應用ICP—MS法對枇杷果實中痕量元素的研究

祁芳斌 陳發興 盧海芬 邱秀玉 賴鐘雄

摘 要 以15年生的枇杷果實為試材，采用微波消解法處理樣品，電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）分析測定果實中V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se和Mo等9種人體必需痕量元素的質量分數（w）。結果表明，各元素的線性相關系數均大于0.999，檢出限為0.003～0.126 μg/L，相對標準偏差均低于3.00%；枇杷果實中痕量元素含量存在顯著差異，其中Mn、Zn和Fe含量豐富，高于10 mg/kg DW；不同品種果實Co、Mo、Se和V等元素的變異系數高于40%；聚類分析結果表明，果實中礦質元素與果實風味品質有明顯的相關性。

關鍵詞 枇杷果實；微波消解；ICP-MS；痕量元素

中圖分類號 O657.63 文獻標識碼 A

枇杷[Eriobotrya japonica Lindl.]為薔薇科喬木果樹，是一種具有藥用價值的亞熱帶常綠果樹。枇杷原產中國東南部，主要分布在長江以南各省，以福建、四川、浙江、江蘇、安徽等地最多，臺灣臺中也是重要產區[1]。枇杷果實柔軟多汁、酸甜適口、營養豐富，是消費者喜愛的鮮食水果。根據《本草綱目》記載，枇把的果實、種子、花、葉子均可以入藥，具有化痰止咳和胃降氣的功效[2]?，F代醫學研究結果表明，枇把中含有多種人體所需的營養成分，胡蘿卜素、維生素B、維生素C、糖類、脂肪、蛋白質、蘋果酸、檸檬酸等有機營養物質含量豐富，并富含鈣、磷、鐵等對人體新陳代謝非常有益的礦物營養元素， 隨著枇杷研究的深入展開，其價值備受人們關注。

在人類的生命活動中，水果是人們生活中不可缺少的食物之一；果實中含有與人體健康息息相關的化學元素，尤其是微量元素[3-4]。人體內含有化學元素高達81種，其中O、C、H、N、Ca、P、S、K、Na、Cl和Mg等11種元素含量超過體重的0.05%，稱為人體必需的常量元素；顯示出生物功能， 但含量小于體重0.01%的元素稱為痕量元素，這類元素的總和僅占人體重量的0.05%左右。世界衛生組織（WHO）確認的人體必需的14種微量元素為： Zn、Cu、Fe、I、Se、Cr、Co、Mn、Mo、V、F、Ni、Sr、Sn[5]。人體中的痕量元素又分為必需的痕量元素（如Fe、zn、Mn、I、Sn等）和有害元素（如Pb、Hg、Cd等）[6]。

水果礦質元素的分析主要采用分光光度法、紫外-可見分光光度法和原子吸收分光光度法（AAS），原子熒光光度法，電感耦合等離子體-原子發射光譜法（ICP-OES）等方法[7]。但分光光度法不能實現多元素的同時檢測，準確度相對較低，重現性差；而原子熒光光度法僅用于測定As、Sb、Bi、Se、Te、Ge、Sn、Pb、Zn、Cd、Hg等元素；電感耦合等離子體-原子發射光譜法（ICP-OES）的靈敏度，檢出限以及重現性都不如電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）。ICP-MS具有靈敏度高、檢出限低、選擇性好、分析速度快、可測元素覆蓋面廣、線性范圍寬、能進行多元素同時檢測等優點， 近年已廣泛應用于地質科學和考古學、冶金、環境、半導體、醫學、地質及核材料分析等領域[8]。

本研究建立了微波消解、ICP-MS技術同時測定枇杷果實樣品中9種痕量元素的方法，在此基礎上， 研究了同一地域生長的不同品種枇杷果實中痕量元素與果實品質之間的相關性， 為進一步深入探討礦質元素對果實風味品質影響機理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 供試材料解放鐘、小毛枇杷、夾腳等9個品種枇杷果實均采自福建省云霄縣金山農業生態園。選擇管理水平相同、生長一致的植株，每株作為1個處理，設3個重復，隨機取樣。果實成熟時按樹冠東、南、西、北、中5個不同部位隨機采果1個，采后立即用雙蒸水洗凈后，去果皮，切取中部果肉20.00 g，用真空冷凍干燥機凍干保存待測定。

1.1.2 儀器和試劑 電感耦合等離子體質譜儀為Agilent7700X型（美國Agilent公司）；微波消解系統為Mars5，HY-20-164（美國CEM公司）；超純水系統采用Milli-Q（美國 Millipore公司）。

