寧夏不同地區、不同品種枸杞中元素含量差異分析

開建榮，李彩虹，趙丹青，王彩艷*

1(寧夏農產品質量標準與檢測技術研究所，寧夏 銀川，750002)2(寧夏農林科學院，寧夏 銀川，750002)

寧夏枸杞是唯一載入《2010年版中國藥典》的枸杞品種。據報道，世界上枸杞的品種約有80種，其中，南美洲南部約30種，北美洲南部和非州南部各有20種左右，歐亞大陸約有10種，中國有7個種和3個變種[1-3]，我國枸杞的幾大產區的絕大多數栽培品種均引自寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)系列品種[4-5],截止2018年，我國已有13個省區種植。枸杞是我國西部特色優勢產業，已成為西部地區生態治理、勞動力就業、脫貧富民的支柱產業，其產量、消費量和出口量均居世界首位。寧夏枸杞種植面積及產量占到全國的40%左右，我區選育出多用途枸杞新品系50個，其中“寧杞5號”和“寧杞7號”對枸杞產業的發展具有重要的支撐作用。枸杞果實含有多糖、黃酮類化合物以及甜菜堿、類胡蘿卜素等多種功能營養成分[6]，具有增強免疫力、抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞、調節血脂、降血糖、降血壓等多重功效[7-14]，枸杞在我國保健行業和醫藥行業發揮著重要作用。目前，枸杞中功能成分的研究主要集中在多糖、甜菜堿等有機成分和不同產區枸杞中功能營養成分的研究[13-15]。

目前，國內外開展了不同的檢測方法研究來驗證原產地保護各種產品的真實性，如COETZEE等[16]通過對葡萄酒中40種元素進行篩選分析發現，20種元素存在地區差異，最終篩選出Al、Mn、Rb、Ba、W、Ti作為產地溯源的指標；JAROSLAVA等[17]也發現 Al、Ba、Ca、Co、K、Li、Mg、Mn、Mo、Rb、Sr、V 及 Sr/Ba、Sr/Ga、Sr/Mg對葡萄酒地域的判別效果比較好；吳浩等[18]研究發現通過分析葡萄酒中C、N穩定同位素以及元素含量，可以實現對有機和非有機葡萄酒的精確區分；也有研究表明元素指紋技術能很好地判別茶葉的產地來源[19-21]。目前，產地溯源研究主要集中在葡萄酒[16-18]、茶葉[19-21]、谷物[22-24]、蜂蜜[25-26]等。

枸杞中含有豐富的無機元素，這些無機元素能夠反映枸杞生長的土壤環境、元素的種類和含量差異，具有一定地理標志特征，在枸杞產地溯源中應用較多。近年來，我國也開始關注枸杞原產地保護和鑒別，并開展相關研究[27-28]。我區作為枸杞種植大省，為了避免越來越多的外來枸杞品牌對寧夏枸杞的沖擊，枸杞產地溯源研究勢在必行。但是農產品的品種和小區內不同地域差異是否會影響產地溯源結果。因此，本試驗以寧夏主要種植的枸杞品種(寧杞1號、寧杞5號、寧杞7號和寧杞9號)和不同種植區域(固原市、中衛市、中寧縣和銀川市)枸杞為研究對象，檢測分析枸杞中26種(Al、As、B、Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、La、Li、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Se、Sr、Th、Ti、Fe、Zn、P、Ca和Pb)較為穩定的元素含量，闡明不同品種枸杞及不同產地枸杞中元素的含量差異，以期為枸杞產地溯源提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的4個不同枸杞品種(采于同一產區)，分別為寧杞1號(n=8)、寧杞5號(n=4)、寧杞7號(n=8)和寧杞9號(n=6)，不同地區枸杞材料來源于寧夏固原(n=8)、中衛(n=8)、中寧(n=10)及銀川(n=8)的枸杞基地。于2018年7月采集鮮果，自然曬干，在50 ℃烘箱中烘干，烘干后的枸杞樣品進行充分研磨，過100目篩后，放置在-20℃冰箱中保存備用。

1.2 儀器與試劑

Mars6 Xpress微波消解儀(內置雙光路溫度控制系統和全罐異常壓力監控系統)，美國CEM公司；電子天平，梅特勒-托利多公司；ELAN DRC-e型ICP-MS儀，美國Perkin Elmer公司；Milli Plus 2150超純水處理器，美國MILLIPORE公司。

