脐橙硒营养强化现状及前景展望*

朱盼盼, 马彦平, 娄 伟, 马欣萍

(1.农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室/华中农业大学微量元素研究中心 湖北武汉 430070;2.上海化工研究院有限公司 上海 200062; 3.赣州市柑桔科学研究所 江西赣州 341000;4.上海化工院检测有限公司 上海 200062)

硒元素于1817年被发现后,人们开始了对硒元素的探究[1]。硒作为某些硒蛋白和硒化核糖核酸的结构成分,在免疫应答、抗氧化防御和甲状腺激素代谢等多种生理过程中发挥着重要的作用,硒还与艾滋病等病毒性疾病的发病率有关[2-3]。硒可作为重金属解毒剂,与人体内的砷、铅、镉、汞等重金属结合成复合物排出体外,具有解毒效果[4]。此外,硒还具有调节人体免疫力、延缓人体衰老、抑制肿瘤和心血管疾病的发生等多种生物学作用,有“生命保护剂”的美称[5]。

人体补硒是世界性医学难题,人体内不能合成硒,主要是通过饮食获得。研究发现,硒对人体的作用效果、毒性等与摄入的硒的化学形态密切相关,有机硒的毒性不仅比无机硒小,而且具有更高的生物利用率,更易被人体吸收[6]。人体主要是通过服用亚硒酸钠等无机硒补硒,但难以控制摄入量且存在潜在的毒性,具有明显的局限性;通过食物链将无机硒转变为有机硒补硒,是最经济、安全、有效的补硒途径[7]。世界卫生组织(WHO)公布的资料表明,全球有40多个国家属于低硒或缺硒地区。我国缺硒省份高达22个,有72%的土地面积处于严重缺硒和低硒地带,农产品硒含量极低[8]。作为国际公认的“缺硒大国”之一,我国人均每日硒摄入量仅为36 μg,低于WHO推荐的50 μg[9-10]。我国天然富硒产品的产区和产量均十分有限,仅从天然富硒食物中摄取硒不足以满足人体对硒的正常需求,因此,加强富硒农产品特别是富硒果蔬产品的开发,具有重要意义。

硒对人体的有益生理功能必须控制在安全浓度范围内,人体摄入硒过量(>400 μg/d)或不足(<50 μg/d),都会引起不适和疾病[11],因此在生产和食用过程中对作物可食部分硒含量的要求十分重要。脐橙作为柑橘品种的一种,因营养丰富而成为大众化的消费水果。随着近年来脐橙市场供给量的增加,一些地区为了获得竞争优势,开始着手研究富硒脐橙的种植方法,通过增加果实中硒含量来提高脐橙的销量。根据地方标准《柑橘富硒营养强化技术规范》(DB36/T 1531—2021)中的定义,富硒柑橘是指在生长过程中自然富集硒或通过硒生物营养强化技术,而非收获后添加硒,所获得的富硒柑橘的可食部分总硒质量分数(以鲜质量计)为0.01～0.05 mg/kg,且有机态硒占总硒的比例≥80%[12]。富硒脐橙的获取一是在富含硒的土壤上种植,二是通过生物强化。本文通过对当前富硒脐橙研究现状进行梳理,为富硒脐橙种植方法的改进提供参考。

1 富硒脐橙的影响因素

1.1 富硒土壤

背景硒质量分数大于0.4 mg/kg的天然土壤被称为富硒土壤,脐橙果实中硒的富集受土壤硒背景含量的强烈影响[13-14]。土壤中硒含量受地质背景、土壤成因、土地利用方式、土壤质地、土壤矿物成分和土壤理化性状等因素的影响,其中地质背景是影响表层土壤中硒含量的主控因素[15]。我国主要的富硒地区有湖北恩施、陕西安康、贵州开阳、浙江龙游、山东枣庄、四川万源、江西丰城和安徽石台等[16]。

