北京地區六種主產水果礦質元素含量分析及初步膳食風險評估

倪 楊,史玉琴,石 磊,張 倩,張瑩瑩,楊軍軍,熊 融,*

(1.北京市林業果樹科學研究院,北京 100093; 2.北京市落葉果樹工程技術研究中心,北京 100093; 3.北京市食用林產品質量安全監督管理事務中心,北京 100029)

北京現有果樹面積133298.56公頃,鮮果面積約占50%,主要分布在平谷、昌平、房山、密云和大興。隨著北京市產業化結構調整進程的推進,平谷大桃產業、大興梨產業、昌平蘋果標準化基地、房山柿子生產基地等產業區域化布局已初步形成,桃、蘋果、梨、櫻桃、葡萄的年產量達12.15億斤,年產值34.47億元,經濟效益價值20.27億元,其中,桃、蘋果和梨占北京市經濟林總產值的64.58%[1]。因此,根據北京地區果品生產和消費的特點,系統探討6種主產水果的主要礦質元素含量水平,并對其進行初步的膳食營養評估和風險評估,將為北京地區水果的生產和消費提供參考依據。

水果是人類健康飲食的重要組成部分,含有豐富的礦質營養元素,對維持人體機能的正常運轉與平衡起著重要作用。礦質元素攝入過量或不足都會不同程度地引起人體生理異常,增加患病風險。目前,礦質元素的含量分析在蔬菜[2-4]、水果[5-12]、干果[13-14]、中草藥[15-16]等中均有大量報道,多數為檢測方法的開發、利用,種質資源評價與新品種選育以及有毒重金屬的膳食暴露風險評估,而對于多種水果中礦質營養元素含量的比較分析與安全性評估的研究報道較少。

中國關于營養元素的風險評估工作在制定中國居民膳食營養素參考攝入量(DRIS)中已經引入,并提出了大多數營養素的日推薦攝入量(recommended nutrient intake,RNI)、適宜攝入量(adequate intake,AI)和可耐受攝入量(tolerable upper intake level,UL),在制定相應的營養政策、標準中起重要作用[17]。本研究采用ICP-MS對北京地區主要生產的6種水果中9種礦質元素含量進行比較和分析,并分別以其RNI/AI和UL為評價標準,對居民每日從水果中攝入礦質營養元素的含量進行評估;明確北京地區草莓、櫻桃、梨、桃、葡萄和蘋果中9種礦質營養元素的含量水平及其對各類人群的膳食風險水平,確定需要重點關注的礦質元素與人群,為市民平衡膳食提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

水果樣品 2018年于各種水果的適采成熟期,從北京各區的不同果園隨機采集樣品156份,每份3 kg,具體樣品信息詳見表1;Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ge、Rh單元素標準溶液(1000 mg/L) 國家標準物質研究中心;Li、Co、In、U調諧液(10 mg/L) 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;生物成分分析標準物質:大米(GBW10010)、遼寧大米(GBW10043) 國家標準物質研究中心;濃硝酸(HNO3優級純) 默克化工技術(上海)有限公司;超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm) 由Milli-Q超純水系統制得;高純氬氣(純度99.99%) 北京氦普北分氣體工業有限公司。

表1 樣品信息表Table 1 Information sheet for samples

MARS6微波快速消解系統 美國培安科技有限公司;X SeriesⅡ電感耦合等離子體質譜儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;Milli-Q超純水儀(電阻率>18.2 MΩ·cm) Millipore;BSA2202S、BSA224S-CW電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;EHD-40趕酸儀 北京東航科儀儀器有限公司;JYL-C50T勻漿機 九陽股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 樣品經自來水、超純水沖洗干凈后,草莓取全果,其它5種水果除去果核后分別進行勻漿。準確稱取2.00 g勻漿樣品放入消解罐中,加入5 mL HNO3,按照表2設定的消解程序進行微波消解。消解完全后,待溫度冷卻至70 ℃以下,在通風櫥中緩慢打開消解罐,在90 ℃水浴中趕酸1.5 h。趕酸近干并冷卻后,將消解液轉移至25 mL容量瓶中,以少量超純水洗滌消解罐與蓋子3～4次,合并洗液并轉移至容量瓶中,定容至刻度線,混勻待測。以同樣的方法制備空白對照和大米標準物質消解液。所有玻璃容器均需30% HNO3浸泡2 d,超純水沖洗干凈后使用。

