微波消解結合ICP-OES和ICP-MS測定奇亞籽中多種礦物質元素的含量

(中國廣州分析測試中心,廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室,廣東廣州 510070)

奇亞籽(Chia Seed)是薄荷類植物芡歐鼠尾草(SalviahispanicaL.)的種子,原產地為墨西哥南部和危地馬拉等北美洲地區。奇亞籽較小,一般為長(1.87±0.1) mm,寬(1.21±0.08) mm,厚(0.88±0.04) mm的橢圓型,表面光滑,顏色從米黃色到深咖啡色,表面帶有大理石紋脈絡線[1]。淺色的種子略比黑色的種子飽滿[2]。

奇亞籽富含人體必需脂肪酸α-亞麻酸及多種抗氧化活性成分(綠原酸、咖啡酸、楊梅酮、槲皮素、山奈酚等),是天然ω-3脂肪酸的來源,并含有豐富的膳食纖維、蛋白質、維生素、礦物質等[3-4]。目前,奇亞籽已經在不同的國家廣泛應用,如墨西哥、阿根廷、智利、新西蘭、日本、美國、加拿大以及澳大利亞等。目前主要應用于谷物棒、餅干、面條、面包、酸奶等[5]。從奇亞籽中提取的ω-3制成膠囊,可作為ω-3的營養補充劑[6]。

奇亞籽在2009年被EFSA(歐洲食品安全局)認為是新的食品原料,且經科學驗證,奇亞籽不會引起任何過敏性、抗營養性或者毒副作用,我國2014年根據《中華人民共和國食品安全法》和《新食品原料安全性審查管理辦法》有關規定已批準奇亞籽為新食品原料;由于奇亞籽進入我國時間較短,在其營養成分和安全健康方面有很大的研究空間[7-8]。

目前,礦物質元素的檢測方法主要有分光光度法、原子吸收法、原子熒光法、電化學極譜法、測汞儀、電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子發射光譜法(ICP-OES)等[9-12]。其中ICP-OES和ICP-MS可滿足于多元素含量的測定,被廣泛用于食品、醫藥、環境、化工等多領域[13-14]。本文以微波消解處理樣品,通過選擇合適的分析譜線和觀測方式,使用內標校正基體干擾,建立了ICP-OES和ICP-MS法簡便快速準確分析奇亞籽中多種礦物質元素含量測定的方法,為奇亞籽的開發和加工方面提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

奇亞籽 安徽過灣農業科技有限公司;硝酸(優級純)、30%過氧化氫(分析純) 廣州化學試劑廠;標準物質K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、P、B、Pb、Cd、As、Cr、Al、Ni(1000 μg/mL) 國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院;GBW10045(GSB-1)大米成分分析標準物質、GBW10011(GSB-2)小麥成分分析標準物質 地球物理地球化學勘查研究所。

XFB-200高速中藥粉碎機 吉首市中誠制藥機械廠;TOPEX全能型微波化學工作平臺 上海屹堯儀器科技發展有限公司;BHW-09Y12趕酸板 上海博通化學科技有限公司;ICP-5000電感耦合等離子發射光譜儀 聚光科技(杭州)股份有限公司;Agilent 7900電感耦合等離子體質譜儀 安捷倫科技(中國)有限公司;電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準工作溶液配制

1.2.1.1 ICP-OES標準工作溶液 臨用前采用5% HNO3逐級稀釋標準溶液配制成所需的質量濃度,配制成的混合標準溶液,其中K、Na、Ca、Mg的梯度濃度為0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 mg/L,Fe、Mn、Zn、Cu的梯度濃度為0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L,P的梯度濃度為1.0、2.0、5.0、10.0 mg/L,B的梯度濃度為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg/L。

1.2.1.2 ICP-MS標準工作溶液 臨用前采用5%HNO3逐級稀釋標準溶液配制成所需的質量濃度,配制成的混合標準溶液,其中Pb、Cd、As、Cr、Ni的梯度濃度為1.0、5.0、10.0、15.0、20.0 mg/L,Al的梯度濃度為1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 mg/L。

