采用微波消解-ICP-AES法分析不同產地大棗中無機元素的組成及其含量

郭　盛,段金廒,*,嚴　輝,錢大瑋,唐曉清

(1.南京中醫藥大學,江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心/中藥資源產業化與方劑創新藥物國家地方聯合工程研究中心,江蘇南京 210023;2.南京農業大學,園藝學院,江蘇南京 210095)

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采用微波消解-ICP-AES法分析不同產地大棗中無機元素的組成及其含量

郭盛1,段金廒1,*,嚴輝1,錢大瑋1,唐曉清2

(1.南京中醫藥大學,江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心/中藥資源產業化與方劑創新藥物國家地方聯合工程研究中心,江蘇南京 210023;2.南京農業大學,園藝學院,江蘇南京 210095)

采用微波消解-ICP-AES法探索不同產地、不同栽培品種大棗中無機元素的組成及含量,結果表明在所測定的19種無機元素中,不同產地、不同栽培品種大棗中普遍含有元素K、Ca、Mg、Na、Fe、B、Sr、Al、Zn、Mn、Mo、Cu;在所檢測的37批樣品中,有36批樣品中檢出有害重金屬元素Pb,其平均含量可達2.62 μg/g;所有樣品均未檢出有害元素As、Cd、Cr、Hg。依據各樣品中測定元素的含量,采用主成分分析法,選擇前4個因子(F1～F4)對大棗營養保健價值進行了綜合評價,其綜合評價函數為F=0.19936F1+0.18240F2+0.17396F3+0.10946F4。結果顯示,產自陜西彬縣的晉棗品種、河南內黃的扁核酸棗品種以及山東荷澤的核桃紋品種綜合排序分列1、2和3位,表明從無機元素角度考慮以上三個產地所產大棗品質較好。本研究為藥食兩用大棗資源營養及保健價值的進一步發現及安全性評價提供了一定的數據支撐,為大棗適宜栽培區域、栽培品種的選擇提供了借鑒。

大棗,無機元素,微波消解,ICP-AES

大棗為鼠李科棗屬植物棗(ZiziphusjujubaMill.)的干燥成熟果實,亦稱紅棗,為我國第一大干果,是一種美味可口,營養極其豐富的食品。大棗也廣泛用于中醫臨床,為藥食同源之品,具有補中益氣、養血安神之功,常用于脾虛食少、乏力便溏、婦人臟躁等癥。現代研究顯示,大棗傳統藥用功效的發揮與其含有豐富的糖類、三萜類、核苷及堿基類、氨基酸類、無機元素類等化學成分關系密切[1-2]。無機元素在人體內不僅具有促進機體合成生命活動所需的物質,提高生命質量的作用,而且還可提高相關生物酶的活性,增強機體的免疫功能[3]。中藥材的藥效及食品的營養價值也與其所含無機元素的組成及含量密切相關[4]。此外,食品中的砷、鎘、鉛、汞、硒等重金屬元素可以通過生物富集作用最終到達人體造成慢性中毒,引發癌癥、呼吸系統疾病、心血管疾病、生殖發育疾病等,重金屬超標不僅嚴重危害人體的身心健康,而且會嚴重阻礙商品進出口貿易,造成巨大經濟損失[5]。因此,開展具有藥食兩用價值的大棗中無機元素的研究對于闡釋其藥效作用機理、評定其營養價值及安全性具有重要意義。

表1　樣品信息表

據統計,我國現有大棗栽培品種及類型近1000種,廣布于除黑龍江外的全國廣大地區[6]。而現有大棗中無機元素的分析報道多僅以某一栽培區域或少數幾個栽培品種為研究對象[7-11],并未對我國大棗各主產地及主栽品種樣品進行綜合分析,較難反映我國目前大棗資源整體無機元素分布特征。據此,本研究選取我國目前栽培面積較大,或已形成商品規模的27個栽培產地的31個栽培品種,共計37批次樣品,采用微波消解-ICP-AES法分析其19種無機元素的組成及含量差異性,以期為我國大棗資源營養價值的評定及其營養功能的開發提供依據,為其安全性的評定提供理論數據,也為其保健功效的闡釋提供借鑒。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

