山东省大蒜有机元素检测与分析

刘平香，张华勇，王文博，翁瑞，王玉涛，杜红霞，王文正，秦宏伟

(1.山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/山东省食品质量与安全检测技术重点实验室，山东 济南 250100；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东 济南 250353；3.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京 100081)

大蒜具有抗炎杀菌[1]、抗氧化[2]、预防癌症[3]、减少胆固醇沉积[4]等多种生理功能，具有较高的药用价值。 我国大蒜种植面积和总产量分别占世界的51.3%和78.8%[5]。 C、H、N、S 等有机元素是构成生命体的基础元素，在不同物种间存在较大差异，如龙井茶中N 含量为2.36%[6]，而有机洋甘菊和薰衣草N 含量仅为1.66%[7]；同一物种的不同品种有机元素也会存在差异。 除内在因素外，环境等外因也会对生命体中有机元素的含量产生影响，如红橙光有利于植物的碳代谢，而蓝光有利于氮代谢[8]。 因此，品种以及生长环境等内外因素同样也可能会对大蒜的碳氮代谢产生影响。 有机元素不仅可以用于产品的产地溯源[9]，还是食品营养品质的重要体现。 然而，目前针对大蒜的分析主要集中在无机元素[10]，有机元素研究极少，尤其是针对山东省不同品种及地区大蒜有机元素的分析目前还未见报道。

前期，课题组研究了我国6 个省份242 份大蒜样品中29 种特征性成分的含量水平，发现我国大蒜内含物丰富，其中γ-L-谷氨酰-S-烯丙基-L-半胱氨酸(γ-L-glutamyl-S-allyl-L- cysteine，GSAC)、蒜氨酸和大蒜素平均含量可分别高达11 148、24 502、10 868 mg/kg Dw[11]。 美国药典规定，大蒜中的蒜氨酸和GSAC 分别不得低于0.5%和0.2%(以干重计算)[12]；我国药典规定大蒜中大蒜素含量不得低于0.15%(以鲜重计算)[13]。 目前大蒜中含硫化合物等特征成分的分析主要依赖大型仪器设备，具有准确度高、特异性好等优点，但一般需要进行前处理，分析速度相对较慢，时效性较差。 因此，建立大蒜品质快速评价方法，对促进我国大蒜高质量发展具有重要意义。大蒜中氨基酸和含硫化合物等成分可能与大蒜中C、H、N、S 等有机元素存在一定关联。 基于现代有机元素分析仪(organic element analyzer，OEA)的有机元素分析法，可同时对样品中C、H、N、S 元素的含量进行定量分析测定，目前已广泛应用于环境学、化学和药物学等领域，具有前处理简单、检测时间短、绿色环保等优点，可自动进样，能够进行连续大批量检测，适用于大量样品的快速检测[14]。

本试验以山东省65 个大蒜样本为研究对象，分析不同地区及品种大蒜样品中C、H、N、S 元素含量及差异，在此基础上，分析有机元素与大蒜中主要含硫化合物含量水平的相关性，以期为大蒜中含硫化合物的预测评估提供一种新思路。

1 材料与方法

1.1 供试材料

为将大蒜中有机元素分析结果与课题组前期测得的含硫化合物进行相关性分析，本试验所用样品均为前期采集大蒜样品制成的冻干粉[11]。样品采集和处理方法及相关信息如下:共采集了山东省不同地区及品种共65 个大蒜样品，所有样品于2018 年7 月至9 月份采收，每个样品不少于30 个鳞茎，采样时记录采样地点、经纬度、海拔、大蒜品种等信息。 采样地点包括济宁市(15个)、潍坊市(15 个)、临沂市(15 个)、莱芜市(10个)、东营市(6 个)和济南市(4 个)，采样品种包括白皮四六瓣(17 个)、白皮杂交蒜(9 个)、糙蒜(6 个)、红皮杂交蒜(12 个)、鲁蒜一号(3 个)、蒲棵蒜(6 个)和其他品种大蒜(12 个)。 样品采集后，除去鳞芽外衣，冷冻干燥后研磨成粉末待测。

1.2 试验仪器与工作条件

有机元素分析仪:德国Elementar 公司Elementar Unicube，模式设为CHNS 模式；燃烧管温度设为1 150℃；还原管温度设为850℃。 高纯氦气(体积分数≥99.999%)作为载气，氧气(体积分数≥99.995%)作为助燃气。

