電感耦合等離子體質譜法測定超微粉碎對苦蕎代餐粉中礦質元素的影響

李文秀,王 麗,張 萍,許青蓮,*,邢亞閣,李 鶴,楊 華,曾曉君,周光朝

(1.西華大學食品與生物工程學院,四川成都 610039; 2.四川環太生物生物科技有限責任公司,四川成都 610000)

超微粉碎技術是當今國內外食品加工的關鍵技術,物質經過超微粉碎后具備了良好的表面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應及量子隧道效應等顯著特性,提高了生物活性物質溶出率,有利于機體對有效成分的吸收[1-2]。作為一項高新技術,超微粉碎技術已被廣泛應用于食品、農業、醫藥、化工、建筑等領域[3]。但是,食品在超微粉碎過程中可能因機械損傷而造成部分營養成分的流失。苦蕎即苦蕎麥,學名韃靼蕎麥,是自然界中甚少的藥食兩用的優良作物,被譽為“五谷之王”,是一種集營養、保健、醫療于一體的天然綠色功能食品[4-7]。苦蕎中的膳食纖維含量比較高,而膳食纖維成分可以刺激小腸上皮黏膜細胞分泌膽囊收縮素,抑制胃排空,增加飽腹感,對肥胖癥有良好的控制作用[8]。因此,苦蕎是一種制備代餐粉的理想原料。消費者在減肥的同時也比較關注代餐粉的營養元素及食用安全性。

常用于測定五谷雜糧及其制品中礦質元素的方法主要有原子熒光光譜法[15]、電感耦合等離子體原子發射光譜法[16]、X射線熒光光譜法[17]、火焰原子吸收光譜法[18]和電感耦合等離子體質譜法[19]。其中,電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)是一種分析速度快、線形范圍寬、靈敏度高、檢出限低、可進行多種元素及同位素同時測定的分析技術[9-11],已廣泛應用于材料、環保、生物醫學、食品等領域[12-13],是目前國內外最先進的元素測定方法之一,非常適合分析谷物類食品的礦質元素[14]。但是,目前對于谷物類食品中礦質元素的研究大部分都集中在測定谷物本身的礦質元素以及在種植過程中礦質元素的遷移,測定加工處理對谷物類食品中礦質元素影響的研究較少。Jiang等[15]通過原子熒光光譜法研究了水稻中鍺的定量。Yang等[16]采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定了馬鈴薯,燕麥,蕎麥,高粱和紫米中的19種礦物元素。Teixeira等[17]使用能量色散X射線熒光光譜法開發了一種簡單、快速且廉價的方法來確定大米樣品顆粒中的必需元素。Erdogan等[18]通過火焰原子吸收光譜法測定了三種土耳其豆科植物,菜豆,小扁豆和鷹嘴豆中的Fe,Zn,Mn和Cu水平。Voica等[19]通過電感耦合等離子體質譜法測定了37個咖啡樣品包括有毒和必需元素的16種元素。

實驗室以苦蕎為主要原料,采用超微粉碎技術制備了一種超微苦蕎代餐粉。經過加工后的超微苦蕎代餐粉口感細膩,香氣濃郁,沖調性較好,感官品質明顯優于普通苦蕎代餐粉,但其營養成分情況尚不明確。為了明確超微粉碎過程中苦蕎代餐粉中礦質元素的損失情況,本實驗建立測定苦蕎代餐粉中部分礦質元素含量的ICP-MS分析方法。采用ICP-MS法同時測定苦蕎代餐粉中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13種礦質元素的含量。探究超微粉碎后苦蕎代餐粉中礦質元素的損失情況,以明確超微粉碎在苦蕎代餐粉中的應用價值。從元素的角度考察超微粉碎對苦蕎代餐粉營養成分的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

苦蕎 四川環太生物生物科技有限責任公司;大米、薏仁、燕麥、黑麥、魔芋粉 郫縣百盛源超市;Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As等多元素混合標準溶液(100 μg/mL),Sc、In、Bi混合內標溶液(1000 μg/mL) 國家標準物質中心;超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm)由超純水制備儀制得;硝酸(優級純)、30%過氧化氫(分析純) 成都市科龍化學品有限公司。

SLG65-III雙螺桿擠壓機 濟南希諾機械有限公司;YQ50-1氣流粉碎機 上海賽山粉體機械制造有限公司;FW-100型高速粉碎機 天津市華鑫儀器廠;MDS-6G微波消解儀 上海新儀微波化學科技有限公司;NexION350X電感耦合等離子體質譜儀 美國PerkinElmer儀器有限公司;Milli-Q Biocel超純水儀(電阻率>18.2 MΩ·cm) Millipore;IKA C-MAG HP7控溫數顯電熱板 北京萊伯泰科儀器股份有限公司;萬分之一分析天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 電感耦合等離子體質譜法的建立

