康金涛,刘昆鹏,杨闯,全成滔,戴成,马朝芝

(华中农业大学湖北洪山实验室,湖北 武汉 430070)

矿质元素是人体健康和生长发育必不可少的营养物质,微量营养素缺乏导致的营养不良对世界人口造成潜在威胁[1]。据统计,全球超过8亿人营养不良,超过20亿人患有一种或多种微量营养素缺乏症(micronutrient deficiencies,MND),其中Fe、Zn、Ca的缺乏最为普遍[2]。主食和蔬菜是人体矿质营养的2个重要来源。水稻是全世界一半人口主要能量和蛋白质的来源,但稻谷中Fe和Zn含量较低且主要积累在糊粉层,仅抛光过程就流失了90%的Fe和40%的Zn,稻谷中高含量的植酸与矿质元素易形成螯合态,最终能被人体吸收利用的矿质元素微乎其微[2]。蔬菜作为人类日常饮食,在应对微量营养素缺乏和营养不良中起着重要作用[3-4]。

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国,种植面积和产量分别占世界的42.16%和52.56%[5]。我国蔬菜种类丰富,十字花科(Cruciferae)芸苔属(Brassica)的白菜(AA,2n=20)和甘蓝(CC,2n=19)是秋、冬、春季传统的时令叶用、苔用蔬菜。白菜包括大白菜、小白菜、青梗菜、广东菜心、白菜苔、红菜苔等,甘蓝包括西兰花、包菜、花菜等。白菜和甘蓝经过自然杂交和加倍形成的甘蓝型油菜(AACC,2n=38),又称油菜,比白菜和甘蓝具有营养体优势,长期以来是我国第一大油料作物[6]。近年来,蔬用油菜品种‘狮山菜苔’[7]、‘狮山2017’[8]、‘硒滋圆1号’[9]等相继育成,有关油菜苔种植栽培技术[10-12]、保鲜加工[13-14]、机械化采收[15-16]以及菜品的家常做法[17]等已均有报道,但油菜苔与常见蔬菜矿质营养对比研究未见报道。因此,本研究以‘狮山菜苔’和‘狮山2017’2个油菜苔专用品种以及15种市场上应季蔬菜为材料,利用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)测定离子组分,通过相关分析、聚类分析、离子图谱和对数主成分分析研究油菜苔和常见蔬菜中矿质元素含量,旨在为油菜苔推广和消费者选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

油菜苔品种‘狮山菜苔’和‘狮山2017’,均来自华中农业大学油菜试验基地,种植条件和管理同油菜大田生产。于2021年12月21日,参考《菜心等级规格:NY/T 1647—2008》,采摘苔长为20～25 cm、切口端横径为1.5～1.8 cm,粗细均匀、长度一致,且叶型完整、无凋谢、无白心及花蕾未开放的菜苔,作为试验材料。

市售蔬菜15种:白菜苔、红菜苔、广东菜心、高丽菜、西兰花、花椰菜、紫甘蓝、油麦菜、菠菜、生菜、四季豆、黄瓜、西芹、胡萝卜、莴苣,均来自华中农业大学中百超市,选购当天新采购货源,择其品相一致、新鲜无明显萎蔫的蔬菜。

每种蔬菜均随机选取符合样品标准的3个生物学重复,用重蒸水洗净、沥干水分,切碎、混合均匀。将样品装入牛皮纸袋中,105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘干至恒重,送至华中农业大学生命科学技术学院离子组平台进行检测。

1.2 植物样品离子组分测定方法

将烘干后的蔬菜样品磨成粉末,过孔径150 μm的筛。参照《食品中多元素的测定:GB 5009.268—2016》,利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定样品离子组分含量。准确称取0.200 0 g样品,置于消解管内,向消解管内加体积分数为65% 的HNO36 mL进行消解。待消解完成、冷却后置于通风橱中赶酸(160 ℃,60 min)。将消解管中的残液转移至50 mL离心管中,用重蒸水润洗消解管管壁多次,最后定容至50 mL。所用仪器为Agilent 7700e型电感耦合等离子体质谱仪,所用试剂均为色谱级[18]。

