匡立学, 聂继云, 李志霞, 毋永龙, 闫震, 程杨, 关棣锴. 辽宁省4种主要水果矿质元素含量及其膳食暴露评估[J]. , 2016, 49(20): 3993-4003 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.20.013
KUANG Li-xue, NIE Ji-yun, LI Zhi-xia, WU Yong-long, YAN Zhen, CHENG Yang, GUAN Di-kai. Mineral Element Contents of Four Main Fruits from Liaoning Province and Their Dietary Exposure Assessment[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(20): 3993-4003 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.20.013

0 引言

【研究意义】辽宁省是中国苹果、梨、桃、葡萄等果树主产区,栽培历史悠久。至2013年,辽宁省果园栽培面积和产量分别为400 400 hm²和2.5 093×10⁸ t,其中苹果、梨、桃和葡萄共占总栽培面积和产量的82.1%和33.8%^[1]。水果是人们健康饮食的重要组成部分,其含有Fe、Mn、Zn、Cu等多种与人的生存和健康息息相关的必需矿质营养元素,它们在体内不能自行合成,必须由外界摄入。一定量的矿质元素是维持机体正常生命活动所必需的,但是当其摄入过量、不足、或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病。根据辽宁省水果生产和消费特点,系统探讨4种水果主要矿质元素含量水平及其对消费者健康的风险水平,为水果生产和消费提供科学依据,并为中国营养元素的总膳食研究提供科学数据支持。【前人研究进展】随着人们对矿质元素与人体健康关系的认识不断加深,关于水稻^[2-3]、蔬菜^[4]、水果^[5-7]、鱼肉^[8]、中草药^[9]中矿质元素的含量分析已有大量报道。但样品的采集具有一定的局限性,并且对于不同种水果样品中矿质元素的比较与分析报道较少。传统食品安全风险评估主要针对食品中的化学物（包括食品添加剂、污染物、农药残留等）和致病微生物,评估方法比较成熟^[10]。营养元素的风险评估属于新的研究领域,各国食品风险管理官员对其都十分关注^[11-13]。美国一项有关营养元素的摄入量调查表明,大多数元素摄入量超过UL的比例很低,而锌摄入量超过UL的比例为8.4%^[14]。中国关于营养元素的风险评估工作在制定中国居民膳食营养素参考摄入量（DRIS）中已经引入,并提出了大多数营养素的日推荐摄入量（recommended nutrient intake,RNI）、适宜摄入量（adequate intake,AI）和可耐受摄入量（tolerable upper intake level,UL）值,在制定中国相应的营养政策、标准中起重要作用^[15]。【本研究切入点】国内有关水果矿质营养元素含量安全性评估的研究报道较少,或仅涉及几种污染元素。【拟解决的关键问题】本研究采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-AES）对辽宁省主要水果（苹果、梨、桃和葡萄）中的10种矿质营养元素含量进行分析与比较,并分别以其RNI和UL为评价标准,对居民每日从4种水果中摄入矿质元素的量进行分析和评估。明确辽宁省苹果、梨、桃、葡萄4种水果10种矿质营养元素的含量水平及其对各类人群的暴露水平,确定需重点关注的元素种类与人群,为各类人群的平衡膳食提供参考依据。

1 材料与方法

试验于2014—2015年在中国农业科学院果树研究所/农业部果品质量安全风险评估实验室（兴城）进行。

1.1 样品采集

于2014年各种水果适采成熟期,从大连、鞍山、
营口、锦州、朝阳、葫芦岛、绥中7个主产市的28个果园随机采集水果样品140个,其中,苹果样品55个、梨样品49个、桃样品20个、葡萄样品16个。

1.2 主要仪器与试剂

ICP-9000电感耦合等离子体发射光谱仪,日本岛津公司;微波消解系统,美国培安公司;EH20A电热板,北京莱伯泰科公司;Milli-Q 超纯水制造系统,美国密理博公司。Fe、Cu、Mn、Zn等标准溶液购自国家标准物质研究中心,规格20 mL,质量浓度100 mg·mL^-1,根据试验需要配制成适当浓度的混合标准溶液;茶叶标准物质 GBW07605,购自国家标准物质中心;HNO₃优级纯;30% H₂O₂优级纯;试验用水为去离子水。