在土壤中,硒的生物利用度受不同土壤因素的影响,如土壤酸碱度、氧化还原条件、有机质含量、生物和微生物条件、硒形态以及竞争性阴离子(如硫和磷)等[17]。在偏碱性的土壤中,硒主要以硒酸盐形态存在,六价硒的生物有效性较高;而在偏酸性土壤中,硒主要以亚硒酸盐形态存在,四价硒易被土壤固定,生物有效性相对较低[18]。硒的流动性和生物利用度随着氧化还原电位的增加而提高[17]。土壤有机质在调节硒的流动性和生物利用度方面也起着关键作用。土壤中的有机质含有酚类、醇类和醌类等官能团,对硒具有很强的结合亲和力,特别是在酸性土壤中,高有机质土壤中高硒含量占主导地位[19]。土壤中的硒按形态可分为元素态硒(Se0)、硒化物(Se2+)、有机硒、亚硒酸盐(Se4+)、硒酸盐(Se6+)和挥发态硒[20]。硒在土壤中的形态不同,其利用度也不同,植物可吸收的硒形态主要为硒酸盐和亚硒酸盐。硒酸盐与硫酸盐具有相似的化学性质,有研究表明,植物对硒酸盐的吸收是通过硫酸盐转运蛋白完成的,转运与同化也遵循硫酸盐途径[21-22],故硫酸盐的浓度影响植物对硒酸盐的吸收。而植物对亚硒酸盐的吸收和转运可能由磷酸盐转运蛋白调控,因此亚硒酸盐的吸收受磷酸盐的影响[23]。

1.2 生物强化

目前的富硒方法主要是通过硒生物营养强化技术,在作物生长期间通过基施或喷施富硒肥料而使作物富硒。生物强化策略会受到如外源硒的形态、施用方式、施用时期、剂量等因素的影响。

1.2.1 外源硒的形态

外源硒的补充类型主要有有机硒肥、无机硒肥和新型富硒肥(如纳米硒肥),不同形态硒的有效性有很大差异。以往在农业生产上常用的硒肥多为无机形态硒,包括亚硒酸钠和硒酸钠,存在毒性强、利用率低等问题。近年来,有机态硒肥凭借其低毒、环保等方面的优势在生产应用中逐渐受到重视。关于脐橙施用有机硒的研究较少,但对其他作物的研究表明,在水培条件下小麦和油菜对有机硒的吸收速率明显高于对无机硒的吸收速率[24]。硒酸盐和亚硒酸盐作为硒的两种无机形式,一般认为易溶于水的硒酸盐植物有效性最高;与硒酸盐相比,亚硒酸盐的有效性较低,因为其更容易被土壤颗粒吸附和固定[25]。但也有研究表明,虽然施用硒酸盐提高作物全硒含量的效果优于亚硒酸盐的,但硒酸盐的有机硒转化率小于亚硒酸盐的[26]。在对柑橘的研究中发现,施用硒酸钠、亚硒酸钠和酵母硒对提高果实中硒含量的效果以亚硒酸钠处理的效果最佳[27]。同样,对脐橙果树施用亚硒酸钠也可显著提高果实中的硒含量[28]。纳米硒是指通过化学法或微生物法将硒酸盐或亚硒酸盐还原为纳米形态的硒单质[29]。有关纳米硒在动物营养中的作用研究较多,在植物营养中的研究较少。纳米硒肥的硒单质为纳米级,容易通过叶面吸收转运到达植物各部分被吸收利用,具有安全性高、无毒、稳定等优点。纳米硒肥的施用量低于无机硒肥的,可减少硒过量施用对土壤的影响[30]。目前纳米硒的生产成本较高,应用度较低。

1.2.2 外源硒的施用方式

外源施硒是一种提高缺硒地区作物硒营养状况的有效途径。在脐橙种植过程中,外源硒的施用方式主要有土施和喷施两种,其中叶面喷施较受欢迎。由于硒的施用量较少,土施不太方便,施用不当还容易造成土壤污染,且施入土壤的硒肥当季利用率低,成本相对较高,因此在实际应用中具有局限性[31]。叶面喷施硒肥的措施能将硒直接由叶片转移到植物体内,可有效提高果实对硒和矿质养分的利用率[32],且操作简便、经济有效,在硒生物强化方面占绝对优势,因此得到广泛应用[33]。但有研究表明,喷施硒肥浓度过高时,树体会出现落叶、落果现象,产生树体受损的安全问题[34],因此需考虑采用适宜的喷施浓度。

1.2.3 外源硒的施用时期

施用时期也是影响植物富硒总量及有机硒含量的重要条件。不同作物的叶片结构存在差异且生长周期不同,因此外源硒的喷施时间存在差异[35],不同的植物有不同的最佳时间。研究表明,生产富硒冬枣、富硒葡萄时外源硒的较佳喷施时期是在果实膨大期[36-37],猕猴桃叶面施硒的最佳时期则为幼果期[38],梨树在盛花期喷施硒肥最经济有效[39],柑橘以果实幼果期叶面喷硒的综合效果最佳[35]。关于脐橙硒强化最佳时期的研究较少,外源硒适宜的喷施时期是幼果期、果实膨大期和着色期。