微量分析天平:瑞士梅特勒-托利多XPR2(最大称重2.1 g；d ＝1 μg)。

1.3 测定指标与方法

GSAC、蒜氨酸和大蒜素含量数据:直接采用前期课题组Liu 等[11]的研究结果，主要用于本论文中有机元素与含硫化合物的相关性分析。

C、H、N、S 元素测定:分别准确称取充分混匀的大蒜冻干粉5 mg(精确至0.001 mg)于锡舟中，封口后置于自动进样盘中测定C、H、N、S 元素含量，以磺胺为标准品进行标准曲线的绘制和有机元素的定量分析。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013 进行柱状图的绘制；采用IBM SPSS Statistics 23 进行描述统计分析、箱图绘制、单因素方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 山东省大蒜C、H、N、S 含量水平分析

如表1 所示，山东省65 个大蒜样品中的C 含量为40.18%～43.37%，低于日常生活中厨余垃圾的C 含量水平(48%)[15]，表明大蒜中C 含量在人类日常食用食物中整体处于中等偏下的水平。Ahmad 等[16]研究发现，胡萝卜中C 含量为13.1%；Ajayan 等[17]研究发现，不同种类海藻中的C 含量为18.11%～38.43%。 与普通蔬菜相比，大蒜中的C 含量相对较高，究其原因，可能与大蒜含有丰富的糖类化合物相关，鲜蒜中的糖类化合物高达26%～30%[18]，是形成黑蒜等深加工产品的重要物质基础。

表1 山东省大蒜有机元素含量水平 (%)

山东大蒜中的H 含量为6.07%～6.59%，与新鲜荔枝皮(6%)[19]、厨余垃圾(6.4%)[15]、不同种类茶叶(5.78%～6.24%)[7]中H 元素含量相当，但低于山芋种子中H 含量(7.45%)[7]。

山东大蒜中N 含量为2.03%～3.39%，与厨余垃圾中N 含量(2.6%) 接近[15]，但高于板栗(1.06%～1.66%)[20]、新鲜荔枝皮(1%)[19]等基质中的N 含量。 农产品中N 的含量主要与蛋白质、游离氨基酸等化合物含量水平相关。 相对于其他蔬菜类产品，大蒜中的蛋白质含量相对较高，根据《中国食物成分表》分析，脱水大蒜和鲜蒜中的蛋白质含量分别为13.2%和4.5%～5.2%[21]，是大蒜重要的品质成分，我国大部分大蒜产品标准及部分名特优新农产品将蛋白质作为其品质评价的指标之一。 大蒜中20 种游离氨基酸总含量高达0.92%～6.78%(以干重计)[11]，参与黑蒜、黑蒜汁等大蒜深加工产品中美拉德反应，对大蒜深加工品质具有重要影响。 此外，大蒜中还含有丰富的蒜氨酸、GSAC 等含氮的特征性化合物，二者含量最高可达4.7%和2.5%(以干重计)。 因此，大蒜中N 元素的含量可以间接反应大蒜整体质量水平。

含硫化合物是大蒜等辛辣蔬菜的特征性化合物，大蒜中7 种风味前体物质的平均总含量达3.7%(以干重计)[22]，因此，大蒜中的S 元素相对较高，为0.61%～1.23%，平均值为0.83%。 研究发现，厨余垃圾中的S 含量仅为0.4%[15]；山芋种子和新鲜荔枝皮中的S 含量分别为0.51%[23]和0.6%[19]；草药茶中的S 含量为0.19%～0.52%[7]，均低于大蒜中S 含量水平。 Choi 等[24]通过分析韩国55 个采样点共163 个大蒜样品发现，韩国大蒜中的S 含量为0.48%～0.90%(以干重计)，略低于山东省大蒜S 的含量水平。

大蒜中C 和H 元素含量的相对标准偏差(RSD)较小，均小于1.5%，而N 和S 元素含量的RSD 相对较大，均大于10%，尤其是S 元素的RSD 高达16.13%。 表明环境、品种等因素对大蒜的初生代谢影响相对较小，然而光照、温度等因素对植物的次生代谢影响较大[25]，导致大蒜中的蒜氨酸等特征性化合物含量水平差异较大，因此N和S 含量的相对标准偏差较大。

2.2 山东省不同地区大蒜C、H、N、S 含量水平差异分析

从图1 可以看出，东营和潍坊大蒜中的C 含量较高，分别为41.83% ～42.42%和41.53% ～43.37%，显著高于济宁大蒜(40.72%～42.22%)。临沂大蒜中H 元素含量平均为6.37%，显著高于济宁大蒜(6.24%)。 虽然山东省不同地区间大蒜C 和H 元素含量水平存在差异，但整体差距较小。 而N 和S 元素在部分地区间差距相对较大。潍坊和临沂大蒜样品中的平均N 含量均为2.94%，显著高于济宁大蒜(2.59%)。 S 元素在不同地区间的分布规律与N 元素较为一致，其在临沂、潍坊和东营大蒜中的含量(0.89%～0.90%)显著高于济宁大蒜(0.71%)。

