五種魔芋中主要營養成分及重金屬元素分析

周啟武1,桂云霞2,李明燦3,張國昌3,馬引娟3,白海東

(1.滇西科技師范學院生物技術與工程學院,云南臨滄 677000;2.云南農業大學食品科學技術學院,云南昆明 650201;3.孟定海關綜合技術中心,云南臨滄 677000;4.臨滄市林業科學院,云南臨滄 677000)

魔芋(AmorphophalluskonjacC. Koch)為天南星科(Araceae)魔芋屬(AmorphophallusBlume)多年生宿根性球莖草本植物,雌雄同株,起源于印度及斯里蘭卡,全球共有163個品種,現分布于印度半島及東亞洲各國及非洲的部分國家,別名有“磨芋”、“鬼芋”、“蒟蒻”、“妖芋”、“花麻蛇”等[1]。我國已發現并命名的有26種,占世界魔芋種數的22.6%,主產于四川、陜西、云南、貴州、安徽、湖北、福建和臺灣等地[2-3],栽培面積達190萬畝,加工企業130余個,年產魔芋精粉、微粉2.5萬噸,占世界總產量的60%,成為全世界魔芋種植面積最大的國家,也是我國中西部地區農業產業結構調整以及農民脫貧致富的支撐產業之一,而云南省作為魔芋的發源地和中國最大的魔芋生產區之一,占全國魔芋產量的60%[4-5]。

在我國,魔芋有著悠久的種植、食用及藥用歷史。早在2000多年前就有古人用魔芋來治病,現也證實了魔芋屬于熱量、脂肪、糖分都很低的食物,且具有治療高血脂、糖尿病等慢性疾病[6],以及抗氧化及保護肝臟[6-7]、鎮痛[8]、消炎[6,9]、殺菌[10]、驅蟲[11]等功效,有緩解甲狀腺癌、胃賁門癌、結腸癌、鼻咽癌、乳腺癌癥狀和增強免疫力等作用[12-13],被譽為“魔力食品”、“胃腸道清道夫”,且魔芋食品位列WHO推薦的“十大健康食品”之列,具有良好的產業發展前景,我國目前現有的魔芋食品行業對魔芋精粉年平均需求量在1萬噸以上[4,14]。在很多地區以作為農民增加收入[15-16],脫貧致富的經濟產業[17-18],也為部分地區提高植被覆蓋率保護生態環境發揮了良好的作用[18-20],特別是在當前鄉村振興戰略背景下,魔芋產業已為我國西部最具成長潛力與競爭優勢的地方特色資源產業[21]。

研究表明,魔芋及其相關產品在農林業、食品、醫藥衛生及工業等領域有著廣泛的用途和發展前景[22-23],有關魔芋的研究越來越多,主要集中于魔芋的栽培技術、病蟲害防治、藥用保健價值方面[22,24],結合不同地區對魔芋的營養成分及重金屬含量方面的研究較少,一定程度上限制了魔芋及其產品的綜合利用。本研究通過對幾種魔芋中主要營養成分和重金屬元素分析,以期為魔芋種植品種和精深加工產業中原料的選擇以及重金屬評價提供科學依據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

汀盛1號(自研品種)、滇魔芋(A.yunnanensisEngl) 云南省臨滄市林業科學院提供,白魔芋(A.albus)、黑魔芋(A.nigrum)和珠芽魔芋(A.bulbiferBlume) 采自臨滄市永德縣;硫酸 優級純,四川西隴科學有限公司;硝酸 優級純,美國默克公司;氫氧化鈉 優級純,天津津科精細化工研究所;95%乙醇、無水乙醚、石油醚(30～60 ℃)、甲基紅 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、3,5二硝基水楊酸、溴甲酚綠(指示劑級) 均為分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;GNM-SAU-002-2013金單元素溶液標準物質 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;GBW(E)080263錳單元素溶液標準物質 國家標準物質研究中心;GBW(E)080923鉛單元素溶液標準物質、GBW(E)080119鎘單元素溶液標準物質、GBW08614鉻單元素溶液標準物質、GBW08611砷單元素溶液標準物質、GBW08611砷單元素溶液標準物質、GBW08617汞單元素溶液標準物質、GBW08618鎳單元素溶液標準物質 中國計量科學研究院;實驗過程用水 均為超純水。