1.2.4 外源硒的施用量

作物富硒效果与施硒量有关,施用量较少富硒效果不明显,施用量较多可能造成作物含硒量过高,对树体产生毒害作用,并污染土壤。研究表明,脐橙果肉鲜样总硒含量随着外源硒喷施浓度的增大而增加,且有机硒含量随喷施浓度的增大迅速升高,但当浓度过高时对脐橙树体有一定的损害[34]。

2 富硒脐橙种植的研究进展

随着富硒脐橙逐渐进入人们的视野,关于富硒脐橙种植方法的研究也逐渐丰富,目前关于富硒脐橙种植方法的研究成果多为发明专利。

国内生产富硒水果的方式主要是通过叶面喷施硒酸盐或亚硒酸盐溶液,但此方法无机硒残留量大,而无机硒对有机体有明显的毒害作用,安全性较低,且无机硒的生物利用性低。发明专利“富有机硒脐橙及其生产方法”[40]提出了一种富硒脐橙种植的方法,在脐橙开花期或挂果期,将纳米硒植物营养剂以25～300 g/株用量施入土壤,可避免喷施富硒肥易被雨水冲洗及烧伤叶面的风险。此外,无公害、绿色和有机农产品均规定禁止使用未推荐的化学合成制剂喷施,因此土施更有利于在高品质和高附加值的农产品生产中使用。发明专利“一种富硒脐橙的种植方法”[41]提出了包括整地、选苗、种植、施肥、管理等步骤的富硒脐橙种植方法,既能提高脐橙的坐果率、节约肥料、提高产量,又能增加果实中的硒含量,提高营养价值,适用于大规模系统化种植,有利于种植户增产增收。

目前提出的富硒脐橙种植方法中,富硒肥的施用方式多为土施加喷施。发明专利“一种富硒脐橙的生产方法”[42]提出在脐橙树的绽叶期、初花期土施硒肥;在脐橙树的盛花期、初果期喷施含硒叶面肥,直至盛果期的前5日停止喷施。这种富硒脐橙种植方法在脐橙树的不同时期基于不同部位的营养吸收能力,分别采用了土施硒肥和叶面喷施硒肥两种作用目标不同的硒肥,实现精确施入硒元素,可有效提高脐橙树的吸收效果,大幅提高果实内有机硒的含量,并提升脐橙果实的生长质量。吴丽娟[43]提出的富硒脐橙种植方法是在脐橙种植前将有机富硒肥料一次性均匀撒入果园中作根部肥,然后种植脐橙果树苗;同时在脐橙果实膨大着色期,将有机富硒肥料兑水后灌注入果树根部并喷施在果树的枝叶正反面。王金翠[44]提出的富硒脐橙种植方法是在脐橙开花期或挂果期土施硒营养剂,5～14 d内将硒营养剂与水配制的溶液灌注于脐橙果树的根茎部,并喷施脐橙果树的枝叶正反面,在果实膨大着色期喷施2～3次。文献[43]、[44]的不同在于,后者提出的富硒脐橙种植方法为施营养剂1～4 d内,在果树的根际部位浇灌质量分数为0.40%～0.65%的硝酸钠溶液,目的是使硒营养剂中的硒形态向利于木本果树根系吸收的化学形态转化,并改善木本果树根际微环境,避免土壤中已有的植物有效态硒转化为其他形态的硒,同时促进了果树根系对硒的吸收[44]。同样,发明专利“一种富硒脐橙的种植方法”[45]提出的富硒脐橙种植方法有相似的成果。

通过上述关于富硒脐橙的种植方法可以看出,收获富硒脐橙的主要途径就是在脐橙生长的不同阶段施加不同的富硒肥料来提高脐橙的硒含量,其中施肥方法是影响脐橙硒含量的主要因素,在实际种植过程中还应充分考虑脐橙树生长的具体情况。

3 展望

通过富硒肥料进行农艺生物强化是提高作物硒含量的有效方法,不仅可以提高作物的硒含量和产量,还可以改善作物品质。目前国内已研究出多种富硒农产品,脐橙是广受欢迎的水果之一,而有关富硒脐橙的研究较少。关于外源硒的安全、高效利用,硒在脐橙中的形态和转化,以及富硒脐橙品质改善的机制都有待深入研究,这对于保证农产品安全具有积极意义,在改善人们硒缺乏症、提高人们膳食营养水平等方面具有广阔的前景。