1.2.1.1 ICP-MS儀器工作參數 采用調諧液對儀器進行優化后,其儀器工作參數見表1。

表1 ICP-MS儀器工作參數Table 1 ICP-MS instrumental parameters

1.2.1.2 待測元素同位素和內標元素的選擇 待測元素按照干擾小、豐度大的原則來選擇同位素的質量數。由于苦蕎代餐粉基體復雜,存在一定的基體干擾,通常選擇內標元素來消除基體干擾和分析信號的漂移[20]。內標元素的選擇遵循所選內標元素質量數與待測元素質量數相近的原則[21]。待測元素的同位素質量數和所用內標元素如表2所示。

表2 同位素和內標元素的選擇Table 2 Selection of isotopes and internal standard elements

1.2.1.3 標準曲線的建立 準確移取100 mg/L的多元素溶液標準物質1.00 mL于100 mL容量瓶中,并用體積分數為5%的硝酸稀釋并定容至刻度,配制成質量濃度為1.0 μg/mL標準中間液。再用體積分數為5%的硝酸將標準中間液稀釋成質量濃度分別為0.00、1.00、5.00、10.00、30.00、50.00 ng/mL的混合標準液,用于測定Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr和As元素的標準曲線。同時,取100 mg/L的多元素混合標準溶液,加體積分數5%硝酸溶液配制成0.00、0.20、2.00、4.00、12.00、20.00 μg/mL的混合標準液,用于測定Mg、Fe和Ca元素的標準曲線。

1.2.2 樣品的制備 參照李丹[22]麥麩代餐粉制備工藝,并有一定改進。實驗室以苦蕎作為主要原料,以大米粉、薏仁粉、燕麥粉、黑麥粉、魔芋粉等為輔料,將苦蕎和大米粉碎、膨化(1.5 MPa,150 ℃)、再粉碎,薏仁、燕麥、黑麥用小火炒熟后用高速粉碎機粉碎,然后取苦蕎粉、大米粉、燕麥粉、薏仁粉、黑麥粉、魔芋粉、玫瑰粉、木糖醇按照16∶5∶5∶4∶2∶2∶1∶4 (w∶w)的比例均勻混合,最后過80目篩,得到普通的苦蕎代餐粉。將普通的苦蕎代餐粉經過氣流粉碎(頻率200 Hz)后過500目篩,即得到超微苦蕎代餐粉。

1.2.3 測定樣品前處理 準確稱取苦蕎代餐粉樣品0.2～0.3 g(精確至0.1 mg)于消解罐內,加入硝酸溶液(優級純)5 mL,蓋上消解罐罐蓋并旋緊,放置過夜,再加過氧化氫(H2O2)溶液2 mL,而后放入微波消解儀中消解,消解條件見表3。消解完全后,待溫度降至60 ℃以下后取出,在通風櫥中緩慢打開罐蓋排氣,再將消解罐置于控溫電熱板上,150 ℃趕酸近干。冷卻后,將消化液轉移至50 mL容量瓶中,用少量體積分數為5%的稀硝酸(以濃硝酸為基準)溶液分3次洗滌消解罐,洗滌液同樣轉移至容量瓶中并定容至刻度,混勻備用,同時做不含樣品的空白實驗。所有空白、標準、待測液均通過三通進樣管在線加入4.0 μg/mL的Sc、In、Bi混合內標溶液[23]。

表3 微波消解條件Table 3 Microwave digestion conditions

1.2.4 樣品的測定 樣品前處理后使用ICP-MS進行測定,測定參數見表1。測定時,先確立標準曲線,再測定1.2.3中得到的樣品空白液和待測液,自動得到所測溶液中各元素的質量濃度,通過計算得到樣品中各元素相應的含量[24]。試樣中待測元素的含量按式(1)進行計算:

式(1)

式中:X為試樣中待測元素含量(mg/kg);ρ為試樣溶液中被測元素質量濃度(μg/L);ρ0為試樣空白液中被測元素質量濃度(μg/L);V為試樣消化液定容體積(mL);f為試樣稀釋倍數;m為試樣稱取質量或移取體積,單位為克(g);1000為換算系數。

1.2.5 加標回收率 取兩份相同的樣品,其中一份加入一定量(本實驗的加入量見表6)的含有待測成分的標準物質;然后兩份試樣采取相同的分析步驟分析,最后,加標試樣所得的結果減去未加標試樣所得的結果,其差值與加入標準物質的理論值之比即為樣品加標回收率。即:

回收率加標(%)=(加標試樣測定值-試樣測定值)÷加標量×100

式(2)

