncan多重比较方法进行差异显著性检验，以P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 大白菜不同层次形态指标的差异

如表1所示，大白菜不同层次叶干鲜质量内叶均显著低于中外层叶，内层叶水分质量分数最低；大白菜叶面积外层显著高于中层和内层。

表1 大白菜不同层次叶干鲜质量、水分质量分数和叶面积Table 1 Dry and fresh masses, water contents and areas of leaves from different layers of Chinese cabbage

表2为大白菜不同层次叶片SPAD值、色泽和叶绿素含量。L*值（0～100）反映颜色的明亮度，当L*值从0～100时，明亮度逐渐变强，即由黑变白；a*值表示叶片的红绿程度，正值表示叶色偏红，负值表示叶色偏绿，绝对值大则表示叶片呈现的红色或绿色程度深；b*值表示叶片的黄蓝程度，正值表示叶色偏黄，负值表示叶色偏蓝，绝对值越大，则表示叶片呈现的黄色或蓝色越深。由表2可知，外层叶片SPAD值显著高于中内层，外层亮度显著低于中内层，外层叶片较中内层叶片黄绿色程度更深。大白菜外层叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均高于中、内层，与SPAD值结果一致。

表2 大白菜不同层次叶片SPAD值、色泽和叶绿素含量Table 2 SPAD values, color parameters and chlorophyll contents of leaves from different layers of Chinese cabbage

2.2 大白菜不同层次不同部位矿物质和重金属含量的差异

如表3所示，大白菜不同层次叶片N含量内层显著高于中外层，叶柄N含量外层显著低于中内层；大白菜不同层次叶片K含量无显著差异，叶柄K含量外层显著高于中内层；大白菜不同层次叶片和叶柄Ca含量外层显著高于中层和内层；大白菜不同层次叶片Mg和Mn含量均外层显著高于内层，内层叶柄Mg和Mn含量显著低于中外层；大白菜不同层次叶片和叶柄Fe含量无显著差异；大白菜不同层次叶片Zn和Cu含量无显著差异，叶柄Zn和Cu含量内层显著高于中外层。

表3 大白菜不同层次不同部位矿物质含量Table 3 Contents of mineral elements in leaves from different parts and different layers of Chinese cabbage

不同层次不同部位矿质元素总含量，即考虑干质量后得出的外中内层的矿质元素总量，由内至外各矿质元素含量均呈现增加的趋势（表4）。

表4 大白菜不同层次不同部位矿物质总含量Table 4 Total contents of mineral elements in leaves from different parts and different layers of Chinese cabbage

表5 大白菜不同层次不同部位重金属含量Table 5 Contents of heavy metals in leaves from different parts and different layers of Chinese cabbage

2.3 大白菜不同层次叶片抗氧化物质含量的差异

如表6所示，大白菜不同层次叶片抗氧化性物质（VC、类黄酮、总酚）含量均为外层显著高于中内层，而中层和内层3 种抗氧化性物质的含量差异不显著。

表6 大白菜不同层次叶片VC、总酚和类黄酮含量Table 6 Contents of vatamin C, total phenols and flavonoids in leaves from different layers of Chinese cabbage

2.4 主成分分析

进行主成分分析量化叶绿素、矿物质含量和抗氧化性之间的相关性。提取的两个主成分PC1和PC2分别解释了50.3%和29.7%的信息，累计贡献率达到80.0%，表明这两个主成分集中了原始叶绿素、矿物质和抗氧化性指标信息的80.0%（图1）。

图1 大白菜不同层次的营养成分的主成分分析Fig.1 Principal component analysis (PCA) of nutritional components in different layers of Chinese cabbage

PC1主要受VC、总叶绿素、Ca、总酚和类黄酮含量的权重影响，其中以抗氧化性指标居多，PC1可能表征大白菜部分抗氧化性能。其中VC含量和总叶绿素含量，Ca含量与总酚含量和类黄酮含量在图上夹角非常小，说明这几种变量之间存在显著的正相关关系。