AA-6800F原子吸收分光光度計 日本島津公司;Kjeitec 8400全自動凱氏定氮儀、Foss Soxtec TM800索氏提取儀 丹麥福斯公司;Agiient 7800電感耦合等離子體質譜儀 美國安捷倫公司;Sartorius BSA224S1電子天平 賽多利斯(北京)公司;Anton Paar MW PRO-T50高壓微波消化器 奧地利安東帕有限公司;DHG-9070A電熱鼓風干燥箱機 上海浦東榮豐科學儀器有限公司;LabTech-EG35A-PLUS數顯控溫電熱板 北京萊伯泰科儀器股份有限公司;SCIENTZ-SB-5200D超聲波清洗機 寧波新芝生物科技有限公司;HH-4恒溫水浴鍋 常州國華電器;CS-800高速多功能粉碎機 武漢海納電器;B-400高速均質器 瑞士步琦;KA-1000C離心機 上海安亭科學儀器廠;STUART電磁攪拌器 英國斯圖爾特有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡甘露聚糖含量測定

1.2.1.1 制作葡萄糖標準曲線繪制 依次取0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 mL標準葡萄糖液于對應25 mL容量瓶中,分別加蒸餾水補足至2 mL,再分別加入1.5 mL 3,5-二硝基水楊酸試劑,充分搖勻后均于沸水浴加熱5 min,然后取出冷卻至室溫,用蒸餾水定容,各取1 cm比色皿于550 nm測定吸光度值,以蒸餾水顯色反應作空白調零,記錄不同濃度葡萄糖工作液的吸光度值,以葡萄糖毫克數為橫坐標(X),吸光度值為縱坐標(Y)建立回歸方程[25]。

1.2.1.2 魔芋粉指標 參照《魔芋粉》(NY/T 494-2010)將清水洗凈的魔芋球莖切成3～5 mm薄片,于陽光下通風曬干,經粉碎去掉雜質后過40目篩(≤0.425 mm)制得白色普通魔芋精粉備用[25]。

1.2.1.3 魔芋葡甘露聚糖提取液及水解液的制備 準確稱取0.2 g魔芋粉末,加入盛有50 mL甲酸-氫氧化鈉緩沖液的燒杯中,在室溫下通過電磁攪拌1～2 h溶脹后放置至第2 d,經4000 r/min離心20 min后得到上清液,轉移至100 mL容量瓶,并用甲酸-氫氧化鈉緩沖液定容至100 mL,即為魔芋葡甘露聚糖提取液。再取5.0 mL魔芋葡甘露聚糖提取液于小燒杯中,準確加入2.5 mL 3 mol/L H2SO4搖勻,沸水水浴1.5 h,冷卻后加入2.5 mL 6 mol/L NaOH,搖勻后轉移至25 mL容量瓶中,加蒸餾水定容即得可魔芋葡甘露聚糖水解液。

1.2.1.4 魔芋中葡甘露聚糖測定 分別取葡甘露聚糖提取液、水解液和蒸餾水2.0 mL于3個小燒杯內,依次加入1.5 mL 3,5-二硝基水楊酸,在沸水浴中加熱5 min,冷卻后轉移至25 mL容量瓶中,用蒸餾水定容,以蒸餾水作空白調零,在分光光度計550 nm處分別測定吸光度值,再根據葡萄糖標準曲線查出葡甘露聚糖水解液葡萄糖毫克數(T)和葡甘露聚糖提取液葡萄糖毫克數(T0),通過以下公式計算出葡甘露聚糖含量[25]。

