ICP-OES和ICP-MS方法分析郫縣豆瓣中礦物質元素的分布

王 沖，陶 璇，馮云柯，陳鵬飛，楊 瀟,2，陳祥貴,2，車振明，馬 力，黃玉坤,2

(1.西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039; 2.宜賓西華大學研究院 食品非熱加工重點實驗室食品非熱加工工程技術研究中心，四川 宜賓 644004)

0 引 言

郫縣豆瓣作為地理標志產品，其傳統制作技藝于2008年被認定為“第二批國家級非物質文化遺產”[1]。當前大部分手工作坊式工廠采用非機械化的方法進行發酵[2]，粗放的方式易使環境中的礦物質元素對郫縣豆瓣產生影響。礦物質對于人體健康至關重要，但Pb、Cr、Al、As、Cd、Cu等元素攝入過量會造成人體的損傷或病變。目前，對郫縣豆瓣醬的研究還主要在發酵菌群[3]、生物毒素[4]、風味成分[5]、有機酸[6]等發酵產物成分含量及生產工藝[7]等方面，關于郫縣豆瓣中礦物質元素分布的研究報道比較少見。

郫縣豆瓣醬發酵周期長，其過程伴隨著大量有機物質和無機礦物質的消長變化。研究表明郫縣豆瓣中僅揮發性風味有機物就多達104種[5]。此外，郫縣豆瓣組分的復雜性決定了前處理的復雜性。在元素分析的樣品預處理過程中，微波消解因具有時間短、消解能力強、試劑用量少、空白值低等優點[8]而廣泛應用于如土壤[9]、動植物性食品[10]等復雜樣品的預處理。在礦物質元素的檢測方法中，與原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光法（AFS）等技術相比，電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）具有同位素豐富度測量靈敏、痕量檢測準確、可超痕量多元素快速分析[11]、抗干擾能力強等優點，被廣泛應用于復雜基體的痕量檢測中[12]。電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）的檢出限低、靈敏度高、精密度好和線性范圍寬，常用于常量礦物元素的分析中[13-14]。在GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》中，以ICP-MS為第一法，ICP-OES作為第二法進行元素的檢測[15]。國內外相關研究中，王小平等[16]利用ICP-OES和ICPMS分別測定了中日兩國大米中27種礦物質元素的含量，結果表明日本大米中有害元素Pb、Cd和有重要生理功能的B、Mg、Mo、Zn等元素含量顯著高于中國大米。Chen等[17]使用ICP-MS和ICP-OES成功檢測了興海縣冬蟲夏草中21種元素的含量。?-elih V S等[18]用ICP-MS和ICP-OES對斯洛文尼亞生產的葡萄酒中49種元素進行含量檢測，并進行地理性分類，其結果顯示生長周期和不同區域的葡萄酒中元素積累的量有明顯差異。

綜上所述，本研究擬建立ICP-OES、ICP-MS對郫縣豆瓣中礦物質元素的分布進行檢測的方法，旨在為保障中國地理標志產品——郫縣豆瓣在生產過程中的質量控制、食品安全、食品溯源和真偽鑒別提供科學依據和指標參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

MDS-6G微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）；NexIONTM350電感耦合等離子體質譜儀，Avio 200電感耦合等離子體發射光譜儀（美國PERKINELMER公司）；IKA C-MAG HP7電熱板（廣州儀科實驗室技術有限公司）；SB-5200DTN超聲波清洗（機寧波新芝生物科技股份有限公司）；YLD-2000型電熱恒溫鼓風干燥箱（黃石市恒豐醫療器械有限公司）。

郫縣豆瓣采樣于成都市郫都區某豆瓣廠。HNO3（優級純）、過氧化氫（分析純）等化學試劑均購自成都市科隆化學品有限公司；1 000 mɡ/L K、Na、P、Al標準溶液購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心。混合標準溶液1（100 μɡ/mL）：As、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Li、Mg、Mn、Mo、Ni、Pd、Sb、Se、Sr、Ti、Tl、V、Zn；混合標準溶液2（100 mg/L）：Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se；質譜調諧液(1 μg/L)：Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U均購于美國PERKINELMER公司。所用超純水電阻率為18.2 MΩ·cm（Milli-Q超純水處理系統）。聚四氟乙烯（PTFE）微波消解管、容量瓶等用20%（v/v）HNO3浸泡24 h后用超純水沖洗潔凈晾干備用。