1.3 仪器工作参数

观测模式：轴向观测、功率1.2 kW、氩气纯度99.99%、等离子气流量14.0 L·min^-1、辅助气流量1.2 L·min^-1、载气流量0.7 L·min^-1、曝光时间30 s、选用的元素波长见表1。
Table 1
表1
表1元素及其波长
Table 1Elements and wavelengths


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1.4 试验方法

将采集来的每个样品先用自来水冲洗,再用去离子水冲洗干净后去核,将可食部分切成小块后放入匀浆机中匀浆。准确称取5.0 g（精确到0.0001 g）匀浆样品放入微波消解管中,加入8 mL HNO₃、2 mL H₂O₂,加盖后浸泡过夜。第2天按照表2设定的消解程序进行消解处理,消解完成后转移至50 mL容量瓶中,用去离子水定容,同时做空白试验,用ICP-9000测定每个样品中10种矿质元素的含量。用茶叶国家标准物质GBWO 7605作为质量控制,标准参考物的测定值在其定值范围内的同批样品检测值为有效结果。
Table 2
表2
表2微波消解程序
Table 2The procedure of microwave digestion


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1.5 数据处理方法

用SPSS17.0数据处理软件对不同矿质元素含量水平及相关性进行分析。
用公式（1）计算来自4种水果矿质元素暴露量与推荐摄入量（RNI）或适宜摄入量（AI）的比值,即%RNI或%AI。用公式（2）计算来自4种水果矿质元素暴露量与可耐受最高摄入量（UL）的比值,即%UL。%UL越小则风险越小。当%UL≤100%时,表示风险可以接受。当%UL>100%
时,表示有不可接受的风险。
%RNI(AI)= C×I_R/RNI(AI)×100 （1）
式中,%RNI(AI)：矿质元素摄入量与推荐摄入量（RNI）或适宜摄入量（AI）的比值,单位%;C：该种水果的矿质元素含量,单位mg·kg^-1;I_R：该种水果的日均消费量,单位kg·d^-1;RNI(AI)：推荐摄入量（适宜摄入量）,单位mg·d^-1。
%UL=C×I_R/UL×100 （2）
式中,%UL：风险指数,单位%;UL：可耐受最高摄入量,单位mg·d^-1。

2 结果

2.1 各矿质元素含量统计分析

2.1.1 水平分析 水果中含有丰富的各种矿质元素。由表3可知,10种矿质元素的平均含量由高到低依次为：K>P>Mg>Ca>Na>B>Fe>Cu>Mn>Zn,其中K、P、Mg、Ca和Na 5种元素的含量明显高于其他元素。各种元素含量离散程度较大,变异系数范围为27.80%（Mg）—82.05%（Cu）。
Table 3
表3
表34种水果中矿质元素含量水平
Table 3Mineral elements levels of four fruits


