外源硒在水稻籽中的生物强化和化学形态研究

摘要

硒是人类和动物生长发育所必需的一种微量元素。水稻是世界上最重要的农作物之一，近一半人口以大米为主食。我国常年水稻种植面积4.5亿亩左右，总产1.9亿吨左右，占全国粮食作物种植面积的30％和总产量的40％。全国有60％以上人口以大米为主食，年消费稻谷近1.8亿吨。我国稻米中的硒含量很低，而且有很大的差异，这主要是由水稻的品种和种植环境决定的。大米对于以其为主食的人群来说，是一种很重要的膳食硒来源。因此，通过生物强化的方式改善大米主食人群硒营养状况是可行的。硒元素的有益效果是由被体内消化的硒及其形态决定的，而不仅仅是总硒的含量，总硒含量已经不足以用来评价富硒产品的营养价值和生物活性。尽管叶面喷施生产的富硒大米的生物活性已被研究，为了理解富硒大米在体内体外所表现的活性机理，需要进一步明确富硒大米中硒的具体存在形式及其生物有效性。
　　 本研究中，收集全国主要水稻产区不同品种大米样品，分析大米中硒含量水平，评价产区居民硒的膳食营养状况。以水稻为载体，通过叶面施肥的方式，将外源无机硒转化为人体易吸收的有机硒。应用金属组学的研究方法，明确硒在稻米中的主要存在形态，理解硒在水稻籽粒中的分布、吸收和转运规律。从分子水平上阐明硒在大米中生物大分子的分布及在蛋白中的存在形态，并用体外消化模拟法评价富硒大米蛋白硒的生物有效性。鉴定富硒大米中的含硒蛋白组，可望初步理解硒蛋白组的功能，解释富硒水稻体内体外活性的可能机理。
　　 主要研究结果如下：
　　 1.全国主要水稻产区市售大米的硒含量，平均为0.022 mg/kg，不同品种大米的硒水平变辐较大，估算以大米为主食人群人均日硒摄入量为8.3～22.0μg/d，未达到中国营养学会的推荐值50μg/d。因此，若长期食用低硒大米，硒的摄入水平明显偏低，对人体健康造成潜在威胁。
　　 2.通过水稻叶面喷施硒肥，大米硒含量从对照组的0.032 mg/kg显著增加到0.207～1.790 mg/kg。精米，米糠，稻壳中的硒含量随喷施浓度增加而线性增加，硒主要集中分布在米糠中。在喷施适当浓度硒肥后，大米蛋白质含量显著提高，而硒肥对稻谷产量和其它营养成份淀粉，脂质和灰分没有显著性影响。随着喷硒肥浓度的增加，大米中Cu，Hg，Pb和Cd的含量显著降低。说明硒元素与重金属Cu，Hg，Pb和Cd之间存在拮抗作用。在适当的硒肥浓度下有利于稻米中的Mn和Fe元素吸收。富硒大米和普通大米的氨基酸组成基本相似。
　　 3.硒在富硒大米中，几乎不存在脂肪中，仅占总硒的0.03％，而少量以无机硒形式存在，占总硒的2.48％。硒主要以有机硒形式存在，接近总硒的54％结合于清蛋白，球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白，在四类蛋白中，碱溶性谷蛋白是主要结合蛋白，占总硒31.3％。利用正交实验优化碱法提取富硒大米中含硒蛋白，最佳条件为，料液比1:20、NaOH浓度为0.08 M、提取温度30℃和提取时间3 h，提取2次，在pH4.5条件下沉淀蛋白。制备的富硒大米含硒蛋白纯度为82.9％，硒含量提高至9.09 mg/kg。在体外模拟胃肠消化后，SEC-HPLC-ICPMS分析富硒大米含硒蛋白的消化液，主要以小分子量含硒多肽或含硒氨基酸存在，SeMet占总硒的52.3％。
　　 4.以超声波辅助，利用α-淀粉酶和蛋白酶XIV顺序酶解，样品前处理时间从20h缩短为5 h，同时避免了天然硒的形态转变，尤其是SeMet，有效地将普通大米和富硒大米的硒的提取率提高至92.8％和88.7％。利用IP-RP、SAX色谱联用ICPMS和nanoESI-MS鉴定出富硒大米中的主要形态为SeMet，占86.7％，还存在6.8％的无机硒SeⅣ，SeⅥ、少量SeCys2和痕量SeOMet。叶面喷施硒肥后，水稻籽粒中硒的形态发生较大变化的是SeMet，普通大米中SeMet的硒含量由26.7％增至富硒大米的86.6％。大米中无机硒的主要形态为SeIV，富硒大米酶解液中无机硒的含量比普通大米略高，未发生较大变化。因此，水稻通过叶片吸收硒，在蛋白质的合成的关键时期，共用了硫代谢过程中一系列酶作用下，沿着硫的吸收和代谢途径，将硒转运至水稻籽粒中，以SeMet形式贮存在蛋白质中。
　　 5.水提、盐提、碱提和醇提方法硒的回收率分别为9.6％，16.8％、48.2％和14.9％，纯化后的蛋白结合硒的量由大到小依次为碱溶谷蛋白>球蛋白>醇溶蛋白>清蛋白。利用SEC-HPLC-UV-ICPMS测定四类蛋白分子量，结果表明，清蛋白和醇溶蛋白并不是硒的主要存在蛋白。硒主要存在于>7 kDa的碱溶谷蛋白和球蛋白。富硒大米碱溶含硒蛋白F1分子量为199.8 kDa，胰蛋白酶水解组分F1，利用第二维色谱capHPLC-ICPMS和nanoHPLC-Chip/ITMS，鉴定出3个含硒多肽的序列和分子量信息，并结合质谱数据库检索的方法，获得3个可能的蛋白，但蛋白中并没有SeMet的信息。