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(1.中国农业大大学烟台研究院,山东烟台 264670; 2.山东海洋资源与环境研究院,山东烟台 264000)

近年来,随着科学技术的迅猛发展,促进经济增长的同时,也带来了严重的环境问题。矿石开采冶炼、工业“三废”以及农药化肥的使用,引发了环境污染,其中重金属污染尤为严重。已有研究表明,人类活动排放的重金属已成为海洋环境中重金属的主要来源[1]。利用海洋生物对金属的蓄积情况评价海洋环境中金属的污染是可行的,特别是藻类,由于其特殊的结构性质,在海洋环境中,对金属的富集性较高,是各种元素天然、高效的富集器。元素中锌(Zn),硒(Se)被认为是必需元素,而铅(Pb)和镉(Cd)属于有害金属[2-3]。

目前,藻类中各种重金属的检测主要集中在总浓度的变化,然而,污染物的总量并不能直接反映出存在的健康风险,很可能高估了风险。因为食物成分在消化过程中被释放,仅仅有部分被机体吸收。生物利用度(Bioaccessibility)是指污染物进入机体后,能够被消化吸收的量[4-5]。针对生物利用度的测定,目前已有几种方法应用于不同的食品评价中[6-9]。考虑到体内实验的成本以及动物福利问题,具有成本低、快速以及可重复等优点的体外消化(invitro)模型应用越来越广泛[10-11]。金属的生物利用度不仅与其吸附形式有关,也与食品的物理化学性质以及加工方式有很大关系[12]。目前已经有一些报道关于加工方式对水产品中金属浓度以及生物利用度的影响,研究表明,不同的加工方式对不同金属元素的吸收利用影响很大[13-15]。很多学者对不同地区的海带中重金属的含量进行了调查报告[16-17]。然而,绝大多数的结果都是针对鲜海带或干海带,加工过程对海带中重金属含量的影响报道较少。基于海带对金属元素的强富集性,有必要研究常用烹饪方式对海带中元素吸收利用的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜海带(Laminariaochroleuca) 采自山东威海荣成海域;胃蛋白酶(1∶3000,纯度>99%)、胰酶(纯度>99%)、牛胆粉(纯度>99%)、猪黏蛋白(分析纯) 购自Sigma公司;4种元素标准液购自国家标准化物质中心;尿素、尿酸、葡萄糖醛酸、牛血清蛋白、葡萄糖胺盐酸盐、浓硝酸 分析纯,购自上海生物工程有限公司;氯化钾、氯化钠、碳酸氢钠、磷酸二氢钠、硫酸钠、磷酸二氢钾、二水氯化钙、氯化铵、盐酸 均为分析纯,购自烟台三和化工有限公司;唾液、胃消化液、胆汁及肠液 配方参考Oomen[19]。

Agilent 7500a电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) 美国Agilent公司;MARS微波消解仪 美国CEM公司;GZX-9023MBE鼓风干燥箱 上海博讯生物仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 海带的预处理 海带采用漂烫和干燥复水两种加工方式进行处理。海带漂烫:大约100 g鲜海带置于2000 mL煮沸双蒸水中5 min;海带干燥复水:鲜海带置于鼓风干燥箱60 ℃烘干4 h至恒重;将烘干后的干海带置于蒸笼中,保持蒸锅中的水一直处于沸腾状态,蒸40 min,直至干海带绵软可食用。鲜海带原料及经过两种热处理的样品,分别于12000 r/min均质1 min,每份均质液样品分为两组,一组进行体外模拟消化实验后,再采用ICP-MS测定其金属浓度;另一组直接采用ICP-MS测定其元素浓度。

1.2.2 ICP-MS测定元素浓度 将1.2.1得到的原料及两种热处理均质液样品,置于60 ℃干燥箱烘干4 h至恒重,分别准确称取0.2 g放入消解管中,加入5 mL浓硝酸,浸泡12 h,将消解管置于消解仪上,逐步升温到190 ℃并保持,直到消化液完全澄清且无白烟冒出。冷却后,用超纯水定容至25 mL,然后用ICP-MS测定样品中元素浓度,每个样品重复三次[18]。

1.2.3 生物利用度的测定 体外模拟消化实验模型参考Oomen等[19]。称取1 g均质液样品(三个重复)加入9 mL唾液,混合物在37 ℃、55 r/min振荡5 min,接着加入14 mL胃消化液,相同条件振荡2 h后,27 mL肠液和9 mL胆汁同时加入,混合液相同条件继续振荡反应2 h。混合液8000 r/min离心10 min,上清液过0.45 μm滤膜,-20 ℃保存,滤液直接进行ICP-MS测定。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件对实验结果进行多重比较分析,结果采用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 原料及加工后样品中元素浓度