1.2.2 樣品處理 奇亞籽放入105 ℃烘箱中烘干至恒重后高速粉碎,過100目篩,干燥器內保存備用。準確稱取0.3 g制備好的奇亞籽樣品放入聚四氟乙烯微波消解罐內,加入6 mL HNO3,浸泡2 h,加入2 mL H2O2,旋緊消解罐蓋,放入微波消解儀中,按表1升溫進行消解。待消解完畢后,消解罐冷卻至室溫,將其聚四氟乙烯罐取下后置于趕酸板中進行趕酸,設置溫度140 ℃,時間4 h,完畢后冷卻至室溫,將溶液定量轉移至25 mL容量瓶中,用5%硝酸多次洗滌消解內罐,洗液合并于容量瓶中,定容搖勻,待測。同時全程做樣品空白對照。

表1 微波消解程序Table 1 Steps of microwave digestion

1.2.3 儀器測定工作條件 ICP-OES測定工作條件優化后為射頻功率為1200 W,沖洗泵速100 r/min,分析泵速50 r/min,霧化氣流量0.6 L/min,輔助氣流量1.0 L/min,重復測量次數3次。

ICP-MS測定工作條件優化后為射頻功率1550 W,反射功率<5 W,采樣深度8.0 mm,溶液提升量0.8 mL/min,輔助氣流量1.0 L/min,等離子氣流量15.0 L/min,載氣流量1.0 L/min,采用MicroMist霧化器,跳峰掃描方式,重復測量次數3次。

1.3 數據處理

采用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行統計分析,所有數據均以所測平均值報出[15]。試樣測試結果為六次重復,標準樣品為3次重復。采用ANOVA對試驗結果進行方差分析[16]。

2 結果與分析

2.1 ICP-OES測定元素分析波長選擇

實驗中每個元素都選取2～3條特征譜線進行掃描,由掃描圖直觀地觀測到相應分析線的輪廓、強度、光譜干擾情況和穩定性,綜合分析強度、干擾情況及穩定性等因素,選擇靈敏度高、基體效應小、譜線干擾少、精密度好的分析[17-18]。同時考慮分析譜線在儀器的干擾譜線庫中情況,確定分析線見表2。

表2 各元素ICP-OES的分析譜線Table 2 ICP-OES analysis spectral lines of each element

2.2 ICP-MS測定元素同位素選擇

在ICP-MS中,同質異位素干擾是試樣中與分析離子質量相同的其他元素的同位素引起的質譜重疊干擾等。從元素的同位素豐度可以看出,64Zn、64Ni和50Ti、50V、50Cr就屬于此類干擾,因此選擇適合的同位素是獲得準確分析結果的關鍵[19-22]。實際上,為了獲得更好檢測結果,總是要選擇靈敏度和豐度高的同位素,結合儀器本身對于離子干擾情況分析,各待測元素同位素選擇及其對應豐度查詢為:208Pb(52.4%)、111Cd(12.8%)、52Cr(83.79%)、75As(100%)、60Ni(26.22%)、27Al(100%)。

表3 各元素回歸方程、相關系數、檢出限及定量限Table 3 Regression equations,correlation coefficients,detection limits and quantitative limits of each element

2.3 質譜干擾校正

ICP-MS在分析過程中,分析信號會隨時間發生漂移,基體效應明顯,被測物信號出現抑制或增強效應等問題,所以選擇適當的內標元素,通過在線加入,用內標溶液來監測信號變動情況[23-26]。用內標法測定,有效地克服了儀器信號的漂移,保證了測定的準確度,且內標元素應在樣品中含量極低,且電離能與待測元素接近,因此本實驗采用加入內標元素103Rh、72Ge、45Sc,進行改善待測元素的準確性和穩定性。以103Rh為內標對208Pb、111Cd、60Ni進行校對,以72Ge對75As進行校對,以45Sc對52Cr、27Al進行校對。

2.4 標準曲線的回歸方程、相關系數、檢出限及定量限

各元素線性方程、相關系數及檢出限見表3,由表3可知各元素峰面積與其質量濃度呈良好線性關系,相關系數均大于0.999,線性關系良好。各元素檢出限為10次空白試劑測定后計算其標準偏差,以3倍光譜強度信號的標準偏差與對應斜率的比值計算各元素方法檢出限,以10倍光譜強度信號的標準偏差與對應斜率的比值計算各元素方法定量限,其中ICP-OES檢出限范圍在0.00850～0.10200 mg/L,ICP-MS檢出限范圍在0.00471～0.11330 mg/L;其中ICP-OES定量限范圍在0.0283～0.3400 mg/L,ICP-MS定量限范圍在0.0157～0.3777 mg/L,可以滿足樣品檢測的要求。

