不同种植方式大米中碳氮同位素比率与矿质元素特征及加工影响

刘亦鸣,李春霖,张卫星,聂晶,张永志,许凤,袁玉伟*

1(宁波大学 食品与药学学院,浙江 宁波,315211) 2(浙江省农业科学院 农产品质量安全与营养研究所,浙江 杭州,310021) 3(农业农村部农产品信息溯源重点实验室,浙江 杭州,310021)4(中国水稻研究所,浙江 杭州,310006)

全球水稻产区主要分布在亚洲,播种面积约占全球的90%,产量约占全球的91%,最主要分布在中国。稻米中富含矿质元素,它在人体中有着重要的作用。通常糙米中人体所需矿质元素更为丰富, 糙米再度深加工碾去米糠, 造成部分矿质元素损失[1-2], 得到市场常见的精米[3]。目前常见的种植方式为有机栽培、绿色栽培和常规栽培。有机栽培是基于无农药、无化肥、无抗生素的一种天然种植方式。绿色栽培是用绿色植物肥料和堆肥、合成肥料,不使用任何化学添加剂的栽培方式。常规栽培为允许使用化学肥料、化学合成农药的栽培方式。根据WS/T 578.2—2018《中国居民膳食营养素参考摄入量 第2部分：常量元素》和WS/T 578.3—2017《中国居民膳食营养素参考摄入量 第3部分：微量元素》对11种矿质元素进行分析,糙米制备成精米会使其矿质元素发生不同程度的流失,目前不同栽培方式对大米中稳定同位素和矿质元素影响研究较少。不同种植方式对稻米稳定同位素特征指示和矿质元素有一定影响,研究不同种植方式和加工程度对大米稳定同位素与矿质元素影响,对产品认证识别检测和不同栽培方式下大米营养评价非常重要。

稳定同位素可随生长环境发生变化[4],这可以反映植物生长过程中环境因素的差异[5-7]。植物体内δ13C、δ15N受到整体生长环境的影响[8-10],特别是δ15N易受到肥料及土壤环境等影响,使植物体内碳氮稳定同位素发生不同状态的分馏[11-12],施用不同肥料对3种栽培条件下大米碳氮稳定同位素有不同的影响,可以利用这种变化影响探讨大米稳定同位素变化特征。近些年,设计验证试验探讨大米中稳定同位素影响因素方面已有良好进展。LI等[13]发现沼气施用量越高,稻米δ15N值越高。δ13C在不同施肥处理间差异不大。CHUNG等[14]发现水稻δ13C受复杂碳循环的影响,动物粪便、合成肥料以及农用化学品均会影响水稻的微生物活性,使其呈现不同的特征。现已有研究表明糙米中矿质元素高于精米。孙开奇等[15]发现京西稻糙米中镁、磷、钾、锰含量远高于精米, 糙米中钙、钠、铁含量略高于精米, 而糙米中锌和铜含量略低于精米,京西稻糙米中微量矿物质元素的矿质营养价值远大于再度深加工碾去米糠得到的精米。HU等[16]在试验中,对糙米和精米进行了测试,结果为糙米矿物质含量比精米高,特别是镁、铁和锰。

本试验以稻米为研究对象,选取有机、绿色和常规3种栽培条件下精米和糙米,对3种栽培条件下糙米与精米δ13C、δ15N及11种矿质元素含量进行测定,探究不同种植方式下糙米与精米稳定同位素和矿物元素特征变化及加工影响,为糙米及精米认证产品检测及不同栽培方式下大米营养评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验所用的稻米均来自丹阳市,栽培方式为有机栽培、绿色栽培、常规栽培,品种均为小阳粳,根据稻米加工类型分为精米和糙米2种。在3个相邻试验田中种植水稻样品,并使用相同的水源灌溉从而消除环境变量的影响。有机水稻种植区肥料选用油菜饼。绿色水稻种植以每667 m2施15 kg氮磷钾复合肥、10 kg油菜饼和尿素。常规水稻种植以每667 m2施20 kg复合肥和15 kg尿素。