1.2 樣品前處理

豆瓣樣品90 ℃干燥9 h后，用研缽碾磨成粉狀備用。稱取0.2 g（精確至0.001 g）樣品置于PTFE消解罐中，加入5 mL HNO3、2 mL H2O2，按表1設置微波程序，進行消解。

表1 微波消解程序

消解完畢后，消解罐置于電熱板上130 ℃恒溫加熱趕酸，近干時停止加熱，冷卻后用5% HNO3定容至10 mL，0.45 μm濾膜過濾，濾液稀釋5倍，進行ICP-MS、ICP-OES測定。試劑空白用同樣方法進行處理。

1.3 ICP-MS、ICP-OES工作條件的設定

ICP-MS工作條件：ICP功率1 200 W，霧化室溫度2 ℃，蠕動泵轉速20 r/min，進樣穩定時間40 s，掃描次數20次，重復次數3次。使用1.0 μɡ/L Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U調諧液對儀器各項指標進行調整。

ICP-OES 工作條件：高頻發生器射頻功率1 300 W，等離子氣流量11 L/min，輔助氣流量0.4 L/min，霧化氣流量0.65 L/min，積分方式為峰面積，觀測距離15.0 mm，觀測方式軸向觀測，選擇的譜線如表2所示。

1.4 標準工作液的配制

采用HNO3（5%）溶液逐級稀釋，配制不同濃度范圍的標準溶液。Pb、Cd、Cr、As混合標準溶液范圍為0.0，10.0，20.0，30.0，40.0，50.0 μg/L；K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se混合標準溶液范圍為0.01，0.10，1.00，10.00，20.00 mg/L。

表2 元素的檢測譜線

2 結果與討論

2.1 分析條件優化試驗

2.1.1 消解用酸體系優化

HNO3與H2O2配合使用具有試劑空白低、氧化能力強、趕酸速度快的特點[19]。選擇HNO3和H2O2為消解用酸，在其他條件不變的情況下改變HNO3、H2O2的用量，通過測定消解產物中Pb、Cd、Cr、As和K、P、Mg、Zn含量，優化消解用酸體系。梯度系列為：1（3 mL HNO3、1 mL H2O2），2（5 mL HNO3、1 mL H2O2），3（5 mL HNO3、2 mL H2O2），4（6 mL HNO3、2 mL H2O2）。結果見圖1，當5 mL HNO3、2 mL H2O2時，消解出的元素最多；HNO3加入量為6 mL時，消解出的元素量開始降低，而H2O2使用量增大時，會增加空白本底[11]。因此選擇5 mL HNO3、2 mL H2O2來消解豆瓣。

2.1.2 靜置時間優化

潘秋仁[20]研究發現消解前的靜置時間對微波消解結果有影響，選擇0，0.5，1，1.5 h 4個靜置時間，對消解前靜置時間進行優化。如圖2所示，元素濃度曲線接近水平，消解前的靜置時間對消解結果影響不大。Pb在0 h時消解出的量最多，為Pb消解出最大化，確定消解前靜置時間0 h。

2.1.3 消解溫度優化

根據GB 5009.268-2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》中消解程序的設置，對消解溫度梯度進行優化。由圖3所示，消解產物中各元素濃度在梯度120，150，190 ℃下較梯度120，140 ，180 ℃都有增加，As釋放量的增加尤為顯著，為357.6%。結果顯示消解產物中元素的濃度隨最大消解溫度的升高而升高。故選擇120，150，190 ℃的消解溫度。

圖1 在不同消解用酸體系下消解產物中礦物質元素的濃度

圖2 在不同靜置時間下消解產物中礦物質元素的濃度

圖3 在不同消解溫度梯度下產物中礦物質元素濃度

2.2 標準曲線和檢出限

通過ICP-MS測得As、Pb、Cr、Cd的標準曲線；ICP-OES測得K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se的標準曲線。對樣品空白溶液連續11次測定，計算標準偏差3倍所對應的濃度值為檢出限。各待測礦物質元素的線性范圍、相關系數及檢出限見表3。