式中:ε-葡甘聚糖中葡萄糖和甘露糖殘基分子量與其水解后所生成的葡萄糖和甘露糖分子量之比(ε=0.9);T-標準曲線上所對應的葡甘露聚糖水解液葡萄糖含量(mg);T0-標準曲線上所對應的葡甘露聚糖提取液葡萄糖含量(mg);m-樣品質量(g)。

1.2.2 蛋白質含量測定 分別稱取5種魔芋粉末試樣2.000 g(精確至0.001 g)至消化管中,依次加入研細的0.4 g CuSO4和6 g K2SO4粉末、少量超純水及20 mL H2SO4后于消化爐上(420 ℃)消化150 min,冷卻至管中液體呈綠色透明狀,以試劑作空白對照依次經凱氏定氮儀測定蛋白質的含量[26]。

1.2.3 粗脂肪含量測定 依次稱取試樣3.000 g(m0)于砂芯杯內,放入脫脂棉,連接裝置和電源,待索氏抽提儀完成自檢后裝好砂芯杯,于恒重(m1)的接收瓶中加入1/3體積的石油醚后放于儀器內,設定程序(溫度80 ℃,沸騰60 min,淋洗60 min,回收40 min)自動抽提6 h(6～8次/h),待抽提液沒有油斑時回收石油醚,取下接收瓶置于硅膠干燥器中干燥30 min后稱量,重復至恒重(m2),即可按以下公式計算魔芋中脂肪含量,結果保留兩位小數[27]。

1.2.4 粗纖維含量測定 稱取20 g試樣(m)于500 mL錐形瓶中,加入200 mL煮沸的1.25% H2SO4,并于電熱板上恒體積微沸30 min(攪拌1次/5 min),迅速用亞麻布過濾,用沸水洗滌至洗液中性,再用200 mL煮沸的1.25% KOH溶液將亞麻布上的殘留物洗入原錐形瓶中,繼續微沸30 min,重復加熱洗滌3次后移入恒重(G0)的垂熔坩堝中抽濾,用熱水充分洗滌后抽干,再依次用乙醇和乙醚各洗滌1次。將坩堝和內容物于105 ℃烘箱中烘至恒量(G1)后按以下公式計算魔芋中粗纖維含量,結果保留兩位小數[28]。

1.2.5 重金屬含量測定 微波消解:稱取粉末試樣0.2 g(m)于消化管中,加入5 mL硝酸,加蓋放置1 h,按高壓微波消化器設定程序加熱消解(見表1)。消解完后冷卻至100 ℃左右,取出自然降到室溫并于超聲水浴箱中超聲脫氣5 min,用超純水定容至25 mL(V)備用,其中設置2個空白[29]。

表1 微波消解儀設置條件Table 1 Conditions of microwave digestion device

ICP-MS工作條件:測定前,對儀器的射頻功率、等離子體氣流量、載氣流量、輔助氣流量等操作條件和參數進行調諧,以得到最佳靈敏度,本研究中ICP-MS工作條件如表2。

表2 電感耦合等離子體質譜儀工作參考條件Table 2 Working reference conditions of ICP-MS

元素分析模式及內標選擇:根據ICP-MS待測Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、Hg和As 7種元素選擇對應的分析模式,并嚴格按標準選擇待測元素所對應的同位素和內標元素[29],見表3。

表3 ICP-MS待測元素分析模式及所選同位素與內標元素Table 3 Elemental analysis mode of ICP-MS and selected isotope and internal standard elements

元素含量的測定:先測定待測元素和內標元素的信號響應值,在用電感耦合等離子體質譜儀測定空白溶液和試樣溶液,得到試料空白溶液質量濃度(ρ0)和試料溶液中被測元素質量濃度(ρ),根據標準曲線(所選內標元素響應信號值)及以下公式計算得到消解液中待測元素的濃度(X),結果保留三位小數:

1.3 數據處理

實驗每個樣品重復測定3次,數據利用Microsoft Office 2010求出平均值±標準偏差(Mean±SD)并繪圖,數值表示為平均值±標準差;利用SPSS 22.0中文版進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 魔芋中主要營養成分