元素標準溶液K(GSB 04-1733-2004)、Na(GSB 04-1738-2004)、Ca(GSB 04-1720-2004)、Se(GSB 04-1751-2004)、B(GSB 04-1716-2004)、Mo(GSB 04-1737-2004)、Sr(GSB 04-1754-2004)、Hg(GSB 04-1729-2004)、Pb(GSB 04-1742-2004)、Mg(GSB 04-1735-2004)(質量濃度均為1000 μg/mL),混合元素(Al、As、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Zn、)標準溶液(GSB 04-1766-2004)(質量濃度為100 μg/mL)購自國家標準物質中心;超純水(18.2 MΩ·cm)自制;硝酸(優級純)、過氧化氫(分析純)購自上海國藥化學試劑公司。

大棗樣品采自河北、山東、新疆、寧夏等省區,經南京中醫藥大學段金廒教授鑒定為鼠李科植物棗ZiziphusjujubaMill.的成熟果實。標本存于南京中醫藥大學標本館。樣品采集后,去離子水清洗表面,45 ℃烘干,取果肉粉碎過40目篩,備用。樣品信息見表1。

Milestone Ethos T微波消解系統意大利Milestone公司;Optima 2100DV型電感耦合等離子發射光譜儀美國Perkin Elmer公司;BT125型電子天平賽多利斯科學儀器有限公司;EPED超純水系統南京易普達易科技發展有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1供試品溶液的制備準確稱取樣品粉末(40目)1.0 g于聚四氟乙烯消解罐中,加入7 mL HNO3和1 mL 30% H2O2,密閉后置入微波消解爐中,10 min升至200 ℃,保持10 min,微波功率1000 W,待消解完全后,冷卻,轉移至50 mL量瓶中,加去離子水至刻度,搖勻,即得供試品溶液。同步以硝酸7 mL和30% H2O21 mL做空白實驗。

1.2.2ICP-AES測定條件的選擇射頻功率1.3 kW,霧化氣流量0.8 L/min,輔助氣流量0.2 L/min,冷卻氣流量15 L/min,觀測方向Axial,溶液提升量1.5 mL/min。

1.2.3分析譜線的選擇及儀器檢出限測定依據光譜儀對每個元素的測定均可以同時選擇多條特征譜線的特點,同時考慮到共存元素的相互干擾,在本研究中每個元素首先選取2～3條譜線進行測定,綜合分析強度、干擾情況及穩定性,最終選擇干擾少、精密度和信噪比均較高的譜線作為被測元素的分析譜線。取空白溶液測量10次,以標準偏差3倍時所對應的分析濃度為該元素的儀器檢出限。

表2　各元素分析波長、線性方程、相關系數、檢出限實驗結果

1.2.3工作曲線繪制取標準物質K元素母液,加去離子水配制成濃度分別為0、20、50、100、200、400 μg/mL的系列標準品溶液;Ca、Mg元素母液加去離子水配制濃度分別為0、5.0、10.0、20.0、40.0、60.0 μg/mL的系列標準品溶液;B、Al、As、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Mo、Na、Pb、Se、Sr、Zn、元素母液加去離子水配制濃度分別為0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 μg/mL的系列標準品混合溶液。上述各標準溶液在選定的工作條件下經ICP-AES測定后,儀器給出各元素的工作曲線及線性關系。

2　結果與分析

2.1元素分析譜線的選擇及檢出限的測定

進行ICP-AES法測定時,元素分析譜線選擇是否恰當,直接影響到測定方法的可信度及測定結果的準確性。遵照“1.2.2”項下實驗方法進行分析譜線選擇和儀器檢出限測定,結果見表2。19種元素選定的分析譜線受到的干擾小,且信噪比高。各元素的檢出限在0.001～0.066 μg/mL,檢出限較低,均可滿足本實驗測試要求。