2.5 測試方法分析

2.5.1 方法精密度及回收率 對試樣六次測量進行相對標準偏差(RSD)計算即為方法精密度,測定結果見表4。各元素的RSD為0～4.1%,表示方法精密度良好。同時對試樣進行相應加標,計算回收率在90.4%～99.8%之間,滿足加標回收。

表4 方法精密度和回收率(n=6)Table 4 Methodology precision and recovery rate(n=6)

表5 標準參考物質大米(GBW10045(GSB-1)) 和小麥(GBW10011(GSB-2))的測定結果Table 5 Determination results of standard reference substances rice(GBW10045(GSB-1)) and wheat(GBW10011(GSB-2))

2.5.2 標準物質測定 取國家標準物質大米(GBW10045(GSB-1))和小麥(GBW10011(GSB-2))各三份,按上述方法進行測試多種元素的含量,結果如表5。結果顯示各元素測定值均在標準值范圍內,表明該方法準確可靠。

2.6 樣品測試結果分析

取奇亞籽試樣六份,按上述方法進行測試,樣品中各元素平均含量見表6。奇亞籽中富含多種礦物質元素,其中P含量最高,為6860 μg/g,P元素是維持骨的健康和鈣、磷、鎂正常代謝所需要的微量元素之一;K含量為2798 μg/g,而Na含量為13.2 μg/g,具有高K低Na的特點,有利于高血壓人群食用;Ca含量為4085 μg/g,Ca元素作為人體含量最多的礦物質元素,在維持人體系統的正常功能如分泌、骨骼等方面其中重要的作用,奇亞籽中的Ca含量非常豐富,相當于牛奶中Ca含量的數倍,長期食用能補充人體Ca所需含量。Mg含量為2515 μg/g,Mg是人體必需的微量元素之一,對心臟血管具有重要的保護作用[27-28]。Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Na、B含量(由高到低)在5～100 μg/g。與徐娟等[29]對八種谷類食品(糯米、大米、玉米、小米、黑米、高粱米、小麥和薏仁米)礦物質的比較,在常量元素方面,奇亞籽的Ca含量最高,是其中最高的小麥含量1625 μg/g的2.5倍;在微量元素方面,奇亞籽中Cu含量(21.9 μg/g)比八種谷物Cu含量(1.40～16.36 μg/g)都高。在奇亞籽重金屬元素方面Ni、Pb、Cr、Cd重金屬均有檢出,其中Pb含量符合食品安全國家標準GB 2762-2017中Pb元素限量0.2 mg/kg的標準;Ni檢出值為1.78μg/g,Cr檢出值為0.19 μg/g,雖暫未有對其兩種重金屬元素做出限量要求,但可作為產品質量要求的控制方式;As未能檢出。

表6 試樣測定結果 Table 6 Test results of samples

3 結論

本實驗建立了微波消解結合ICP-OES/ICP-MS法測定奇亞籽中多種元素的檢測方法,其中采用微波消解具有速度快,試劑用量少,消解完全,回收率好,且用ICP-OES/ICP-MS測定方法準確、簡單、快捷,結果準確度高,適用于奇亞籽中多種元素的同時測定。檢測結果顯示奇亞籽中含有豐富的礦物質元素,其中P、K、Ca、Mg元素含量較高,奇亞籽中含有豐富的Ca,含量是一般谷物類物質數倍,微量元素Cu也比一般谷物類高。同時重金屬危害元素Pb、Cd、As、Cr、Ni含量低,Pb含量符合食品安全國家標準GB 2762-2017的要求。綜上所述,奇亞籽其豐富的礦物質元素含量有利于其進一步開發利用。建立的微波消解結合ICP-OES/ICP-MS法檢測多元素具有高效、準確性,為奇亞籽的質量控制及檢驗提供參考依據。