多元素混合標準溶液(1 0 mg/L),美國Perkin Elmer公司;Hg元素標準溶液(1 000 mg/L)，中國計量科學研究院；硝酸(優級純)，德國默克；去離子水，實驗室制備。

1.3 試驗方法

枸杞中元素測定參考GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》[29]，稱取0.5 g(精確到0.000 1 g)枸杞樣品，加入10 mL HNO3，浸泡過夜，使用微波消解法進行樣品前處理，用電感耦合等離子體質譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)測定枸杞樣品中元素含量。儀器的具體工作參數如下,

微波消解儀：選擇溫度控制，5 min爬升至120 ℃，保持10 min；5 min爬升至150 ℃，保持20 min；5 min爬升至180 ℃，保持30 min進行消解，消解完畢后冷卻，冷卻后置于趕酸儀上120 ℃趕酸2 h，然后冷卻至室溫;用超純水洗至50 mL刻度試管中，并用超純水定容，搖勻；同時做試劑空白。

ICP-MS工作前進行儀器調諧，調節靈敏度、氧化性、雙電荷、分辨率。儀器的具體工作參數：發生器功率1 300 W；霧化器流量0.95 L/min；等離子炬冷卻氣流量17.0 L/min；輔助器流量1.20 L/min；檢測器模擬階電壓-2 350 V；離子透鏡電壓6.00 V。

1.4 數據分析

用SPSS 17.0 統計學軟件對數據進行方差分析、Duncan多重比較分析、主成分分析。

2 結果與分析

2.1 枸杞中礦物元素含量

枸杞中26種元素含量如表1所示：枸杞中元素的含量存在明顯差異；P、Mg、Ca、Al、Fe的含量較高，其平均含量分別達到2 528、1 182、578、182.5和56.1 mg/kg，其次是Zn、Mn、B、Sr、Cu、Rb、Ti、Li、Ba、Ni，這15種元素含量均大于1 mg/kg，Mo和Pb的含量介于0.1～1.0 mg/kg，而As、Cd、Co、La、Sc、Se、Th、Hg的含量為μg/kg級。2015版《中華人民共和國藥典》對Pb、Hg、As、Cu、Cd的含量做出了明確限定。雖然試驗枸杞樣品中重金屬的含量均低于國標限量要求，但還存在一定的差別，因此應當重視對重金屬含量的監控，特別是施用殺蟲劑、肥料等環節，避免引起重金屬殘留和超標[30]。

2.2 不同地區枸杞中礦物元素含量

受地質、水和土壤環境因素的影響，不同地域土壤中礦物元素的組成和含量存在差異，導致在不同地域生長的生物體有其各自的礦物元素指紋特征[31]。對寧夏4個地區枸杞的26種元素進行方差分析(表2)，結果表明，4個地區枸杞樣品中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca在地域之間存在極顯著差異(P<0.01)，Se、Li、Cd、Pb和B含量存在顯著差異(P<0.05)，Cr、Hg、Zn、P含量差異不顯著。多重比較分析的結果顯示，不同地域枸杞樣品中的元素含量有其各自的特征。中衛枸杞中Al、B、Co、Cr、La、Mn、Mo、Sc、Se、Sr、Ti、Fe和Ca含量普遍較高；固原枸杞中Rb、Ni、Pb、Zn、Ba、Cu、Li和Mg含量較高；銀川枸杞樣品中的Cd含量較高；而中寧地區枸杞中的Al、As、B、Ba、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Se、Sr、Ti、Fe、Zn、Ca和Pb的含量均低于其他地區。多元素的含量差異表明多元素分析對枸杞產地溯源是可行的。劉毅等[32]研究發現，寧夏中衛和中寧枸杞中的Zn、Mn、Cu、Fe含量接近，Fe可以作為判斷枸杞品質和道地性的指標；張莉等[27]采用ICP-MS測定了寧夏、甘肅、新疆的122份枸杞中礦物元素，結果表明除了K元素，其他元素在不同地域間均有顯著性差異；史秀紅等[33]通過原子吸收分光光度計，測定了寧夏、河北、山東、內蒙古、青海等地枸杞中各礦物元素，并進行聚類分析和主成分分析，發現寧夏與其他產地的枸杞有明顯不同。