1.2 样品收集和处理

水稻成熟后,取样品18份(有机6份、绿色6份、常规6份)。稳定同位素和矿物多元素在检测之前,将样品放入糙米机制备成糙米,再将糙米放入精米机制备成精米后入粉碎机进行粉碎处理,精米9份(有机3份、绿色3份、常规3份)、糙米9份(有机3份、绿色3份、常规3份),共18份样品,过60目筛后装入样品袋,待测。

1.3 仪器与设备

XP6型天平,瑞士Mettler-Toledo公司;Vario PYRO cube、Vario Isotope cube型元素分析仪、Isoprime 100型、Biovision稳定同位素比率质谱仪,德国Elementar公司;CEM Mars 5微波消解仪,美国CEM公司;Thermo Fisher X-series Ⅱ 电感耦合等离子体质谱仪,美国热电公司;HR2864粉碎机,美国飞利浦公司。

1.4 实验方法

1.4.1 碳、氮稳定同位素检测

参照邵圣枝等[17]的方法,取大约3.0～4.0 mg待测样,用锡箔杯包好后放至元素分析仪样品盘中,样品中的碳元素和氮元素转化为纯净的CO2和N2气体后,进入同位素质谱仪检测。具体条件：元素分析仪氦气吹扫流量为230 mL/min;氧化炉和还原炉温度分别为1 020 ℃和650 ℃,进入质谱仪载气氦气流量为100 mL/min。稳定性同位素比率计算如公式(1)所示：

δ/‰=[(R样品/R标准)-1]×1 000

(1)

式中：R样品为所测样品中重同位素与轻同位素的丰度比,即13C/12C、15N/14N;R标准为标准样品中重同位素与轻同位素的丰度比,其中δ13C的相对标准为VPDB,δ15N的相对标准为Air。

稳定同位素δ13C标准物质：B2155(蛋白质,δ13C VPDB=-26.98‰,国际原子能机构)、IAEA-CH-6(蔗糖,δ13C VPDB=-10.45‰,国际原子能机构)、USGS64(甘氨酸,δ13C V-PDB=-40.8‰,美国地质勘探局)。

稳定同位素δ15N标准物质：B2155(蛋白质,δ15N Air=5.94‰,国际原子能机构)、IAEA-N-2(硫酸铵,δ15N Air=20.30‰,国际原子能机构)、USGS64(甘氨酸,δ15N Air VPDB=1.76‰,美国地质勘探局)。

1.4.2 矿质元素检测

称取0.3 g左右的稻米样品于微波消解内罐,分别向每个消解罐中加入7.0 mL硝酸,轻轻摇动溶液样杯让样本和酸混匀;在将消解罐置于GT-400中进行120 ℃、30 min的预处理热消解过程,直至黄烟冒尽(预处理过程中需打开密封塞),并冷却至室温;擦干溶样杯外壁,杯身完全置于套筒内,拧紧密封盖,将消解罐按照规范放入微波消解仪转盘中并选择相关消解模式进行消解;仪器消解过程结束或仪器自动降温至60 ℃以下后,可将消解罐取出,按照拆卸流程取出罐内溶样杯;将溶样杯放入GT-400赶酸,设置温度为180 ℃,时间为30 min,赶酸至剩余液体量为5 mL左右;待赶酸结束冷却至室温,将消解罐的溶液转移到样品杯中,加纯水定容至25 mL后上ICP-MS进行测定。

1.5 数据处理

数据采用SPSS 24(美国IBM公司)软件对试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),结果以Mean±SD表示,并采用Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 有机栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量特征