V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo單元素標準溶液濃度均為1 000 μg/L，來源于國家標準物質研究中心；質譜調諧液7Li、59Co、89Y、140Ce和205Tl濃度均為10 μg/L，購于美國Agilent公司；內標溶液226Re、115In、73Ge和45Sc濃度均為0.01 μg/mL，購于美國Agilent公司。硝酸（HNO3）為分析純（德國CNW Technologies GmbH公司）；水是18.3 MΩ去離子水，本實驗室自制。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理 試驗所用的玻璃器具及聚四氟乙烯消解罐洗干凈后，用20%硝酸（1+4，V+V）浸泡12 h以上，再用去離子水沖洗3遍后使用。稱取枇杷果肉干樣0.500 g于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL濃硝酸，輕輕晃動消解罐，使樣品完全浸沒，在設定的條件下進行微波消解（見表1）。微波消解完成后，自然冷卻。開蓋后，將消解液移至25 mL容量瓶中，并用去離子水少量多次洗滌消解罐內壁，合并洗滌液于25 mL容量瓶中，定容。同時作空白對照。

1.2.2 儀器工作參數的優化 本試驗在測試前優化了電感耦合等離子體質譜儀的工作參數。將射頻功率、采樣深度和載氣流量等ICP-MS的重要參數進行優化；用10 μg/L的7Li、59Co、89Y、140Ce和205Tl的調諧液優化儀器工作參數；利用在線加入226Re、115In、73Ge和45Sc混合內標溶液削除基體效應和接口效應，將儀器參數調至最優，經調試后的參數見表2。

1.2.3 項目測定 將單標溶液配制成混合標準系列溶液，其中V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn的濃度配制為0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、500.0 μg/L；Se和Mo的濃度配制為0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L。將混合標準系列溶液和樣液進行ICP-MS測定，采用標準曲線法定量，加入混合內標校正基體干擾和儀器信號的漂移。

在儀器工作條件下，根據各元素不同標準溶液，繪制標準曲線，測定方法精密度；取10次平行測定消化空白對照液的結果和6次平行測定10.0 μg/L混合標準溶液的結果，計算方法的檢出限和相對標準偏差（RSD）。

1.2.4 數據處理 試驗結果用SPSS、DPS軟件統計分析；枇杷果實痕量元素聚類分析選擇標準化轉換、連續變量的歐氏距離、離差平方和方法，以兩樣本差值平方和為距離，為了能更重視較大的數值與距離，構建9種元素的聚類樹狀圖。

2 結果與分析

2.1 微波消解的條件及標準曲線

枇杷果實內含豐富有機物質，選用強酸（濃HNO3）進行果實樣品的消解。本試驗對溫度升溫時間、溫度保持時間進行優化，最終采用表2微波消解程序進行消解，壓力上升快，樣品溶液有機物完全消解，澄清透明無渾濁，消解效果好。

由表3可知，9種元素的線性相關系數均大于0.999，各元素檢出限為0.003～0.126 μg/L，相對標準偏差均低于3.00%，表明該方法有較高的靈敏度和精密度，重現性較好。

2.2 不同品種間枇杷果實中元素的特點

應用上述方法對福建云霄生產的9種枇杷果實進行分析，從表4、表5可見，枇杷果實中痕量元素的含量在不同品種間有較大差異，其中Mn、Zn和Fe是果實中含量最為豐富的3個營養元素，占元素總量的0.9344%，含量在10 mg/kg DW左右；其次是Cu、Ni、Mo和Co含量為0.8～1.0 mg/kg DW；而V和Se在所有品種中含量均很低，僅為3.0～9.0 μg/kg DW。果實中痕量元素在各品種間的變異系數均高于13.7%，表明品種間存在一定差異；其中Mn、Zn 、Fe、Cu和Ni等5種元素的變異系數為13.7%～24.7%，而Co、Mo、Se和V等4種元素變異系數均超過40%，表明它們含量在枇杷品種間有較大差異。

對9種元素進行相關性分析，雙尾顯著性檢測（見表6），結果表明Mn、Zn、Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Se和V元素間均存在極顯著正相關；枇杷果實內各種營養元素通過生物化學作用參與植物的新陳代謝，可能存在協同作用，進而影響果實的生長發育。

2.3 枇杷果實痕量元素聚類分析

聚類結果表明果實中的礦質元素與不同品種果實風味品質特征有明顯的相關性。根據枇杷果實中元素測定結果對不同品種果實元素可分成3類（圖1），第1類為白梨和長紅（低酸品種），第2類則為云霄本地種、夾腳、實生楊墩、柳州光榮本和光榮種等中間類型，第3類為小毛枇杷和解放鐘（高酸品種）。枇杷果實中礦質元素含量豐富（表4），尤其是主成分Zn、Fe和Mn對果實風味品質影響較大。