2.1.1 葡甘露聚糖含量 本研究建立的回歸方程y=0.1364x+0.0172(R2=0.9987),根據回歸方程得出葡甘露聚糖含量結果見圖1。

圖1 5種魔芋中葡甘露聚糖的含量Fig.1 Glucomannan contents in five kinds of konjac

由圖1所示,測定的5種魔芋中汀盛一號和白魔芋葡甘露聚糖含量最高,分別為65.92%和65.31%,滇魔芋次之(57.74%),珠芽魔芋和黑魔芋最低(分別為55.51%、54.83%)。孫天瑋等[30]測定白魔芋葡甘聚糖含量為51.05%,珠芽魔芋46.59%,而魔芋精粉最高在51.3%～63.5%[31],而不同品種的魔芋葡甘聚糖含量相差較大,分布在10%～70%之間[32],一般在60%左右[33],含量差異除與魔芋品種有關外,還可能與魔芋粗粉、生長環境等有關[34-35]。因葡甘露聚糖是一種天然合成的高分子多糖,本身具有獨特的抗菌性、增稠性、膠凝性、乳化性和流變性等,可減少和延緩葡萄糖吸收而抑制血糖升高和脂肪酸合成、增強機體免疫能力等[4,36],使其在醫藥保健、農業、食品產業和環保工業等各方面都具有很好的應用價值,是評價魔芋品質的重要指標之一[22,36],因此以葡甘聚糖成分作為精深加工產品開發利用時,可首選汀盛一號和白魔芋作為原料。

2.1.2 蛋白質含量 蛋白質含量測定結果見圖2。

圖2 5種魔芋中蛋白質含量的測定結果Fig.2 Protein contents in five kinds of konjac

圖2所示,汀盛一號和白魔芋中蛋白質含量最高,分別為7.86%和7.57%,其次是黑魔芋(5.53%)和滇魔芋(5.36%),株芽魔芋最低(4.16%),整體含量區間比《中國食物成分表》(4.6%)高[37],而朱瑛等[38]測定魔芋中蛋白質含量僅為0.12%,魏養利等[4]測定為3.4%,表明不同品種的魔芋蛋白質含量存在差異,且本次研究的魔芋樣品中蛋白質含量普遍高于文獻報道數據。

2.1.3 脂肪含量 脂肪含量測定結果見圖3。

圖3 5種魔芋中脂肪含量的測定結果Fig.3 Crude fat contents in five kinds of konjac

由圖3所示,測定的5種魔芋中脂肪含量在0.06%～0.54%之間,其中滇魔芋的脂肪含量為0.06%,比其他經常食用的食物含量(10%～30%)少得多,李磊[24]測定了不同魔芋中粗脂肪含量為0.28%～0.48%,均說明魔芋脂肪含量低,屬于低脂、低熱量食品,可為“魔力食品”的精深加工提供數據參考。

2.1.4 粗纖維含量 粗纖維含量測定結果見圖4。

圖4 5種魔芋中粗纖維含量測定結果Fig.4 Coarse fib contents in five kinds of konjac

由圖4所示,5種魔芋樣本中粗纖維含量從高到低依次為白魔芋(4.70%)>汀盛一號(3.80%)>株芽魔芋(3.70%)>黑魔芋(3.60%)>滇魔芋(3.10%),魔芋塊莖中粗纖維含量一般在4%～4.5%[39],而李磊[24]測定了10種不同魔芋中粗纖維含量為3.14%～5.14%,因食物中的粗纖維不易消化,對肥胖、糖尿病和高血脂等病起到預防和治療作用[6],所以魔芋可作為補充人體膳食纖維較好的食藥材料,同時本研究結果也為魔芋產品深加工工藝提供參數。