有机栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量结果见表1。糙米δ13C、δ15N平均值分别为-27.0‰和4.1‰,精米δ13C、δ15N平均值分别为-27.1‰和4.2‰,有机栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在显著性差异。精米和糙米11种矿质元素的含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3种矿质元素和精米中Fe元素含量较低,均低于1 mg/kg,Na、Ca、Mn等6种矿质元素含量为1～100 mg/kg,Mg、K 2种元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Ca、Mn 4种矿质元素显著高于精米(P值小于0.05),其余7种矿质元素在2种稻米间含量差异性不显著;精米Na矿质元素含量高于糙米,Mo、Cu 2种元素不明显,糙米加工成精米后,矿质元素减少了42%。

表1 有机栽培下精米和糙米稳定同位素与矿质元素平均值与标准差Table 1 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under organic cultivation

2.2 绿色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量特征

绿色栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量结果见表2。糙米δ13C、δ15N平均值分别为-27.5‰和3.9‰,精米δ13C、δ15N平均值分别为-27.5‰和4.5‰,绿色栽培下糙米和精米δ13C、δ15N不存在显著性差异。其中Cr、Ni、Mo 3种矿质元素含量和精米中Fe元素含量较低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5种矿质元素含量为1～100 mg/kg,糙米中有6种元素含量为1～100 mg/kg,Mg、K 2种元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Mn 3种矿质元素含量显著高于精米(P<0.05),其余8种矿质元素在2种稻米间含量差异性不显著,精米由糙米脱皮除糠后矿质元素损失了40%。

表2 绿色栽培下精米和糙米稳定同位素与矿质元素平均值与标准差Table 2 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished andbrown rice under green cultivation

2.3 常规栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量特征

常规栽培下精米和糙米δ13C、δ15N与矿质元素含量结果见表3。糙米δ13C、δ15N平均值分别为-27.5‰和3.7‰,精米δ13C、δ15N平均值分别为-27.5‰和3.7‰,常规栽培下的糙米和精米δ13C、δ15N不存在显著性差异。精米和糙米中11种矿质元素含量各不相同,其中Cr、Ni、Mo 3种矿质元素和精米中Fe元素含量较低,均低于1 mg/kg,精米中Na、Ca、Mn等5种矿质元素含量为1～100 mg/kg,糙米中有6种元素含量为1～100 mg/kg,Mg、K 2种元素含量高于100 mg/kg;糙米中Mg、K、Fe、Mn 4种矿质元素含量显著高于精米(P<0.05),其余7种矿质元素在2种稻米间含量差异性不显著;精米各元素含量均低于糙米,精米在糙米脱皮除糠后矿质元素损失了54%。

表3 常规栽培下精米和糙米稳定同位素与矿质元素平均值与标准差Table 3 Average value and standard deviation of stable isotopes and mineral elements in polished and brown rice under conventional cultivation

2.4 不同栽培方式下精米和糙米同位素矿物元素差异

精米在3种栽培方式下δ13C和δ15N分布图(图1-a),精米δ13C分布为-27.7‰～-26.9‰,δ15N分布为3.7‰～4.9‰。δ13C在有机和绿色栽培下差异显著,且有机栽培下δ13C值最高,绿色栽培下最低。δ15N在绿色与常规栽培下差异显著,在绿色栽培下δ15N值最高,常规栽培下最低。精米在3种栽培条件下稳定同位素与矿物元素含量见表4。Na、Mg、K、Mo 4种元素存在显著性差异,Na在有机栽培下含量最高,绿色栽培下最低,Mg和Mo在绿色栽培下含量最高,常规栽培下最低,K在绿色栽培下含量最高,有机栽培下最低。Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn含量均无显著性差异。

a-δ13C特征;b-δ15N特征图1 精米与糙米在3种栽培条件下δ13C和δ15N特征

表4 不同栽培条件下精米和糙米矿质元素平均值与标准差 单位：mg/kg

糙米在3种栽培方式下δ13C和δ15N分布图(图1-b),糙米δ13C分布为-27.8‰～-26.9‰,δ15N分布为3.4‰～4.7‰。δ13C和δ15N在各栽培条件下均无显著差异。糙米在3种栽培条件下稳定同位素与矿物元素含量见表4,K和Mn 2种元素存在显著性差异。K和Mn在常规栽培下含量最高,有机栽培下最低。其余元素间均无显著性差异。