3 討論與結論

常用的酸消解體系有HNO3-H2O2、HNO3-HCLO4、HNO3-HF等，但是由于HCLO4、H2O2、和HF等均是強氧化劑，在高溫、強酸性條件下氧化性強即咬蝕其它金屬或者化合物，在ICP-MS的離子分析中存在較大的干擾，且對儀器有一定的損害，因此通常認為硝酸是ICP-MS分析最理想的酸性介質[9-10]。本研究采用優化的微波消解程序，即相應的溫度升溫和溫度保持時間進行消解，最終獲得良好的消解效果。

ICP-MS儀器用等離子體（ICP）作為離子源，質譜（MS）分析器檢測產生的離子，可以同時測量周期表中大多數元素，干擾少、精度高、線性范圍寬、簡便、快捷，目前廣泛用于許多技術領域，是痕量元素測定的關鍵分析技術之一[11-12]。利用ICP-MS測定枇杷果實中的痕量元素，有著動態線性范圍寬、分析速度快、靈敏度高、可同步測定不同品種果實中的多種元素等優點，是測定礦物質元素的一種快速有效的方法。利用ICP-MS法明確了研究普洱茶中Pb、Cu、As、Cr、Hg、Cd、Zn、Fe、Se、Mn、K、Ca、Na、Al與Mg等15種無機元素含量及其相互關系[13]。杜慧娟等[14]利用ICP-MS法可準確地測定葡萄果實中56種礦質元素。采用微波消解法處理樣品和電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）快速、高效地分析測定鯽魚籽中10種元素[15]。本研究采用一定的微波消解程序處理枇杷果實樣品，應用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）有效分析測定了枇杷品種果實中的V、Mn、Fe、Cu、Zn、Se和Mo等9種痕量元素，各元素的線性相關系數大于0.999，檢出限為0.003～0.126 μg/L，相對標準偏差均低于3.00%。檢測結果表明不同品種枇杷果實中痕元素含量存在顯著差異，但都含有豐富的Mn、Fe和Zn等多種人體必需的微量營養元素，能夠提高人體相關的生理功能。Mn作為植物體內多種酶的組成成分和活化劑，對維持葉綠體的穩定性起重要作用，影響著植物的呼吸與光合作用。缺Mn后植株光合作用效率低下，從而影響枇杷產量，Mn有利于果實中氨基酸類成分的體內合成，適當的Mn可增加果實中氨基酸類成分含量，對于枇杷果實風味感有著重要作用。Fe元素是葉綠素和細胞色素蛋白主要的組分之一，在光合作用電子傳遞鏈中起著不可或缺的作用。Zn是枇杷果實生長發育的必需元素，是磷酸酐酶和谷氨酸脫氫酶的組成部分，直接影響枇杷的光合作用和呼吸作用，并能促進生長素吲哚乙酸的合成，有利于果實生長。缺Zn則使枇杷的正常生長受阻，葉片和根系的氨基酸、多酚類、水浸出物含量減少，葉片發黃、小而薄，甚至脫落，根系也有發黑枯死現象，從而導致果樹產量下降，品質不良。

礦質元素不僅是人類營養所需，也是植物營養所不能缺少的。礦物質元素是衡量果蔬營養價值和質量的主要指標之一[16-17]。K和Mn對可溶性固形物，Fe對總酸量和糖酸比的影響很大，另有研究K與果實的風味呈顯著正相關，而Mn與果實的風味品質呈負相關。杜慧娟等[14]對3個品種的葡萄果實中礦質元素研究，其中B、Mn、56Fe、As、Cd、Sb、Tl、Th、U的含量在品種間具有顯著差異。Li、K、57Fe、Cu、Zn、Ba的含量在紅葡萄品種（赤霞珠和美樂）和白葡萄品種（霞多麗）之間具有顯著性差異。陳發興等[18]依據不同枇杷品種果實酸含量及組份差異進行分類表明，解放鐘、小毛枇杷屬高酸類群，而白梨與長紅等品種屬低酸類群。Mg、Ca、Fe、Zn和Cd等元素通過質子反向運輸機制，在V-ATPase 和V-PPase作用下積累于液泡中，產生了細胞內外△pH梯度差異，影響細胞有機酸含量[19-20]。本研究結果表明，Mn、Zn和Fe含量是枇杷果實中最為豐富的三大主成份；對不同品種果實礦物質元素的聚類結果，與枇杷果實高低酸品質類群極為相似，表明果實礦物質元素與果實風味品質有明顯相關性，但是礦物質元素對果實酸、甜及其風味等品質因素影響仍需進一步深入研究。

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