1.3 数据处理与统计分析

1.3.1 原始数据的均值化、正向化和对数化采用叶双峰[19]提出的均值化方法对原始指标进行无量纲化处理,即用各指标的均值去除它们相应的原始数据:

(1)

由于本研究中有害元素(As、Cd、Pb)的含量属于负向指标,应采取正向化处理[20],才能得到更加科学有效的结论,即用各指标的最大值与它们相应原始数据做差:max{xi}-xi。在此基础上进行对数化处理lnXi,得到主成分分析的指标。

1.3.2 各指标的权重分配对lnXi进行主成分分析,根据特征值大于1或累积方差贡献率超过80%(或85%)的原则确定主成分个数。根据主成分载荷矩阵计算lnXi的权重(lij)和主成分Pj。

(2)

式中:eij代表第i个评价指标在第j主成分中的特征向量;λj表示第j个主成分的特征值。

Pj=lij×lnXi(i=1,2,…,16;j=1,2,…,k)

(3)

1.3.3 品种主成分综合得分(Sf)计算主成分综合得分(S′f)为各主成分的加权和,即

(4)

对表达式(4)两边取指数得到Sf:

(5)

1.3.4 统计分析各样品以3个生物学重复的平均值用于统计分析。利用Excel 2016软件进行数据整理、描述性分析、权重和离子组综合评价Sf值的计算。利用SPSS 23.0软件进行主成分分析和单因素方差分析(ANOVA),采用邓肯法进行品种间的多重比较;利用Origin 2020b软件进行聚类分析以及聚类热图和主成分分析结果的可视化;利用R软件“GGally”包中的ggpairs函数对各元素进行相关性矩阵分析,用“fmsb”包与“ggradar”包绘制离子图谱进行品种特性分析和可视化。

2 结果与分析

2.1 油菜苔与白菜苔、红菜苔的表型

由图1可见:油菜苔‘狮山2017’和‘狮山菜苔’具有分枝多和叶片多的特点,与白菜苔和红菜苔区别明显。油菜苔品种间也存在差异,如‘狮山2017’较‘狮山菜苔’的分枝角度小,苔茎细长,而‘狮山菜苔’的苔茎较粗。

图1 油菜苔、白菜苔和红菜苔的表型Fig.1 Phenotype of rapeseed bolting,Chinese cabbage bolting and red cabbage bolting

2.2 油菜苔与常见蔬菜的离子组分和相关分析

由表1可见:16种矿质元素含量均存在变异。变异系数由大到小依次为Mo、As、Fe、Pb、Na、Mn、Se、Cd、Ba、Cu、Ca、Mg、K、B、Zn、P。在5种宏量元素Mg、P、K、Ca和Na中,变异程度最大的是Na,变异系数为135.04%;其次是Ca和Mg,变异系数分别为50.93%和49.42%。在8种微量元素B、Se、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo和Ba中,变异最大的是Mo,变异系数为205.74%;其次是Fe、Mn和Se,变异系数分别为173.85%、131.94%和109.01%;Cu和Zn的变异系数也较大,分别为51.70%和34.87%。有害元素As、Cd、Pb的变异系数大,分别为180.72%、106.33%和158.89%。

表1 油菜苔与常见蔬菜16种离子组分含量Table 1 The contents of 16 ionic components in rapeseed bolting and common vegetables

油菜苔与常见蔬菜间16种矿质元素含量均差异显著,Mg、P、K、Ca、Na、B、Se、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo、Ba、As、Cd、Pb含量最高的分别是菠菜、黄瓜、菠菜、广东菜心、西芹、西芹、胡萝卜、油麦菜、菠菜、菠菜和莴苣、菠菜、四季豆、‘狮山2017’、菠菜、生菜、菠菜。菠菜中不仅Mg、K、B、Fe、Cu、Zn含量最高,有害元素As和Pb含量也最高,分别为0.431 1和0.701 9 mg·kg-1,且Pb含量超过《食品中污染物限量:GB 2762—2017》蔬菜中的最大限值(0.3 mg·kg-1)。生菜的Cd含量最高,为1.171 7 mg·kg-1,超过食品中的最大限值(0.2 mg·kg-1)。Cd含量超过最大限值的还有菠菜、广东菜心、西芹、油麦菜、红菜苔、莴苣、胡萝卜。‘狮山菜苔’和‘狮山2017’与紫甘蓝、花椰菜、西兰花、高丽菜的有害元素As、Cd、Pb含量均较低,有益矿质元素Ca、Mg、Mn、Se、Zn的含量较白菜苔和红菜苔高。Mg、P、K、B、Mn、Zn、Ba、Cd 8种矿质元素含量在‘狮山菜苔’与‘狮山2017’间有显著差异。