PC2主要体现K、Cu、Zn的权重影响。且这3 种元素在图上夹角很小，存在明显的相关关系。其中大白菜不同层次（内、中、外）在PC2方向上距离很近，而在PC1上形成了明显的簇状，外层PC1为正值，内层PC1为负值，定量化说明大白菜不同层次的差异主要是抗氧化性、Ca和总叶绿素含量差异造成的，且大白菜外层在这些指标上综合表现最好。

2.5 大白菜不同层次的营养价值评价

通过计算大白菜不同层次不同部位的K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、VC 8 种营养素的INQ可知（表7），大白菜叶片外层的INQ均大于1，说明其在8 种营养素上均具有较高营养价值，且Ca、Mg、Fe、Mn、VC 5 种营养素的INQ均表现为外层高于中内层，尤其是VC，说明外层叶片在这5 种营养素上的营养价值相较于中内层叶片均较高。大白菜外层叶柄的K、Ca、Mg、Mn的INQ大于1，说明在这4 种营养素上均呈现较高的营养价值，且这4 种营养素的INQ值均高于或等于中内层，说明外层叶柄在这4 种营养素上的营养价值高于中内层叶柄。

表7 大白菜不同层次不同部位8 种营养素的INQTable 7 INQs of eight nutrients in leaves from different parts and different layers of Chinese cabbage

2.6 大白菜不同层次的重金属健康风险评价

如表8所示，通过计算大白菜不同层次不同部位重金属HRI，分析成人和儿童的HRI，可得儿童这一人群通过食用大白菜摄入Hg、Cr、Cd、Mn、Zn、Cu 6 种重金属导致存在的健康风险高于成人群体。无论是对成人还是儿童，Cr、Cd、Mn、Zn、Cu 5 种重金属的HRI均小于1，仅Hg的HRI超过1，说明Cr、Cd、Mn、Zn、Cu 5 种重金属通过大白菜进入人体没有明显的风险，而Hg进入可引起人体的健康风险。成人和儿童两个人群食用大白菜摄入重金属导致的健康风险随着层次和部位的不同都有差异，叶片和叶柄中Cr、Cd和Mn的最大HRI均出现在外层，叶片和叶柄中Zn和Cu的最大HRI均出现在内层。叶片Hg的最大HRI出现在内层，叶柄中Hg的最大HRI出现在外层。

表8 大白菜不同层次不同部位重金属HRITable 8 HRIs of heavy metals in leaves from different parts and different layers of Chinese cabbage

采用THQ对重金属健康风险进行评价，结果显示（表9），Cr、Cd、Mn、Zn、Cu的单一重金属的THQ均小于1，仅Hg的THQ＞1。说明食用大白菜所摄入的Cr、Cd、Mn、Zn、Cu对成人和儿童不会造成明显的健康风险，而摄入的Hg存在一定风险。而儿童的THQ均大于成人。6 种重金属复合的HI均大于1，说明两种暴露人群食用大白菜都存在健康风险，且叶片和叶柄HI的最大值均出现在外层。

表9 大白菜不同层次不同部位重金属危害系数（THQ和HI）Table 9 THQs and HIs of heavy metals in leaves from different parts of Chinese cabbage

3 讨 论

本研究结果表明，大白菜不同层次间在表观形态、矿物质和重金属元素含量和抗氧化性均表现出显著差异。从大白菜的结构看，是一层一层紧密包裹的结构，且大白菜不同层次的干鲜质量和叶面积由外向内逐渐减小，水分质量分数由外向内先增加后减小。实验表明外层具有更大的叶面积和生物量，这与大白菜的生长发育过程有关，同时层层包裹的结构导致外层紧密包裹的叶子起到了多层滤光器的作用，故外层接受光照的面积和强度远高于中内层[7]。光与叶绿素的合成密切相关，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均外层显著高于中内层，这与Solymosi等[7]的实验结果一致。这在叶色上也有明显表征，SPAD值和色泽结果都表明大白菜叶片外层较中内层颜色偏黄绿色。Mg是叶绿素的中心原子[33-34]，Mn在光合放氧过程中起着至关重要的作用[35]，这两种元素在大白菜叶上均呈现外层显著高于内层的现象，这也能进一步解释大白菜不同层次叶绿素含量的差异。大白菜的包裹结构和叶面积差异同时导致了外层暴露于空气的面积更大，其蒸腾作用更强。而Ca受蒸腾拉力的影响较大，故能解释大白菜的钙含量由外向内显著减少，多项研究都得到类似结果[6,8]。