表2 微波消解程序Table 2 The procedure of microwave digestion

1.2.2 樣品中礦質元素含量的測定 用ICP-MS測定每個樣品中Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se元素的含量,將20 μg/L的Ge、Rh混合內標溶液(介質為2% HNO3(V/V))通過三通進樣管在線加入,樣品直接進入質譜儀檢測,每個樣品重復測定3次,樣品之間用2% HNO3(V/V)溶液清洗管路。用標準物質大米(GBW10010)和遼寧大米(GBW10043)作為質量控制,標準參考物的測定值在其定值范圍內的同批樣品檢測值為有效結果[6]。對于未檢出的樣品,根據世界衛生組織和美國環境保護署推薦的數據處理方法,用定量限的一半代替[18]。

1.2.3 礦質元素攝入量占其RNI/AI的比值 計算公式為:

V=C×IR/RA×100

式中,V:該種水果的礦質元素攝入量占中國居民膳食礦物質推薦攝入量/適宜攝入量(RNI/AI)的比值,%;C:該種水果的礦質元素含量,mg·kg-1;IR:該種水果的日均消費量,kg·d-1;RA:中國營養學會制定的中國居民膳食營養素參考攝入量中的RNI/AI,mg·d-1。

1.2.4 匹配度的計算 計算公式為:

式中,DM:該種水果的礦質元素含量與人體每日需求量間的匹配程度(degree of match,DM),%;k:礦質元素種類;V:該種水果的礦質元素攝入量占其RNI/AI的比值,%。

在未超過人體可耐受最高攝入量的情況下,DM越大,則認為該種水果中的礦質元素含量滿足人體每日膳食攝入需求的程度越高。

1.2.5 風險指數的計算 計算公式為:

R=C×IR/UL×100

式中,R:風險指數,單位%;C:該種水果的礦質元素含量,單位mg·kg-1;IR:該種水果的日均消費量,單位kg·d-1;UL:可耐受最高攝入量,單位mg·d-1。

采用風險指數對膳食風險進行評估,來自6種水果的礦質元素含量與UL的比值越小則風險越小,當R≤100%時,表示風險可以接受;當R>100%時,表示有不可接受的風險。

1.3 數據處理

實驗數據應用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0進行整理和分析。

2 結果與分析

2.1 標準曲線和檢出限

將各單標元素的標準儲備液用2% HNO3(V/V)稀釋配制成0、1、5、50、500、2000 μg/L的混合標準曲線溶液,用于測定Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Se元素的標準曲線。如表3所示,按照本實驗方法,9種元素的線性回歸方程相關系數r均不小于0.9990,線性關系良好。通過對樣品空白溶液測定11次所得標準偏差的3倍所對應的質量濃度為各元素的檢出限,結果顯示檢出限在0.000125～0.125 mg/L范圍內。

表3 標準曲線和檢出限(n=11)Table 3 Results of detection of linearity and limits of detection(n=11)

2.2 標準參考物質的測定

用生物成分分析標準物質大米(GBW10010)和遼寧大米(GBW10043)進行水果中9種礦質元素含量測定的質量控制。如表4所示,各元素的測定值都在國家標準參考值范圍內、吻合良好,且RSD值均小于8%,該實驗方法能夠滿足檢測要求。

表4 大米標準品的礦質元素含量(n=7)Table 4 Mineral elements contents in rice standard(n=7)

2.3 加標回收試驗

分別對6種水果中的9個元素進行3個濃度梯度的加標,每個濃度設7個平行。實驗結果(表5)表明,各元素的加標回收率為81.25%～110.46%,相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)為1.4%～7.9%,表明該實驗方法的準確度和精密度較好,適用于水果中礦質元素含量的測定。

表5 水果中礦質元素的添加回收試驗結果(n=7)Table 5 Results of recovery for mineral elements in fruits(n=7)