由图2可见:5个宏量元素Mg、P、K、Ca和Na间的相关系数变幅为0.195～0.724,其中,Ca元素与Mg、P、K、Na均达到显著正相关(P<0.05)。在8个微量元素中,Cu、Fe、Zn间均呈显著正相关,Se元素与Mo之外的其他元素间呈负相关,相关系数介于-0.476～-0.020。有害元素As、Cd、Pb间均呈极显著正相关(P<0.01),相关系数为0.625～0.986。有害元素As、Cd、Pb与Mg、K、Ca、Fe之间均达到显著或极显著正相关;Cd还与Na、B、Mn、Zn呈显著正相关。表明油菜苔与常见蔬菜Cu、Fe、Zn间、有害元素(As、Cd、Pb)间以及有害元素与Mg、K、Ca、Fe间协同富集。

图2 油菜苔与常见蔬菜16种离子组分的相关分析Fig.2 Correlation analysis of 16 ionic components in rapeseed bolting and common vegetables左下角为散点图,对角为密度曲线图,右上角为相关系数和显著性标记。The lower left corner is the scatter plot,the opposite corner is the density curve plot,and the upper right corner is the correlation coefficient and significance marker.*P<0.05,** P<0.01,*** P<0.001.

2.3 油菜苔与常见蔬菜的聚类和离子图谱分析

基于离子组分含量,以欧氏距离和离差平方和法进行品种聚类(图3)。当临界值>7.5时,17种蔬菜被分为5组。菠菜单独聚为组Ⅰ,具有高Mg、Fe、As、Pb含量;西芹、油麦菜、生菜和广东菜心聚为组Ⅱ,16种矿质元素含量均较高;四季豆、莴苣、黄瓜和西兰花聚为组Ⅲ,P、Cu、Zn含量较高,其他元素较低;胡萝卜和高丽菜聚为组Ⅳ,Se元素含量最高,P、Cu、Zn含量极低;紫甘蓝、花椰菜、红菜苔、白菜苔、‘狮山2017’和‘狮山菜苔’聚为组Ⅴ,所有元素含量均较低。

进一步绘制了17种蔬菜的离子图谱以展示16种元素含量的整体性(图4)。组Ⅰ和组Ⅱ的5种蔬菜有益元素和有害元素含量均较高,具有协同积累效应;组Ⅲ的蔬菜表现出低Na和低有害元素的特征;组Ⅳ的蔬菜表现出有害元素含量较低且富含Se元素的特征;组Ⅴ的蔬菜表现出有益元素趋向均衡水平,且有害元素明显较低的特征。

图3 油菜苔与常见蔬菜的聚类分析热图Fig.3 Heat map of cluster analysis in rapeseed bolting and common vegetables

图4 油菜苔与常见蔬菜的离子图谱Fig.4 Ion spectra analysis of rapeseed bolting and common vegetables

2.4 对数主成分分析与品种综合评价

为了浓缩数据、简化指标,更快捷准确进行不同蔬菜矿质营养的综合评价,对均值化、正向化和对数标准化处理后的数据进行主成分分析。根据特征值大于1的标准确定主成分个数为4,累计方差贡献率为82.035%(表2)。由表3可见:在前4个主成分载荷矩阵中,第1主成分的特征值最大,为7.194,贡献率为44.962%,该主成分以有益元素Mg(0.838)、P(0.574)、K(0.83)、Ca(0.815)、B(0.618)、Mn(0.784)、Fe(0.765)、Cu(0.623)、Zn(0.654)和有害元素As(-0.781)、Cd(-0.844)、Pb(-0.851)的绝对值最高,表明在第1主成分能够较好反映有益元素含量高且有害元素含量低的特征(图5-A);第2主成分的贡献率为16.934%,该主成分以Na(-0.687)、Cu(0.611)和Mo(0.747)载荷最高(图5-B);第3主成分的贡献率为11.710%,该主成分以Se(0.814)和Ba(0.629)载荷最高;第4主成分的贡献率为8.429%。