1.2.6 檢出限 以樣品空白溶液測定11次所得標準偏差的3倍所對應的質量濃度為各元素的檢出限[25]。

1.3 數據處理

所有數據均使用SPSS 20.0系統進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 質譜干擾的消除

質譜干擾主要來源于多原子或同質異位素重疊所產生的干擾,消除質譜干擾最有效的方法就是ORS技術[26]。本實驗采用碰撞-反應池技術,使用氦氣作為碰撞氣、氫氣作為反應氣以及無氣模式,結合屏蔽炬技術限制強質譜峰在低質量端的拖尾現象,從而達到消除干擾的目的[23]。各待測元素所選擇的質譜工作模式見表4。

表4 質譜干擾及模式的選擇Table 4 Spectral interferences and ORS mode selection

2.2 標準曲線和檢出限

根據苦蕎代餐粉中不同元素的含量,選擇合適的質量濃度范圍配制標準液并進行測定,得到元素的標準曲線方程,如表5所示。從表5中可以看出,13種元素的線性回歸方程相關系數r均不小于0.9990,線性關系良好。樣品空白測量11次所得測定值的標準偏差的3倍所對應的質量濃度為各元素的檢出限,結果顯示檢出限(LOD)在0.0105～0.9678 μg/L范圍內。

表5 元素線性回歸方程、相關系數及LODTable 5 Linear regression equations,correlation coefficients,and LODs of the elements

2.3 加標回收試驗

對苦蕎代餐粉的一個樣品中每個元素進行2個梯度(每個梯度平行量取3次)的加標,經微波消解處理后,進行加標回收率的測定,測定結果見表6。從表6可以看出,各元素加標回收率在82.8%～111.0%之間,相對標準偏差(RSD)在1.0%～7.1%之間,表明該實驗方法的精密度良好,采用ICP-MS測定苦蕎代餐粉樣品中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13種元素的結果是令人滿意的。

表6 加標回收試驗結果(n=3)Table 6 Test results of spike recovery(n=3)

2.4 苦蕎代餐粉中礦質元素測定

采用以上建立的方法對普通苦蕎代餐粉和超微苦蕎代餐粉樣品進行了測定,每個樣品平行稱量10次,測定結果如表7所示。從表7中可以看出,苦蕎代餐粉含有豐富的礦質元素,且有毒重金屬元素的含量沒有超過GB 2762-2017《食品中污染物限量》中規定的谷物及其制品中Pb(以Pb計)、Cd(以Cd計)、As(以總As計)、Cr(以Cr計)的限量標準,其限量分別為Pb 0.2 mg/kg,Cd 0.1 mg/kg,As 0.5 mg/kg,Cr 1.0 mg/kg[27]。同時,將普通苦蕎代餐粉與超微苦蕎代餐粉中各元素的含量進行比較,除元素Ca、Mn、Co、Cu和Zn的含量經超微粉碎后顯著降低(p<0.05),其他8種元素測定的結果差異不顯著(p>0.05)。結果表明,普通苦蕎代餐粉中的Ca、Mn、Co、Cu和Zn元素的含量明顯高于超微苦蕎代餐粉,但各元素的損失量不超過7%,超微粉碎對苦蕎代餐粉中其他礦質元素含量的影響不顯著(p>0.05)。總的來說,超微粉碎對苦蕎代餐粉中礦質元素的影響較小。本實驗結果與陳愛華[28]等研究結果基本一致,證明了手工手磨碎和機械粉碎制樣對柑桔葉片金屬元素無顯著性差異。

表7 超微粉碎對苦蕎代餐粉中礦質元素含量的影響Table 7 Effect of ultrafine pulverization on the content of mineral elements in buckwheat meal replacement powder

3 結論

本實驗以硝酸和雙氧水為消解液,采用ICP-MS測定苦蕎代餐粉中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13種礦質元素。利用ORS技術消除了分析中的質譜干擾,通過加入內標元素有效地克服了基體效應并補償了信號漂移,提高分析結果的準確性。在所測線性范圍內,13種元素的相關系數均不小于0.9990,其檢出限在0.0105～0.9678 μg/L之間,加標回收率在82.80%～111.0%之間,相對標準偏差RSD在1.0%～7.1%之間。因此,該方法的精密度好,可用于同時測定苦蕎代餐粉中的多種礦質元素。通過對普通苦蕎代餐粉和超微苦蕎代餐粉中13種礦質元素的含量進行分析,結果表明,該苦蕎代餐粉中含有豐富的礦質元素,有毒重金屬As、Pb、Cd、Cr的含量均未超出GB 2762-2017《食品中污染物限量》標準的限量,食用安全。同時,超微粉碎對苦蕎代餐粉中礦質元素的含量的影響較小,所以,超微粉碎在苦蕎代餐粉中是有一定應用價值的。實驗為超微粉類功能食品的開發提供了參考依據。