2.2工作曲線

19種元素工作曲線線性回歸方程、相關系數(r)測定結果見表2,結果顯示各元素標準曲線線性相關系數為0.9995～0.9999,表明該方法線性關系均良好。

2.3精密度及重復性實驗

在選定的測試條件下,取山東沾化產冬棗樣品為供試品,精密稱取1.0 g粉末,按“1.2.1”項下方法進行消解,制備供試品溶液,在選定條件下采用ICP-AES法重復測定6次,得供試品溶液精密度實驗結果;另取混合對照品溶液,在相同條件下重測定6次,得對照品溶液精密度實驗結果(見表3)。取山東沾化產冬棗樣品為供試品,精密稱取1.0 g粉末,平行6份,按“1.2.1”項下方法分別進行消解,制備供試品溶液,在選定條件下測定各元素質量分數,得重復性實驗結果(見表3)。由表3可知,精密度RSD在0.43%～2.11%,重復性RSD在0.99%～2.54%,表明該方法精密度及重復性均良好,可滿足測定要求。

2.4加樣回收率實驗

取山東沾化產冬棗樣品,采用標準加入法進行加樣回收率實驗。準確稱取6份樣品各0.5 g,分別加入適量已知質量濃度的各元素標準溶液。按“1.2.1”項下方法進行微波消解制備供試品溶液,在選定的測試條件下分別測定,結果(見表4)顯示其回收率為91.9%～107.6%,RSD<4%,表明該方法準確可靠。

2.5樣品測定結果

在上述方法學考察的基礎上,按照選定的最佳儀器測試參數,采用標準曲線法測定各樣品溶液中無機元素的含量,結果見表5。比較不同產地及栽培品種大棗樣品中常量元素含量,發現所有樣品K含量均較高,其平均值可達11.01 mg/g,其中山東荷澤產核桃紋樣品K含量最高(24.81 mg/g),最低的為河南新鄭產的灰棗樣品(5.46 mg/g);Ca平均含量為0.87 mg/g,其中含量最高的為河南新鄭產的雞心棗樣品(1.43 mg/g),最低的為新疆若羌產的若羌大棗樣品(0.49 mg/g);Mg平均含量為0.48 mg/g,其中含量最高的為陜西彬縣產的晉棗樣品(0.69 mg/g),最低的為河北贊皇產的贊皇大棗樣品(0.23 mg/g);Na含量相對較低(0.14 mg/g),且各樣品間差異較大,最高者可達0.63 mg/g(新疆和田產駿棗樣品),而在山西稷山產的板棗樣品中卻未檢測到。微量元素比較結果顯示:Fe和B平均含量相對較高,分別為23.26 μg/g和22.91 μg/g,其次為Sr(8.58)、Al(7.80 μg/g)和Zn(6.23 μg/g),Mn、Mo相對含量較低,其平均值分別為2.81 μg/g和2.72μg/g,Co和Se未檢出。其中,Fe含量相對較高的為山東茌平產圓鈴棗樣品(43.46 μg/g),B含量相對較高的為河南內黃產扁核酸棗樣品(36.92 μg/g),Al含量相對較高的為山西柳林產牙棗樣品(22.75 μg/g),Zn含量相對較高的為安徽蕪湖產菱棗樣品(18.23 μg/g)。

表3　各元素的精密度、重復性實驗測定結果

所有樣品中均未檢出國家食品安全衛生標準《食品中污染物限量》(GB2762-2012)及現行版《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》規定重點檢測的有害元素As、Cd、Cr及Hg;Cu元素含量除產自河南內黃的扁核酸樣品(20.09 μg/g)超過《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》規定的小于等于20 mg/kg限量外,其余樣品均符合要求;有83.8%的樣品其Pb元素含量超過《食品安全衛生標準-食品中污染物限量》規定的小于等于1 mg/kg限量標準,其中河南新鄭產雞心棗品種(9.54 μg/g)、江蘇泗洪產泗洪大棗品種(8.00 μg/g)、河北滄縣產無核棗品種(11.78 μg/g)Pb元素含量均超過了《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》規定的小于等于5 mg/kg的限量標準。