2.4 水果中礦質元素含量的分析與比較

156份水果樣品的礦質元素含量如表6所示,9種元素平均含量由高到低依次為:Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,其中Mg作為常量元素在水果中含量最高,微量元素中Zn、Fe、Mn、Cu的平均含量明顯高于Cr、Ni、Co、Se,各元素之間差異顯著(P<0.05),且離散程度較大,變異系數范圍為51.22%(Cu)～99.58%(Ni)。

表6 水果中礦質元素的含量水平Table 6 The contents of mineral elements in fruits

如表7所示,北京地區主要生產的6種水果中均含有豐富的Mg元素,櫻桃中Mg的平均含量高達192.71 mg/kg,約為草莓的1.2倍、梨的2倍、葡萄和桃的4倍、蘋果的5倍,各種水果樣品之間離散程度很小,變異系數僅為7.43%(桃)～13.52%(葡萄)。

表7 6種水果的礦質元素含量水平Table 7 Mineral elemental levels of six fruits

微量元素中含量較高的Zn、Fe、Mn、Cu在6種水果中的含量有所差異,將其進行高低排序可以看出,梨、葡萄和桃中Zn的含量高于Fe,且Zn在該4種微量元素中排序最高;其它3種水果與之相反,Fe的含量高于Zn。在櫻桃和葡萄中,Cu的含量高于Mn,且Mn的含量排序最低;其它4種水果與之相反,其中,草莓的Mn含量極為豐富,其約為Zn、Fe兩元素含量之和。

將Zn、Fe、Mn、Cu在6種水果之間進行比較可以看出,Fe在草莓中的平均含量顯著低于櫻桃、梨、葡萄、桃和蘋果(P<0.05),而該5種水果之間差異并不顯著(P>0.05),樣品之間離散程度很大,變異系數最高達到81.79%(蘋果),可能與水果品種有關。Zn在梨中含量最高,在櫻桃中含量最低,且6種水果中均呈顯著差異(P<0.05),樣品之間離散程度較小。Cu在葡萄中含量最高,除櫻桃和梨中的Cu含量差異不顯著以外(P>0.05),其它水果之間均呈顯著差異(P<0.05)。Mn在草莓中含量最高且顯著高于其它5種水果(P<0.05)。

含量較低的Cr、Ni、Co、Se四種微量元素在水果中的排序結果為,除梨以外,其它5種水果中Cr的含量均高于Ni;除櫻桃和葡萄以外,其它4種水果中Co的含量均高于Se。通過水果之間元素含量的縱向比較可以看出,Co在梨中含量最高,在葡萄中含量最低,草莓、櫻桃、桃和蘋果中Co的含量差異并不顯著(P>0.05);Cr和Ni兩種元素均在桃中含量最高,分別為117.49和95.19 μg/kg,在櫻桃中含量最低,僅為13.34和6.25 μg/kg;而Se在水果中含量較低,且在水果之間差異均不顯著(P>0.05),根據富硒干鮮果品相關標準的判定[19-21],北京地區主要生產的6種水果中均未發現富硒樣品,僅在梨和葡萄中各有一例樣品為Se含量大于5 μg/kg,分別占其樣本總量的3.13%和5.00%。

2.5 水果中礦質元素攝入量占其推薦攝入量/適宜攝入量的比值分析

《中國居民膳食指南(2016)》[22]和《中國學齡兒童膳食指南(2016)》[23]均推薦7～17歲兒童的每日新鮮水果攝入量為150～350 g,中國居民平衡膳食寶塔(CBDP)建議18～50歲一般健康成年人的每日水果攝入量為200～400 g[24]。假設北京地區7～50歲各類人群每日攝入足量的水果,以資料中給定的水果攝入量上限作為水果日均消費量,將其乘以6種水果的各礦質元素含量平均值,分別求得6種水果中的9種礦質元素日平均攝入量。根據中國營養學會于2013年制定的不同年齡段中國居民礦質營養元素的RNI/AI和UL標準[25],以及中華人民共和國國家衛生健康委員會發布的中國居民膳食營養素參考攝入量[26-27],按照公式求得7～50歲各類人群從水果中攝入的礦質元素含量占其RNI/AI的比值。因為我國尚未制定不同年齡組人群Co和Ni的RNI/AI參考值,所以本文僅對其余7種元素加以分析,詳見圖1。