原料及加工后海带中各元素浓度见表1。原料中Zn的浓度为3.42 mg/kg,两种加工处理均显著提高其浓度,其中干燥-复水组Zn的浓度显著高于漂烫处理(p<0.05)。海带中的Cd经过两种热处理后,其浓度也均显著高于原料(p<0.05);而Pb正好相反,两种加工处理后其浓度均降低。海带经过漂烫处理后,Se的浓度显著降低(p<0.05)。

一般认为食品原料加工过程中,有一部分元素进入水中,从而降低了其浓度,然而结果并不是完全如此。

2.2 原料及加工后样品中元素生物利用度

原料及热处理后海带样品中4种元素的生物利用度见图1。加工前后Pb、Cd、Se、Zn的生物利用度分别为39.28%～105.88%、34.88%～55.32%、86.24%～97.67%和59.35%～98.76%,其中原料海带中Pb的生物利用度超过100%。以往的研究报道中,也有学者得出海产品中重金属的生物利用度超过100%,这可能是与样品的不均一性有关[11,21]。Cd的生物利用度在所有的样品中都较低,这意味着仅以总量来判断海带中Cd的危害性,会高估风险。而加工前后样品中Se的生物利用度均较高,说明热处理对海带中Se的吸收利用影响很小。

图1 两种热处理对海带中Pb,Cd,Se,Zn生物利用度的影响Fig.1 Effects of two heat treatments on bioaccessibility of Pb,Cd,Se,Zn in seaweed

不同学者研究报道显示,水产品中元素的生物利用度很难进行比较,原料品种的差异甚至同一品种不同规格大小对同一种元素生物利用度均有影响。He等[22]研究了不同大小规格的同一种鱼类中Cd、Cu和Se的生物利用度,分别为73.7%～93.2%、81.4%～85.4%和48%～61%。Laird等[11]调查了鱼类、贝类以及海藻中Cd、Se和Cu的生物利用度,分别为18%～107%、50%～98%和59%～117%。

两种加工方式均降低了海带中Pb和Cd的生物利用度,而Se和Zn的浓度经过加工后反而升高。这个结果表明热处理确实能影响海带中元素的吸收利用,而且针对不同的元素,这种变化趋势是不同的。一般认为,海带的质地结构经过热处理后要比原料更加柔软、易消化,因此各元素很容易被释放到消化液中,进而生物利用度升高。然而经过热处理后,Pb和Cd的生物利用度降低,原因可能是水分以及一些可溶性成分的损失,导致重量减轻,从而影响生物利用度[23];此外,不同金属在海带中的累积形式以及吸附机制不同,Pb和Cd可能主要与一些不容易降解、难消化的复合物结合,经过热处理后,这些复合物的难溶性加剧,导致其生物利用度下降。

两种加工方式相比,干制复水处理后四种元素的生物利用度基本高于漂烫处理,这可能是因为干制复水操作相比漂烫处理,加工过程更加复杂,对原料结构的破坏更大,因此其元素生物利用度更高。元素的生物利用度不仅与元素的吸附形式有关,而且与食品的物理化学形态,加工方式有关。Almela等[24]发现紫菜经过烘烤后,提高了As的生物利用度,而羊栖菜中的As经过浸泡后,含量降低了60%[21]。

2.3 元素浓度与生物利用度的相关性

由表2可以看出,除了Cd和Zn的生物利用度没有相关性以外,其他几种元素浓度、生物利用度以及浓度和生物利用度之间都存在显著相关性。Pb的浓度和生物利用度之间,Pb和Zn以及Se和Zn的生物利用度之间呈极显著负相关(p<0.01)。这些结果表明海带中四种元素的吸收不仅与元素自身有关,而且与其他元素的浓度以及生物利用度有关。

目前关于海产品中元素的浓度以及生物利用度的相关性分析有一些研究报道。He等[25]发现贝类中Se的生物利用度和浓度之间没有相关性。Gao等[26]研究表明牡蛎中Cd的浓度与生物利用度之间呈现显著负相关,与本文结果相反。而Laird等[11]对鱼类和贝类中Se的研究发现,其浓度和生物利用度呈现显著的正相关关系,这与本文的研究结果一致。

3 结论

本文对海带中Pb、Cd、Se、Zn四种元素利用情况,通过体外模拟消化模型进行研究。结果表明,经过两种热处理后,海带中Pb的浓度及生物利用度均降低,而Zn的浓度及生物利用度均有提高;两种加工方式相比,干制复水处理后样品中四种元素的生物利用度更高。此外,一种元素的吸收利用与原料中其他元素的浓度有显著相关性。