2.3 方法分析性能評價

2.3.1 方法精密度

用優化后的微波消解程序對樣品進行處理，ICP-MS、ICP-OES連續11次測定，得到各元素相應RSD如表4所示。各元素RSD值≤5%，表現出良好的方法精密度。

表3 線性范圍、相關系數及檢出限

表4 方法精密度

2.3.2 準確度

方法的準確度通過加標回收率考察，在樣品中加入不同量的混合標準溶液后進行回收率測定，加標量和回收率見表5，各元素加標回收率在91.1%~117.7%之間，符合要求。

表5 加標量和回收率1）

2.4 實際樣品測定結果

郫縣豆瓣樣品1~11依次為同一批次不同發酵時間，間隔均為1個月，經過ICP-MS、ICP-OES檢測，結果見表6。

表6 郫縣豆瓣樣品中各礦物質元素含量

食品中Pb、Cd、Cr、As污染物限量分別為1.0 mg/kg、0.1 mg/kg、1.0 mg/kg、0.5 mg/kg[21]。ICP-MS檢測顯示，在測定的11個樣品干重中，重金屬元素Pb、Cd、Cr、As的含量皆遠低于其在食品中的限量，表明其安全性高[22]。由圖4所示，Cr的含量顯著高于Pb、Cd、As的含量，這可能與受郫都區土壤中Cr平均含量高（33.8 mg/kg）[23]的影響有關。Cr對人體血糖的調節、脂類代謝有重要作用[24]，食品中適當的Cr含量可保證人體Cr的充足。

圖4 樣品中各重金屬元素含量

根據ICP-OES的檢測結果，9種礦物質元素平均含量由高至低依次為：K（9.166 mg/g）、P（2.262 mg/g）、Mg（1.042 mg/g）、Ca（0.649 mg/g）、Zn（0.595 mg/g）、Al（0.049 mg/g）、Fe（0.047 mg/g）、Cu（0.031 mg/g）、Mn（0.004 mg/g）。樣品中Se元素未檢出，這與我國土壤中硒的普遍缺乏有關。豆瓣中Zn元素具有較高含量，Zn對于人體的生殖發育有著重要意義，《中國居民膳食營養素參考日攝入量》(2013版)中正常人體推薦攝入量為12.5 mg/d，因此食用郫縣豆瓣可有效補充每日所需Zn元素。K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg這9種礦物質元素的含量在所檢測的不同后發酵時長內有小幅度的波動，但此變化無顯著差異。人工攪拌豆瓣醬的均勻程度、豆瓣原料產區環境礦物質元素分布、生產過程機械化處理等原因，使不同發酵時間元素的分布存在差異[25]。

3 結束語

本文建立了郫縣豆瓣礦物質元素測定的微波消解方法，并以此為前處理方法對不同發酵時間郫縣豆瓣中礦物質元素分布進行ICP-MS與ICPOES測定。以ICP-MS對樣品中Pb、Cd、Cr、As進行檢測，方法檢出限低至0.110 μg/kg、0.014 μg/kg、0.269 μg/kg、0.132 μg/kg，回收率90%以上。以ICP-OES對豆瓣中K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg進行檢測，方法檢出限在0.000 4~0.032 8 mg/kg之間，回收率處于91.88%~117.71%之間。各元素檢測的RSD均小于5%。結果表明該方法可以有效消解郫縣豆瓣，檢測結果準確可靠，適用于豆瓣醬中礦物質元素的分析測定。對不同后發酵時長（1~11個月）的郫縣豆瓣進行了礦物質元素分布檢測，結果表明在不同發酵時間郫縣豆瓣中礦物質元素含量呈現波動；Pb、Cd、Cr、As 4種元素在樣品中的殘留量均遠低于國標限量，處于安全范圍內；郫縣豆瓣中有較高的K、P、Ca、Zn、Mg含量且分布具有一定特征范圍，可為郫縣豆瓣產地溯源技術提供指標依據參考。