圖1 不同年齡段人群礦質元素攝入量與RNI/AI的比值Fig.1 The ratios of mineral element intake to RNI/AI in people of different ages

由圖1可知,7種元素分別在6種水果中的總比值均按照年齡呈現出先降后升的趨勢,總體來看,Cr的攝入量最高,而Se的攝入量最低。除了Zn-女和Cr-女的總比值轉折點在11～13歲年齡段,其余元素的總比值轉折點在14～17歲年齡段。其中,Fe-男和Zn-女的最大比值位于18～50歲年齡段,6種水果所占總比值分別為92.33%和179.36%,其余元素均在7～10歲年齡段比值最高,其中Cr-男/女高達399.03%,Cu高達265.30%,Zn-男高達168.15%,Mg、Fe-女、Mn、Se依次為94.66%、74.58%、73.62%和7.83%。

其中,7～50歲各類人群每日食用足量的桃(水果推薦攝入量的上限),可使Cr的攝入量超過其AI標準,而每日食用足量的葡萄或蘋果,也可使Cr的攝入量超過50%的AI標準。7～10歲兒童每日食用足量的櫻桃或梨,7～13歲兒童和18～50歲成年人每日食用足量的葡萄,可攝入高于一半RNI標準的Cu。每日食用足量的梨也可使7～10歲兒童和14～50歲女性攝入高于一半RNI標準的Zn。為防止Cr、Cu、Zn攝入過量而影響健康,應對其進行重點關注。此外,7～50歲各類人群從水果中攝入Se的含量最高僅為2.23%的RNI標準,為防止Se攝入不足而造成營養不良甚至缺乏病,有必要對其進行進一步研究。

2.6 礦質元素攝入量與推薦攝入量/適宜攝入量的匹配度分析

評估6種水果中各元素含量滿足人體需求的總程度,如表8所示,7～10歲兒童的礦質元素匹配度最高,之后隨著年齡的增長而持續降低,雖然在18～50歲年齡段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10歲年齡段。6種水果相比,草莓、蘋果和櫻桃的礦質元素匹配度在各年齡段人群中相差不多,且數值較低。桃在各年齡段人群中的礦質元素匹配度均為最高,其次為葡萄和梨,可認為該水果中的礦質元素含量滿足人體每日膳食攝入需求的程度較高。

表8 水果中的礦質元素匹配度(%)Table 8 The degree of match of mineral elements in fruits(%)

2.7 礦質元素膳食風險評估

因中國營養學會和中華人民共和國衛生行業標準均未制定Mg和Cr的UL值,所以本文僅對Mn、Fe、Cu、Zn、Se 5種元素加以分析。通過計算水果中的礦質元素平均風險和最大風險(表9),發現來自6種水果的礦質元素攝入風險指數遠小于100%,表明7～50歲各類人群從該6種水果中攝入礦質元素的量是安全的。所有元素的平均風險指數與最大風險指數之間呈正比例關系,即平均風險指數最大,其對應的最大風險指數亦最大。

5種元素的平均風險指數和最大風險指數的最高點均位于7～10歲年齡段人群,其中Zn的平均風險指數和最大風險指數最高,風險指數范圍分別為1.36%(櫻桃)～22.64%(梨)和1.80%(櫻桃)～33.92%(梨);Se的平均風險指數和最大風險指數范圍分別為0.14%(蘋果)～0.45%(櫻桃)和0.37%(蘋果)～0.80%(櫻桃),在5種元素中最低。Mn和Fe兩種元素的最低點均位于14～17歲人群,其平均風險指數和最大風險指數范圍分別為1.40%(葡萄)～9.77%(草莓)和1.90%(葡萄)～18.64%(草莓)、1.46%(草莓)～6.95%(桃)和3.42%(草莓)～13.25%(桃);其它3種元素的最低點均位于14～50歲人群,其中Se的平均風險指數和最大風險指數最低,范圍分別為0.08%(蘋果)～0.26%(櫻桃)和0.21%(蘋果)～0.46%(櫻桃)。同時,從表9中可以看出,7～10歲兒童從草莓中攝入的Mn和從梨中攝入的Zn,其風險指數遠高于其它水果,雖然隨著年齡的增長,風險指數有所降低,但仍然高于其他5種水果,應給予重點關注。