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2.1.2 相关性分析 相关分析表明,果实中元素间存在着复杂的相互作用关系。由表4可知,不同水果间矿质元素相关性存在显著差异。苹果中10种矿质元素间具有极显著或显著正相关关系的有10对,其中K、Mg、Mn、P两两分别呈极显著正相关,相关系数范围为0.357^**—0.771^**;呈显著正相关关系的有Cu和Zn,Fe与K、P,Mn与Na,相关系数范围为0.273^*—0.331^*。桃中矿质元素间具有极显著或显著正相关关系的有16对,其中呈极显著正相关关系的有Mg与Fe、K,Na与Ca、Mn,P与B、K,Zn和Cu、Ca,相关系数范围为0.578^**—0.786^**;呈显著正相关关系的有Ca与Mg、Mn,Na与Mg、Fe,Zn与Mg、Mn、Na,相关系数范围为0.449^*—0.538^*。梨中矿质元素间具有极显著或显著正相关关系的有9对,其中呈极显著正相关关系的有Ca与K、Mg、Mn,Cu和Zn,Mg与K、Mn,相关系数范围为0.367^**—0.664^**;呈显著正相关关系的有Mg与P,K和Mn;呈显著负相关关系的有Cu和Mn。葡萄中矿质元素间具有极显著或显著正相关关系的有12对,其中呈极显著正相关关系的有Ca与K、Mg,P与Ca、K;呈显著正相关关系的有Fe与B、Ca,Mn与Cu,Mg与Na、P、Zn,Zn与Ca。4种水果的K和Mg之间均呈极显著正相关,所测10种矿质元素之间的相关性以正相关为主,表明苹果、葡萄、梨和桃4种水果中所测矿质元素之间的交互作用以协同作用为主。
Table 4
表4
表4水果中矿质元素相关系数表
Table 4Correlation coefficient of mineral elements in fruits

*Correlation is significant at P<0.05. **Correlation is highly significant at P<0.01. Coefficient correlation of no significant correlation was not listed*显著相关（P<0.05）;**极显著相关（P<0.01）;相关性不显著的相关系数未列出
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2.2 各类人群矿质元素摄入量与推荐摄入量的比值分析

目前能够获得的能全面系统的反应中国居民膳食状况的最新数据是卫生部在2002年进行的中国居民营养与健康状况调查数据,根据资料中中国各类人群水果的日平均摄入量以及总的平均摄入量的比例关系,并结合当前中国4种水果日平均消费量折算出现阶段不同人群4种水果的日均消费量（表5）^[16-17]。利用4种水果的日均消费量乘以其对应的各矿质元素含量的平均值,求得10种元素的日平均摄入量。根据中国营养学会于2013年制定的针对不同年龄段中国居民膳食营养素参考摄入量中的矿质元素推荐摄入量（RNI）和适宜摄入量（AI）,进一步求得不同年龄组人群从4种水果中摄入的矿质元素的量占其RNI或AI的比值,因中国尚未制定不同年龄组人群硼的RNI或AI的参考值,所以本文仅对其余9种元素加以分析,详见图1。由图1可知,K的总比值根据年龄由低到高呈下降趋势,其余8种元素按照年龄段变化呈现先降后升再降的趋势,11—14岁年龄段为其转折点。Fe最高点位于4—7岁年龄段,4种水果所占总比值为6.54%,其余元素均在2—4岁年龄段比值最高,其中Cu高达83.30%,Mg达11.01%,P、K、Zn、Ca、Na依次为8.57%、8.43%、4.25%、2.46%和0.39%,2—4岁年龄段人群所摄入的Cu元素应予以重点关注,为防止Cu摄入过量,影响健康,有必要对其进行全膳食研究。除Fe外,其余元素的最低点均在50岁以后,其中Na最低,比值仅为0.15%,其余元素均在1.0%以上,应对50岁以上人群Na元素的摄入量进行进一步研究,防止其摄入不足。
Table 5
表5
表5不同人群4种水果的日均消费量
Table 5Daily intake of the four fruits by the people of different ages


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图1不同年龄段人群矿质元素摄入量与适宜摄入量的比值
-->Fig. 1The ratios of mineral element intake to RNI in people of different ages
-->