表2 4个主成分特征值与方差贡献率Table 2 Eigenvalues and variance contribution rate of four principal components

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Loading matrix of the principal component

图5 对数主成分分析结果的可视化Fig.5 Visualization of log principal component analysis resultsA、B. 第1和第2主成分中各元素的贡献率The contribution rate of each element in PC1 and PC2;C. 第1和第2主成分载荷分值的向量图 The vector plot of loading scores in PC1 and PC2;D. 17种蔬菜在第1和第2主成分的分布 The distribution of 17 vegetables in PC1 and PC2.1.菠菜Spinach;2.西芹Celery;3.油麦菜Naked oat;4.生菜Leaf lettuce;5.广东菜心Cantonese cabbage;6.四季豆Green bean;7.莴苣Lettuce;8.黄瓜Cucumber;9.西兰花Broccoli;10.胡萝卜Carrot;11.高丽菜Cabbage;12.紫甘蓝Purple cabbage;13.花椰菜Brocoli;14.红菜苔Red cabbage bolting;15.白菜苔Chinese cabbage bolting;16.狮山2017 Shishan 2017;17.狮山菜苔Shishan bolting.

主成分载荷分值向量图表明,17种蔬菜的有害元素(As、Cd、Pb),Mo和Se,Cu、P、Zn、Fe、Mg和Ca,以及Mn、K、B和Na之间分别具有相近的表现(图5-C)。而且第1、第2主成分的分类(图5-D)结果与聚类分析结果相似,说明对数主成分分析能够在保证数据差异性的前提下实现数据降维的作用。

根据lnXi的权重(表3),得到4个主成分的表达式:

P1=0.312 4lnX1+0.214lnX2+0.309 5lnX3+0.303 9lnX4+0.202 8lnX5+0.230 4lnX6-0.026 8lnX7+

0.292 3lnX8+0.285 2lnX9+0.232 3lnX10+0.243 8lnX11+0.008 6lnX12+0.093 2lnX13-

0.291 2lnX14-0.314 7lnX15-0.317 3lnX16;

P2=0.155 5lnX1+0.300 7lnX2-0.147lnX3+0.145 2lnX4-0.417 3lnX5-0.185 3lnX6+0.212 6lnX7-

0.136 7lnX8+0.218 7lnX9+0.371 2lnX10+0.277lnX11+0.453 8lnX12-0.007 9lnX13+

0.253 9lnX14+0.099 6lnX15+0.165 2lnX16;

P3=-0.092 8lnX1-0.102 3lnX2-0.003 7lnX3+0.16lnX4-0.078 9lnX5+0.271lnX6+0.594 6lnX7-

0.048 9lnX8-0.175 3lnX9-0.211 8lnX10-0.250 6lnX11+0.349 9lnX12+0.459 5lnX13-

0.175 3lnX14-0.121 3lnX15-0.039 4lnX16;

P4=-0.145 5lnX1+0.303 1lnX2+0.064 6lnX3+0.072 3lnX4+0.134 3lnX5+0.351 3lnX6-0.231 6lnX7-

0.254lnX8-0.261 7lnX9+0.13lnX10+0.289 3lnX11-0.233 3lnX12+0.519 2lnX13+

0.192 9lnX14+0.091 3lnX15+0.281 5lnX16。

依据各主成分的特征值大小,计算出前4个主成分的权重分别为0.548、0.206、0.143、0.103(表2)。根据lnXi的权重(lij)和主成分Pj的权重(Wj)计算得到离子组综合评价值Sf表达式的幂:

由表4可见:17种蔬菜平均Sf值为0.898,分布范围为0.108～3.429。矿质营养综合评价Sf值排名前3位的分别为菠菜、广东菜心和西芹。考虑到生菜、广东菜心、菠菜、西芹、油麦菜、红菜苔、莴苣、胡萝卜这8种蔬菜的Cd元素均超过食品中的最大限值,我们认为四季豆(0.985)、黄瓜(0.833)、西兰花(0.671)以及‘狮山2017’(0.525)、白菜苔(0.447)、‘狮山菜苔’(0.44)的矿质营养较为均衡健康,胡萝卜和高丽菜是富Se蔬菜。

3 讨论与结论

随着我国经济的发展,人们对食物的需求已经从“吃饱吃好”到“吃健康”。一种或多种微量营养素缺乏的“隐性饥饿”,会引起疾病、甚至危及生命[21]。人体需要从膳食中摄取矿质元素,蔬菜是矿质元素的重要来源。本研究利用ICP-MS测定油菜苔与常见蔬菜矿质元素含量,分析矿质元素间相互关系,并对品种矿质元素含量进行综合评价,发现所测定的16种矿质元素含量变异均大,微量元素间、有害元素(As、Cd、Pb)间以及有害元素与Mg、K、Ca、Fe间均呈显著正相关,存在协同富集现象,17种蔬菜矿质元素含量各有特征,有的离子组分协同积累、有的低Na、有的富Se、有的有益元素含量均衡且有害元素含量较低。这些结果对指导合理搭配蔬菜种类以平衡矿质营养、维持健康的人体代谢具有重要参考价值。

油菜苔叶片大、有裂叶,采摘后很快失水萎蔫,因而外观品质不如白菜苔或红菜苔。‘狮山菜苔’是我国第一个甘蓝型油菜菜用品种,具有早熟、分枝部位低、分枝习性强、口感好等特性[7];‘狮山2017’主苔优势明显,适合机械采收[8]。根据16种矿质元素含量对17种蔬菜进行聚类,‘狮山菜苔’和‘狮山2017’与紫甘蓝、花椰菜、红菜苔、白菜苔聚在同一组,总体上它们具有相近的矿质营养元素含量。同为油菜苔,‘狮山菜苔’和‘狮山2017’的Mg、P、K、B、Mn、Zn、Ba、Cd含量具有显著差异,这一结果为蔬用油菜矿质元素遗传研究与改良提供了可能性。

品种综合评价的方法多种多样,主成分分析、因子分析、聚类分析和判别分析都属于常用的定量评价方法,各有优缺点。对数主成分分析是一种非线性分析方法,能够解决实际问题中各指标间和原始数据以及提取主成分之间均可能存在的非线性关系,同时具有结合原始数据预处理、指标构建、指标赋权等优势,以提高综合评价的质量。纪龙等[22]运用该方法对绿色超级稻品种进行综合评价,对数主成分分析的指标权重同专家打分法所得到的指标权重较传统主成分分析更为接近;李红宇等[23]采用该方法对寒地水稻齐穗期抗旱性进行评价,将12份种质资源划分为干旱敏感型、中抗旱型和强抗旱型3类,均验证了该方法的合理性。本研究涉及16种矿质元素,其中有害元素As、Cd、Pb属于强度逆向指标,为了保证所有指标方向的一致化,得到更为有效的综合评价结果,我们对原始数据进行均值化、正向化和对数标准化处理,通过前4个主成分的权重对17种蔬菜进行矿质营养的综合评价,所得第1、第2主成分的品种分类结果与系统聚类结果相似,说明对数主成分分析能够在保证数据差异性的前提下实现数据降维的目的。

综上所述,油菜苔与常见蔬菜品种矿质元素含量变异大,Cu、Fe、Zn间,有害元素(As、Cd、Pb)间以及有害元素与Mg、K、Ca、Fe间均存在较强的协同富集现象。依据对数主成分分析对16种元素的矿质营养综合评价结果,我们认为四季豆、黄瓜、西兰花以及‘狮山2017’、白菜苔、‘狮山菜苔’矿质元素含量较为均衡,胡萝卜和高丽菜Se含量高,本研究可在为油菜苔推广和消费者选择提供参考。