表9 不同人群礦質元素風險指數Table 9 The risk index of mineral elements in people of different ages

3 討論

不同礦質元素在水果中的含量存在差異。唐文等[5]測定了上海地區20種水果中Cu、Cd、Pb、Zn、Se的含量,發現其存在明顯差異,水果中Cu含量最高為山竹,Cd含量最高為紅富士蘋果,Pb含量最高為紅富士蘋果,Zn含量最高為桃子,Se含量最高為橙子?？锪W等[6]對遼寧省蘋果、梨、桃和葡萄中的礦質元素含量進行測定,10種元素的含量高低依次為K>P>Mg>Ca>Na>B>Fe>Cu>Mn>Zn,且之間以正相關為主。陳輝等[7]測定了北京地區桔子、香蕉、蘋果、葡萄、桃子、梨和李子中40種元素含量,發現不同水果中各元素含量無明顯規律。這些與本研究結果一致,水果中礦質元素含量差異明顯,同一礦質元素在不同水果中的含量也存在差異。

聶繼云等[8]測定了安徽、江蘇、河北、河南、遼寧、山東、陜西、新疆八個省份主產果品中的Se含量,發現富硒樣品比例為14.2%,棗中含量最高,蘋果含量最低,其余水果之間差異不明顯,有的省份之間水果Se含量存在明顯差異。而本研究尚未在北京地區發現富硒樣品,Se在水果中含量較低,且在水果之間差異不明顯。這是由于水果中的礦質元素含量與果樹種類、土壤質地、土肥水條件等因素有關。

根據中國營養學會制定的RNI/AI和UL,從人體膳食營養的角度對不同水果的礦質元素進行評價。劉哲[12]分析了不同柑橘果實中12種礦質元素的匹配度,各元素滿足人體需求的程度隨著年齡增長而持續降低,與本研究結果一致?？锪W等[6]和聶繼云等[8]對不同年齡段各類人群每日從水果中攝入礦質元素的量進行風險評估,發現Cu的風險指數高于其它元素,但各類人群從水果中攝入礦質元素的量是安全的。本研究中,Cu、Zn、Cr的攝入量占其RNI/AI的比值較高,且7～10歲兒童從草莓和梨中攝入Mn和Zn的風險指數較大,但所有元素風險指數遠小于100%,不會影響人體健康。

4 結論

本實驗采用ICP-MS法測定北京地區主產水果中的礦質元素含量,9種元素平均含量由高到低依次為Mg>Zn>Fe>Mn>Cu>Cr>Ni>Co>Se,各元素含量之間整體差異明顯,且離散程度較大。水果中均含有豐富的Mg,微量元素Zn、Fe、Mn、Cu的含量明顯高于Cr、Ni、Co、Se。通過對6種水果中元素含量的水平分析和水果之間的縱向比較,得到9種礦質元素在水果中的含量狀況和排序規律,但尚未發現富硒樣品。

北京地區各類人群從水果中攝入的礦質元素含量占其RNI/AI的比值均按年齡呈先降后升的趨勢,總體來看,Cr的攝入量最高,Se最低。所有年齡段人群每日食用足量的桃(水果推薦攝入量的上限),可攝入超過其AI標準的Cr,而每日食用足量的葡萄或蘋果,可攝入高于一半AI標準的Cr,此外,從水果中攝入Se的含量最高僅為2.23%的RNI標準,該兩種元素需要重點關注。

水果中礦質元素滿足人體需求的程度隨著年齡增長而持續降低,雖然在18～50歲年齡段有所回升,但其匹配度仍然低于7～10歲年齡段。其中,桃在各年齡段人群中的礦質元素匹配度均為最高,其次為葡萄和梨,該水果滿足人體每日膳食礦物質攝入需求的程度較高。雖然7～10歲兒童從草莓中攝入Mn和從梨中攝入Zn的風險指數較大,但所有元素風險指數遠小于100%,7～50歲各類人群從6種水果中攝入礦質元素的量是安全的。