2.3 各类人群矿质元素膳食摄入风险评估

适量的矿质元素对人体每天的正常生理代谢发挥着重要的作用,当摄入量非常低时,会出现由于缺乏造成的营养不良甚至缺乏病,随着摄入量的增加,这种缺乏的发生率及严重程度会随之减少,这种效应称之为收益,个别矿质元素在摄入量稍高时出现一些健康益处,这种效应也可称为收益,如果摄入量持续增加直至过量,出现类似其他化学物质毒性作用的风险和严重程度也会增加,因此,在确定某种矿质元素的适宜摄入水平时,需要权衡这些方面的健康风险,进行矿质元素的风险评估^[15]。营养学工作者较多关注与低水平摄入相关的风险,研究制定了一系列与营养需求相关的参考值,如平均需要量（EAR）、推荐摄入量（RNI）、适宜摄入量（AI）等,以评估和干预矿质元素摄入不足的风险,即当个体摄入量长期低于上述参考值时,发生摄入不足引起相应缺乏症状的风险较大,可耐受最高摄入量（UL）是平均每日可以摄入某矿质元素的最高量,UL用于评估和干预矿质元素过量摄入的风险,当个体摄入量超过UL时,发生毒副作用的风险增加^[15]。因尚未观察到K、Na过量摄入的不良反应,中国现未制定相应的UL值及2—4岁年龄段Mn的UL值,所以本文仅对Ca、Cu、Fe、Mn（4岁以上年龄段）、P和Zn 6种元素加以分析。
应用2.2中所求得的各年龄段人群来自4种水果的矿质元素日均摄入量和应用各矿质元素含量的最大值按照相同方法求得最大摄入量,两者与其相对应元素的UL的比值,应用公式（2）计算来自4种水果的矿质元素风险的平均风险和最大风险（表6）。
由表6可知,来自4种水果的矿质元素摄入风险均很低,风险指数远小于100%,表明各类人群从4种水果摄入矿质元素的量是安全的。所有元素的平均风险指数与最大风险指数之间呈正比例关系,即平均风险指数最大,其对应的最大风险指数亦最大;6种元素的平均风险指数和最大风险指数的最低点均位于50岁以上年龄段人群,其中Cu 的平均风险指数和最大风险指数分别为2.46%和7.29%,在6种元素中最高,Zn的平均风险指数和最大风险指数分别为0.33%和0.64%,在6种元素中最低;Mn和P两种元素的最高点均位于4—7岁人群,其风险指数范围分别为6.37%—13.40%和0.96%—1.44%,Cu、Fe和Zn的最高点均位于2—4岁人群,其风险指数范围分别为12.50%—37.02%、2.34%—6.61%和2.13%—4.08%,Ca的最高点位于14—18岁人群,其风险指数范围为0.89%—1.96%,其中值得重点关注的是Cu元素,其平均风险指数和最大风险指数均远大于在相同年龄段人群其他元素摄入风险。Cu、Fe和P从苹果中摄入的风险指数高于其他3种水果,这主要是由于苹果的日均消费量远大于其他水果,而不是由于其含量决定的。
Table 6
表6
表6不同人群矿质元素风险指数
Table 6The risk index of mineral elements in people of different ages

“-”表示未测定 Show not measured
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为进一步评估矿质元素的膳食摄入风险评估,参照聂继云等^[16]的计算方法,根据居民平衡膳食宝塔和食物成分表,计算国人每日由谷类薯类及杂豆、水果类、蔬菜类、蛋类、鱼虾类、畜禽肉类、大豆类及坚果、奶类及奶制品、油等9大类食物摄入的矿质元素的总量及其风险,其中各类食物的摄入量均取中国居民平衡膳食宝塔给定的中间值。详见表7。因为2007版中国居民膳食宝塔建议的每人每日各类食物适宜摄入量范围适用于一般健康成人,所以表7结果以18—50岁之间的成人可耐受最高摄入量（UL）为评价标准计算膳食风险。由表7可知,居民通过日常膳食所摄入的9种矿质元素的量与RNI或AI的比值由高到低分别为Cu（286.25%）>P（224.91%）>Na（197.97%）>K（152.68%）>Zn（134.00%）>Mn（131.56%）>Fe（131.06%）>Mg（117.26%）>Ca（88.08%）,表明成人所摄入的除Ca以外其余8种矿质元素的量均达到RNI或AI的标准,Ca虽未达到,但也与标准接近,可以看出,按照居民膳食宝塔的建议合理膳食,可以满足绝大部分矿质元素的人体需要量,Ca的摄入量可以适当增加。当用UL为评价标准计算膳食风险, 结果为Mn（53.82%）>Fe（49.93%）>P（46.27%）>Ca（35.23%）>Zn（33.50%）>Cu（28.61%）,风险均低于100%,表明成人从日常膳食中摄入矿质元素的量是安全的。
Table 7
表7
表7中国居民来自其他8类食物的矿质元素摄入量估计
Table 7Mineral elements intake estimats of Chinese residents from eight groups of foods other than fruits（mg·d^-1）