2.2 魔芋中重金屬含量

2.2.1 標準曲線線性范圍、曲線方程、相關系數、檢出限和定量限 ICP-MS檢測法具有線性范圍寬的特點,由表4可知,在滿足線性范圍的穩定性和重復性條件下,Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、As和Hg標準曲線適宜的最高濃度均為50 μg/L,標準曲線的相關系數均在0.9994以上,線性較好,完全能夠滿足分析方法的需要。同時,按照標準計算本方法的檢出限[20],以空白試劑響應值的10倍標準偏差作定量限,得出各重金屬元素的檢出限和定量限分別在0.002～0.200 mg/kg和0.001～0.130 mg/kg之間,說明該方法靈敏度高,能準確測定低含量的元素,完全能夠滿足農產品質量安全監測的要求。

表4 重金屬標準曲線線性方程、線性范圍、相關系數及檢出限Table 4 Linear equation,linear range,correlation coefficient,detection limit of heavy metal standard curve

2.2.2 精密度與加標回收驗證 取消解待測液按標準預實驗方法進行平行試驗5份,計算各元素含量的平均值,同時分別于各溶液中加入一定量對應的Cr、Mn、Ni、Cd和Pb標準溶液進行加標回收試驗,每份溶液測定3次,以加標前測定的含量平均值計算各元素的回收率,并以各元素相對標準偏差(RSD)來確認方法的準確性與精密度(表5)。

表5 精密度與加標回收試驗結果Table 5 Recovery tests of precision and standard addition in digestion solution

由表5可知,各元素相對標準偏差(RSD)≤6.94%,回收率在96.7%～107.2%之間,表明該測定方法的準確度良好且精密度高,滿足試驗測定要求。

2.2.3 五種魔芋中重金屬含量測定結果 按以上條件依次對5種芋魔芋樣品處理液進行測定,并根據公式計算得出5種魔芋中Cr、Mn、Ni、Cd、Pb、As和Hg的含量,結果見表6。

表6 5種魔芋中重金屬含量的測定結果(mg/kg)Table 6 Heavy metals contents in five kinds of konjac(mg/kg)

由表6可知,本次測定的魔芋樣品中錳含量較高(8.170～53.290 mg/kg,其中黑魔芋含53.290 mg/kg),鉻含量在0.320～1.715 mg/kg之間,鎳含量在0.232～0.604 mg/kg之間,鎘含量為0.014%～0.025 mg/kg,鉛含量在0.140%～0.251 mg/kg,砷含量在0.018～0.092 mg/kg,汞含量在0.036～0.062 mg/kg之間,均符合我國食品安全國家標準限量標準(鉻<1 mg/kg,鎳<1.0 mg/kg,鎘<0.03～0.2 mg/kg,鉛<1～2 mg/kg,砷<0.5 mg/kg,總汞<0.1 mg/kg)[40]。雖然本研究所測定的5種魔芋樣本中的7種重金屬含量均符合我國食品安全國家標準限量標準可安全食用,但為開展魔芋及相關產品的安全性評價,仍需對不同土壤環境、魔芋及其產品中各重金屬含量、富集作用、危害及防控措施等開展大量研究。

3 結論

本研究表明,魔芋中含有豐富的葡甘聚糖(含量54.83%～65.92%),可達干質量的60%左右,蛋白質含量為4.16%～7.86%,粗脂肪含量最少(0.06%～0.54%),粗纖維含量為3.10%～4.70%,Mn含量較高(8.170%～53.290%,其中黑魔芋含53.290%),且含有Cr、Ni、Cd、Pb、As和Hg6種重金屬元素,但含量均在我國食品安全國家標準(GB 2762-2017)的限量要求以內,含量極低,可以放心食用。在不同品種的魔芋中,葡甘露聚糖、脂肪、蛋白質、重金屬、粗纖維的含量都有著顯著的差距,但白魔芋營養價值整體比其他4種魔芋高,而新品種汀盛一號魔芋葡甘露聚糖(65.92%)高于其他已報道的品種(60%),蛋白質含量最高(7.86%)。本研究結果可對種植品種進行優選以提升魔芋及其產品品質、精深加工工藝、品牌創建、增加種植戶收入和持續發展等提供理論參考。