表4　各元素的加樣回收率實驗測定結果

本研究樣品基本涵蓋了我國目前已形成商品規模的大棗主產地及主栽品種,研究樣品具有代表性,可基本反映我國目前大棗中無機元素含量的基本狀況。研究結果顯示:所有大棗樣品均呈現出高K低Na的分布特點,且Ca和Mg含量豐富;微量元素中以Fe、B、Sr、Al、Zn含量較為豐富。其中K是機體中重要的電解質,可加強肌肉的韌性和心臟的運動力,具有促進蛋白質、碳水化合物和熱能代謝的作用;Ca和Mg可參與神經及免疫信息傳導,Mg還具有抑制神經興奮性的作用;Fe和人體免疫防御功能關系密切,可協調多種元素的體內代謝,同時Fe也是構成血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素和其它酶系統的主要成分,與造血功能關系密切[3];B可顯著提高細胞中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的水平,在保護細胞膜的完整性、防止脂質氧化以及清除自由基等生理反應中都起著重要作用[12];Sr可參與人體骨造髓的生理過程[13];Zn是人體中含金屬酶的成份,可參與核酸和蛋白質代謝作用,與人體生長發育及免疫功能密切相關[14]。上述元素所表現出的生理功能與大棗具有補中益氣、養血安神的功效相一致,因此可認為大棗所含有的這些無機元素為大棗營養價值體現及功效的發揮密切相關。此外,97.3%的樣品檢出有害元素Pb,其引入途徑值得進一步研究。

表5　不同樣品中無機元素分析結果

注:a樣品序號同表1;b未檢測到。

2.6大棗果實無機元素含量相關性分析

采用SPSS16.0軟件對大棗樣品中檢測到的各元素進行相關性分析,因多數變量不服從正態分布,故采用Spearman等級相關系數法,統計結果見表6。相關矩陣分析顯示,大棗樣品中有7對元素呈現極顯著正相關(p<0.01),分別為Mg與B、K、Mn、Zn,Mn與B、Pb,Ca與Zn;有12對元素呈顯著正相關(p<0.05),分別為Cu與Ca、Mn、Zn,K與B、Mn、Na,Sr與Al、Fe、Mg,Na與B、Mn,Fe與Mg。特別是Mg、Mn分別與6種元素顯著相關,K與4種元素顯著相關,表現出這些元素間具有相互協同、促進吸收的關系。其余各元素之間多存在相關趨勢,但均未達到顯著性水平。

表6　大棗果實中無機元素相關性分析結果

注:ap<0.05;bp<0.01。

表7　主成分的特征值及貢獻率

Rotation Method:Varimax with Kaiser Normalization.

表8　旋轉后的因子載荷矩陣

Rotation Method:Varimax with Kaiser Normalization.

2.7不同產地及品種大棗樣品營養及保健價值綜合評價

因大棗中含有的多種無機元素與其保健、藥用價值密切相關,因此可基于無機元素組成及含量對不同產地及不同栽培品種大棗樣品的保健及營養價值進行評價。因各樣品中所含無機元素種類較多,且不同元素間數據差異較大,故選擇主成分分析法對所測定數據進行降維處理后再行評價,以增加評判結果的科學性。以37批次大棗樣品中含有的除有害元素Pb外的12種元素組成的37×12矩陣進行主成分分析,結果顯示前4個主成分特征值均大于1,說明前4個因子在影響大棗質量評價的指標中起著主導作用,4個主成分的累積貢獻率達66.5%,能夠較客觀地反映大棗的內在質量,故選取前4個主成分進行分析。同時為各主成分因子更好地解釋各變量,分析中對特征值及因子載荷矩陣采用了方差最大化正交旋轉,結果見表7。各元素在4個主成分上的載荷值見表8,其中B、K等元素在第1主成分上有較高載荷,說明第1主成分主要反映了B、K、Mg、Mn和Na元素指標的信息;同理,第2主成分主要反映了Al和Sr元素指標的信息;第3主成分主要反映了Ca、Zn元素指標的信息;第4主成分主要反映了Cu、Mo和Fe元素指標的信息。即前4個主成分基本可包含12種無機元素的全部信息。