“-”表示未估计 Show not estimated
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3 讨论

3.1 水果中矿质元素的含量水平

不同矿质元素在水果中的含量存在差异。辛士刚等^[18]、陈艳秋等^[19]、田娟娟^[20]对苹果、梨和葡萄的研究也发现,P、K、Ca、Mg元素含量较高,B、Fe、Zn、Mn、Cu含量为微量,这与中国食物成分表^[21-22]及本研究结果相一致。同时对比其研究结果及食物成分表可以发现,不同水果矿质元素含量差异显著,同种水果不同品种之间矿质元素含量也不尽一致,李宝江等^[23]和孟月娥等^[24]对苹果的研究结果均可证明这一点。这是由于水果中的矿质元素含量与果树种类、砧木类型、品种、土壤质地、土肥水条件和栽培管理技术等因素密切相关,不同种类的水果具有不同的生理代谢特点和根际环境,根际是土壤或沉积物中受植物根系及其生长环境影响的微域环境,根际环境由于根分泌物作用的存在,致使其pH、养分状况、微生物等有异于土体,因而矿质元素在根际环境中有其特殊的化学行为^[7]。一般认为,根际活动能活化根际中的矿质元素,促进其生物有效性。砧木影响矿质营养的吸收和运输,从而影响果实中矿质营养含量。土壤质地、土肥水等条件与果实中矿质元素含量直接相关。

3.2 矿质元素间的相互关系

不同矿质元素间存在复杂的协调或拮抗作用,不同种元素间的作用关系在不同水果种类表现也不同。徐慧等^[25]对‘富士’苹果果实矿质元素分析认为P与K、Mg、Fe、Cu之间,K与Mg、Fe、Cu之间,Mg与Fe之间均呈极显著正相关。林敏娟^[26]研究表明,黄金梨果实中P与K、Mg、Mn、Cu之间,K与Ca、Mg、Mn、Cu之间,Ca与Mn、Cu之间以及Mg与Mn、Cu之间均呈正相关,Fe、Zn与其它他素间不相关。汤婷婷^[27]对40个梨品种果实研究结果表明,果实中P与K、Ca、Mg、Mn、Zn、B之间,K与Ca、Mg、Mn、Zn之间,Ca与Mg、Mn、Zn之间,Mg与Mn、Zn、B之间以及Fe与Cu之间均呈极显著正相关,Mn与Zn呈极显著正相关,其研究结果与林敏娟^[26]的研究结果不完全一致。涂美艳等^[28]对油桃的研究结果表明：低施钾肥有利于果实中K、P、Ca、Mg元素积累,而随钾肥用量增加,果实中K、P含量增加,Ca、Mg含量逐渐降低,甚至低于未施加钾肥处理的果实Ca、Mg水平。因此,水果中一些矿质元素的协同或拮抗作用,与其营养比例与平衡密切相关。本研究中,不同水果的矿质元素之间的相关性不同,其中K和Mg在苹果、梨、桃和葡萄4种水果中均呈极显著正相关,K与P在苹果、桃和葡萄中呈极显著正相关,P与Mg在苹果、梨和葡萄中呈极显著正相关,这与徐慧^[25]、林敏娟^[26]、汤婷婷^[27]等的研究结果均保持一致;Mg与Mn在苹果、梨、桃中均呈极显著正相关,与林敏娟^[26]、汤婷婷^[27]等的研究结果一致;Ca和Mg在梨、桃和葡萄中呈显著正相关,与汤婷婷^[27]在梨上的研究结果一致。