图1 山东省不同地区大蒜有机元素分布箱图

2.3 山东省不同品种大蒜C、H、N、S 含量水平差异分析

从图2 可以看出，有机元素含量在品种间存在显著差异。 其中，鲁蒜一号是济南航天农业发展有限公司培育的大蒜品种，不仅具有蒜薹、蒜头上市早、产量高的特点，还具有抗寒抗冻、抗重茬、蒜头个大、皮厚、品质优等优点[26]。 本研究表明，鲁蒜一号大蒜中4 种有机元素含量均较高，C、H、N、S平均含量分别高达42.30%、6.34%、3.22%、0.99%，表明该品种大蒜有机内含成分丰富。 前期研究发现，鲁蒜一号中GSAC(分子式为C11H18N2O5S)含量为2.03%～2.45%，高于我国大蒜的平均含量水平(1.11%)[11]。因此，鲁蒜一号中N、S 等元素含量较高可能是由于GSAC 含量高引起，即有机元素与大蒜特征性成分存在一定关联。 除鲁蒜一号外，蒲棵蒜中S 元素含量也相对较高，平均含量为0.96%。红皮杂交蒜中4 种有机元素含量均较低。

图2 山东省不同品种大蒜有机元素含量

2.4 山东省大蒜有机元素及主要含硫化合物相关性分析

大蒜的主要功能成分为含硫化合物，包括GSAC、蒜氨酸和大蒜素等。 其中，GSAC 为蒜氨酸的前体，二者均为大蒜的风味前体物质。 完整的大蒜中不含大蒜素等风味物质，大蒜细胞破碎后，蒜氨酸等S-烷(烯)基-L-半胱氨酸亚砜类化合物极易与蒜氨酸酶(EC 4.4.1.4)反应生成大蒜素等硫代亚磺酸酯类物质，并产生辛辣味。GSAC、蒜氨酸和大蒜素对人体有重要的生理功能。 研究表明，GSAC 具有抗糖基化[27]、抑制肝纤维化[28]、提高人体对必需微量元素的生物利用率[29]等生理活性，蒜氨酸能抑制糖尿病并发症[30]，大蒜素具有较强的抗菌、抗病毒以及消炎作用[31]。

通过分析不同品种间大蒜有机元素与含硫化合物含量的相关性(表2)发现，有机元素N 和S存在较强的正相关性(r ＝0.53，P＜0.01)，因此推测大蒜的氮代谢与硫代谢可能存在正相关，有利于氮代谢的外界环境可能也有助于硫的代谢。 此外，N 元素与GSAC 存在较强的正相关性(r ＝0.76，P＜0.01)；S 元素与GSAC、蒜氨酸和大蒜素也均存在较强的正相关性，相关系数分别为0.66、0.55和0.52；C 和H 元素与3 种含硫化合物的相关性相对较低。 因此，N 和S 元素可能会成为预测大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指标，有望通过有机元素的检测实现大蒜品质的快速评价。

表2 山东省大蒜有机元素与主要含硫化合物相关性分析

3 讨论与结论

与其他食物相比，山东省大蒜中C、H 和N 元素整体处于中等水平，但S 元素含量远高于平均水平，可能与大蒜中硫化合物含量较高相关；与一般蔬菜相比，大蒜中的C、N、S 含量均较高，可能与糖类化合物、蛋白质、氨基酸以及含硫化合物等存在一定的正相关性。 本研究结果表明，供试大蒜中C、H 、N、S 含量在地区间及品种间存在显著差异。 其中，东营、临沂和潍坊大蒜有机元素丰富，济宁大蒜则相反。 不同地区间元素的差异可能是由于不同的生长环境导致的。 值得注意的是，济宁大蒜中C、H、N、S 元素含量均较低，推测可能是由于其他元素(钾、镁等矿物质元素等)含量较高的原因，具体原因还有待进一步研究。 本研究采集大蒜均为山东省大蒜，维度跨度较小，在分析不同产地环境对有机元素影响时可能会有一定的偶然性，因此，下一步应对全国范围内大蒜主产区的样品进行有机元素的检测与分析。 此外，本研究发现，鲁蒜一号大蒜中C、H、N、S 含量均较丰富，品质优良，加之优良的生物学性状和较高的经济效益，可作为一个优选品种。 但应注意的是，本研究中的鲁蒜一号样品均采自东营市，在以后的研究中需进一步对鲁蒜一号在不同产地环境中的表现进行分析，筛选出鲁蒜一号的最佳生长环境，从而进一步放大品种优势。 相关性分析表明，N 和S 元素与大蒜中主要的含硫化合物存在正相关性，可以作为预测大蒜中主要含硫化合物含量水平的特征性指标，今后可进一步加大样品量，采用多元数据统计分析等方式建立大蒜中特征性含硫化合物的预测模型，从而为大蒜品质的快速评价提供新方法。