選取上述個主成分因子,以其得分與方差貢獻率乘積之和相加,得出各個大棗樣品的無機元素總因子得分值F,以F大小評價大棗樣品保健及營養價值高低[15-16],其綜合評價函數為:

F=0.19936F1+0.18240F2+0.17396F3+0.10946F4

按綜合評價函數計算出的不同樣品綜合得分(F)及得分排名見表9。陜西彬縣產晉棗樣品、河南內黃產扁核酸棗樣品以及山東荷澤產核桃紋棗樣品綜合排序分列1、2和3位,表明就無機元素角度而言以上大棗樣品品質較好。

表9　不同大棗樣品中無機元素主成分因子及其綜合評價結果

3　結論

本文采用微波消解結合ICP-AES法建立了大棗中包含營養元素及有害重金屬共計19種無機元素的分析方法,并通過37批次樣品驗證表明該方法簡便、準確可靠。不同產地、不同品種大棗樣品中含量較高的無機元素有K、Ca、Mg、Na、Fe、B、Sr、Al、Zn,不同樣品間含量差異較大;多數樣品中均檢出有害重金屬元素Pb,其平均含量高于國家食品安全衛生標準《食品中污染物限量》(GB2762-2012)的相關限量標準?；谥鞒煞址治龇?通過對不同樣品中的無機元素含量進行降維分析,將所測到的12種無機元素指標簡化為4個主成分,建立了基于無機元素角度客觀評價大棗保健營養價值的綜合評價方法。該方法中各主成分的貢獻率(綜合評價函數中的權重)是經分析原始數據計算而得,克服了其他綜合評價方法中人為確定各指標權重的問題,其評價結果更為客觀公正。評價結果為藥食兩用大棗栽培區域及品種選擇提供了一定的理論數據。

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Determination of the inorganic elements in jujube fruits cultivated in different regions by microwave digestion and ICP-AES method

GUO Sheng1,DUAN Jin-ao1，*,YAN Hui1,QIAN Da-wei1,TANG Xiao-qing2

(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization,and National and Local Collaborative Engineering Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization and Formulae Innovative Medicine,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing 210023,China 2.College of Horticulture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Inorganic elements in jujube fruits collected from different regions were determined by microwave digestion coupled with ICP-AES method. The results showed that in the 19 kinds of inorganic elements determined in the assay,almost all of the samples contain the elements of K,Ca,Mg,Na,Fe,B,Sr,Al,Zn,Mn,Mo and Cu. The harmful heavy metal element of Pb was detected in most of samples,and its average content could get up to 2.62 μg/g.The harmful elements of As,Cd,Cr and Hg were not detected in all the samples. Based on the contents of elements in different samples,principal component analysis method was performed and 4 factors(F1-F4)were selected to evaluate the jujube nutrition and health value. The evaluation function is F=0.19936F1+0.18240F2+0.17396F3+0.10946F4. The results showed that the cultivars from Shaanxi Binxian,Henan Neihuang and Shandong Heze ranked in the top three in the terms of inorganic elements,which indicated that the qualities of above samples are better than those of other samples. This study provided the data of nutritional value and safety for the jujube resources,and also provided the reference for selecting the cultivation regions and cultivars of jujube.

Ziziphusjujuba,inorganic element,microwave digestion,ICP-AES

2015-04-29

郭盛(1977-)，男，博士，主要從事中藥資源化學研究及教學工作，E-mail：gsh916@163.com。

段金廒(1956-)，男，博士，教授，研究方向：中藥資源及中藥化學，E-mail：dja@njutcm.edu.cn。

國家自然科學基金面上項目(81473538)；教育部霍英東教育基金會高等院校青年教師基金項目(141040)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(ysxk-2014)。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000