3.3 矿质营养素风险评估的必要性

矿质营养素是人体生长发育和代谢必不可少的物质,是构成机体组织的重要原料,在机体内发挥着重要的生理功能^[29]。随着社会经济的发展和公众对营养和健康的重视,客观上增加部分人群某些营养素过量摄入的风险,继而对人体健康造成危害,如摄入过量的钾、钠会导致剧烈的心律失常和传导缺陷,过量的钙会增加肾结石的危险性,产生高钙血症、中毒和肾功能不全等症状^[30-34]。目前国际上建议对各种营养素可能发生过量摄入的风险进行评估,中国风险评估工作起步较晚,与英国、荷兰等国家存在较大差距。中国参照北欧的营养素风险等级的划分模式,利用UL/RNI的比值将矿质元素的摄入风险划分为3级：UL/RNI<5的营养素定为A级,主要包括钙、磷、镁、铁、锌、硒、铜、氟、锰,这些营养素的安全范围较窄,容易发生过量摄入的危险;UL/RNI在5—100的营养素定为B级,主要包括碘、铬,这些营养素安全范围相对较宽,过量摄入风险较小;未设定UL或UL/RNI>100的营养素定为C级,主要包括钾、钠,因尚未观察到过量摄入的不良反应,过量摄入的风险小^[17]。2002年,中国居民营养与健康状况调查结果显示,随着经济收入和生活水平的不断提高,中国居民的食物消费结构和生活方式发生了变化,营养失衡和过度营养已经出现。这就迫切需要借鉴国际上先进方法和成功经验,开展某些营养素的定量风险评估工作,
为政府提供具体的评估结果以及管理措施建议。

3.4 矿质营养素风险评估的方法

风险评估是一种系统的评估方法,用来评估由于人体暴露于某风险因素后出现的不良健康作用或反应的可能性和严重程度,包括危害识别、危害特征描述、暴露评估以及风险特征描述4个步骤^[15]。2005年5月,FAO/WHO就营养素物质的高摄入量发表了风险评估过程联合报告,报告概述了在确定营养素物质最高摄入量方面所采用的模型,该模型以非营养素中非致癌物风险评估模型为基础,经过4个公认的风险评估步骤,推导出营养素安全摄入上限（upper levels或tolerable upper intake level,UL）,确定、描述风险,为风险管理者提供相关科学信息^[35]。UL常用于评估和管理营养素过量摄入风险^[36]。目前,UL法已经成为国际上广泛接受的营养素物质风险评估方法。近年来,欧洲国家,尤其是英国、荷兰、丹麦等国的研究机构开展了一些营养素定量风险评估的方法学研究,引入了营养素可接受摄入范围计算模型和失能-调整-寿命-年方法来研究潜在的风险和收益^[37-38]。中国应充分借鉴国际上的成功经验,进一步完善中国风险评估方法学研究,为相关法规标准的修订提供科学依据和参考。

4 结论

10种矿质元素的平均含量依次为：K>P>Mg>Ca>Na>B>Fe>Cu>Mn>Zn,其中K、P、Mg、Ca 4种大量元素的含量明显高于其他微量元素,各种元素含量离散程度较大。4种水果的10种矿质元素之间的相关性以正相关为主,表明苹果、葡萄、梨和桃4种水果中所测矿质元素之间的交互作用以协同作用为主。2—4岁年龄段儿童从4种水果中摄入Cu元素的量占其RNI的83.30%,50岁以上人群从4种水果中摄入Na元素的量与其AI的比值为0.15%,二者需重点关注。不同年龄组人群从4种水果中摄入的矿质元素的量与其UL的比值均低于100%,Cu元素在2—4岁人群中的平均风险指数和最大风险指数分别为12.50%和37.02%,其余矿质元素摄入风险均很低,为0.33%（Zn）—13.40%（Mn）。健康成人全膳食风险评估结果中Mn最高,为53.82%;Cu最低,为28.61%,风险均低于100%,表明成人从日常膳食中摄入矿质元素的量是安全的。
（责任编辑 赵伶俐）
The authors have declared that no competing interests exist.

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