抗氧化性物质（VC、类黄酮、总酚）含量在大白菜不同层次的分布情况一致，均外层显著高于中内层。孙丽等[8]测定大白菜外叶和内叶的VC含量，以及Seong等[3]通过测定大白菜不同层总酚、黄酮和VC含量得到的结果与本实验结果一致，即大白菜外叶抗氧化活性最强。而主成分分析的结果表明叶绿素、Ca、Mg、Mn和Fe含量之间存在一定的正相关关系，根据上述分析，Ca与蒸腾作用相关；而Mg、Mn和Fe都参与叶绿素的构成或合成过程，与光合作作用密切相关[33-36]。这些变量都一定程度上因大白菜的结构差异而影响叶绿素合成或蒸腾作用从而影响叶绿素和各元素含量。除此以外，更值得关注的是，这些变量与VC、总酚、类黄酮含量呈正相关关系。故可推测大白菜的抗氧化物质合成和运输可能与叶绿素或Ca有类似的过程，或其分配也受叶绿素合成或蒸腾作用的影响。N元素作为叶绿素的重要组成部分，内层含量最高，与叶绿素含量的分布规律相反，张振贤等[6]研究表明外叶（莲座叶）氮含量会随叶龄增大而减少，表4得出的N总含量依然是外层高于内层，故还应考虑生物量差异和相应的稀释效应。以本实验采用的形态指标、矿物质含量和抗氧化性能指标综合来看，大白菜外层表现最好。

大白菜不同层次的营养评价结果显示，大白菜可作为VC的良好来源。作为传统饮食习惯中常被忽视而浪费的外层叶具有较高的营养价值，表现在外层叶柄的K、Ca、Mg、Mn和叶片的Ca、Mg、Fe、Mn、VC，这些营养素的营养价值均高于中内层。按照传统饮食习惯摒弃外层叶会造成一定程度的食物营养浪费。

通过分析HRI和THQ法针对成人和儿童两种人群对大白菜不同层次部位进行风险评价的结果可得，对儿童和成人群体的健康来说，食用大白菜摄入Hg具有潜在的健康风险，而其他5 种重金属（Cr、Cd、Mn、Zn、Cu）没有明显的风险；综合大白菜不同层次不同部位的6 种重金属得到的HI表明对于两种人群均存在健康风险，且大白菜外层的健康风险较高，这可能与外层暴露于环境的时间较长、面积较大和外界环境直接接触有关。同时，无论是HRI还是THQ法得到的结果均表明，儿童对蔬菜的摄入量低于成人，但其HRI、THQ和HI值均普遍高于成人，可以表明儿童对重金属污染更为敏感[30]。

综上，大白菜外层相较于内层具有较高的营养价值，但也存在较高的健康风险。根据该实验的分层方法，外、中、内层叶数约18～20 片，而大白菜外叶中的最外几片叶直接暴露在外，接触大气，故推测外层叶健康风险较高的主要原因可能由于叶片暴露。如若该推测成立，可通过摒弃外层几片暴露叶片规避风险，同时实现较高的营养价值。

4 结 论

大白菜外层在形态指标、矿物质含量和抗氧化性能上综合表现较好，故大白菜外层叶具有较高的营养价值。通过对大白菜不同层次部位进行风险评价，单一重金属元素评价结果表明食用大白菜时Hg摄入具有潜在的健康风险，而其他5 种重金属（Mn、Zn、Cu、Cr、Cd）没有明显的健康风险，综合重金属评价结果表明而言食用大白菜外层的健康风险较内层更高，且儿童对大白菜的重金属污染较成人更为敏感。