3 讨论

精米中δ13C在有机和绿色栽培下差异显著,δ15N在绿色与常规栽培下差异显著。糙米中δ13C和δ15N在各栽培条件下均无显著差异,这与其在生长过程中外界环境、肥料种类及用量等均相同有一定的关系,YUAN等[18]发现在有机、绿色和常规水稻中有机δ15N更为丰富,但却更缺乏δ13C,CHUNG等[19]用δ13C和δ15N将环保型水稻和常规水稻成功区别。不同栽培方式δ13C和δ15N具有一定特征性,这与近几年来在大米领域的研究结果相似[20]。由于不同肥料中δ15N值不同,使水稻植株内发生同位素分馏影响不同,对大米δ15N影响也不同,从而产生差异[21];不同肥料对氮同位素分馏产生不同影响,从而影响植物的生理生态的代谢活动[22],使植物碳同位素发生不同程度的分馏。糙米具有糠层、胚芽和胚乳,精米只有胚乳,说明了胚乳可以直接反映δ13C和δ15N稳定同位素之间的差异性,而加上糠层和胚芽后则不显示差异性,所以测量稻米同位素差异性应对稻米的胚乳进行检测。LIU等[20]利用同位素对同一产地有机、绿色和常规栽培下的精米进行区分。公维民等[23]选用均为抛光处理的精米讨论我国大米碳氮稳定同位素比率特征及溯源应用,这也说明了利用稳定同位素对大米进行判别时要用精米,精米比糙米可以更好地反映稳定同位素特征。

稻米中具有人体必须的矿质元素,本研究发现大米中各种矿质元素含量分布不均匀,不同种植方式下糙米加工成精米后,有机栽培下矿质元素损失了42%,绿色栽培下损失了40%,常规栽培下损失了54%。精米在有机、绿色和常规栽培下Na、Mg、K、Mo 4种元素含量差异显著,有机栽培下矿质元素含量最高;糙米在3种栽培下K和Mn含量差异显著,常规栽培下糙米矿物元素含量最高,高于有机、绿色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。K矿质元素含量最高,Mg、Ca 2种元素含量较高,均高于10 mg/kg,Ni元素含量最低,Cr、Mo 2种元素含量较低,均低于1 mg/kg。精米中Mg、K、Mn元素含量显著低于糙米,表明这些矿质元素从糙米加工成精米所脱下的糠层和胚芽中含量很高。研究结果与张兰等[24]发现稻谷在加工过程中Ca、K、Na等元素含量都有明显的流失,稻米加工成为精米后总营养成分流失约66%这一研究结果相似。因此从营养角度来说,糙米因其丰富的矿质元素比精米更适合人们食用,经常性食用糙米可以有效缓解人类的矿物质缺乏。

4 结论

本研究结果认为,精米δ13C在有机和绿色栽培下差异显著,δ15N在绿色与常规栽培下差异显著;糙米δ13C和δ15N在各栽培条件下均无显著差异,利用稳定同位素对大米进行判别时,精米比糙米可以更好地反映稳定同位素特征,LIU等[25]对糙米加工成的精米进行稳定同位素检测,该结论可为检测大米稳定同位素提供更加准确、有效的依据,进一步支持本文结论;常规栽培下糙米矿物元素含量最高,总体高于有机和绿色栽培下糙米元素含量(24%、13%)。糙米加工成精米后,有机大米中矿质元素减少42%,绿色大米矿质元素损失40%,常规大米矿质元素下降54%。该研究初步揭示了不同栽培条件下糙米与精米稳定同位素和矿质元素变化及加工影响,为科学评价大米中矿质元素含量和指导消费提供科学依据。