2.3 不同品種枸杞中礦物元素含量

對4個地區采集的4個品種枸杞中26種元素進行方差分析及多重比較(表3)。結果顯示，7號與9號枸杞中的B元素、1號與5號枸杞中的Li元素、5號與1號和9號枸杞中的Co元素、7號與5號枸杞中的La元素存在顯著性差異(P<0.05)，而其他元素在不同品種枸杞中沒有顯著性差異。因此，產地溯源研究中可不考慮枸杞品種的影響。

2.4 元素含量間的相關性分析

對枸杞樣品中的26種元素含量進行Pearson相關性分析，結果見表4。顯著性分析發現，枸杞中有些元素之間呈極顯著正相關(P<0.01)，如Rb和Cu、Ni，Ca和Al、As、B、Ba、Co、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Sr、P間均呈正相關關系，表明這些元素間具有相互協同、促進吸收的關系，同時說明枸杞在富集這些元素時具有較強的協同作用，但其差異與枸杞品種、栽培環境等因素相關。負相關表明元素間具有相互拮抗的關系，枸杞中具有負相關關系的元素較少，如Ni和Cd、Cd和Rb、Cu和Cd、Th和Ni之間均存在顯著負相關關系(P<0.05)。Hg、Rb與其他元素的相關性較差，說明Hg、Rb元素差異可能主要源于環境土壤差異，且Rb與Al、B、Cd、Co、Cr、Hg、La、Mo、Th、Fe等元素呈負相關關系，這可能與元素性質有關。由此可知，枸杞中26種元素之間存在一定的相關性和依存關系，而元素間的相關性是枸杞吸收和轉運元素交互作用的綜合反映，也是土壤中元素間相互作用的綜合反映。不同產地枸杞的無機元素存在較大差異，與其產地的土壤、氣候等因素息息相關，但在枸杞的生長過程中這些元素之間的相互影響有待進一步研究。

表1 枸杞中礦物元素含量

表2 不同地區枸杞中礦物元素含量及方差分析 單位：mg/kg

注：同列中不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，同列不同大寫字母表示在P<0.01水平上差異極顯著(下同)

表3 不同品種中礦物元素含量及方差分析 單位：mg/kg

表4 枸杞中礦物元素的Pearson相關性分析

注：*和**分別表示P<0.05和P<0.01水平上的顯著相關。

2.5 26種元素的主成分分析

礦物元素指紋分析技術是產地溯源的主要手段之一，其關鍵是從種類繁多的元素中篩選出與食品生長地域密切相關的、穩定的元素指紋信息[34]。主成分分析是通過降維的方式用少量因素反映原始數據所提供的大部分信息的技術。由表4可以看出，枸杞中元素兩兩之間有較大的相關系數，因此適宜用主成分分析法來研究元素之間的關系。

對寧夏4個地區枸杞中26種元素進行主成分(PC)分析(表5)，結果表明,前6個主成分累計方差貢獻率為82.672%，用這6個主成分可以較好的替代上述26種元素的全部信息。

表5 元素主成分分析

表6是經方差最大正交旋轉后的因子載荷矩陣，用于鑒別有實際意義的因子。從表6中可以看出，第1主成分主要綜合了枸杞樣品中Ni、Li元素的含量信息；第2主成分綜合了Al、As元素的含量信息；第3主成分綜合了Mo、P元素的含量信息；第4主成分主要表示Th的含量信息；第5主成分綜合了Zn、Pb的含量信息；第6主成分和Hg呈高度負相關，和Ba呈高度正相關，綜合了Hg和Ba元素的含量信息。因為總方差82%以上的貢獻來自于前6個主成分，所以，根據各無機元素在前6個主要主成分上的載荷，可以認為Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba是枸杞的特征元素。吳有鋒等[35]對柴達木枸杞中24種元素采用主成分分析，提取了Cu、Zn、Na、Mg、Fe、P、K、Mn等特征元素，與本研究結果不同，原因可能是不同產地土壤元素含量存在差異。

根據表6中的因子得分系數矩陣，通過得分系數將各個變量進行線性組合，建立關于6個主成分與26個元素變量得分系數模型。以各個主成分對應的方差貢獻率作為權重，由主成分得分和相應的權重線性加權求和得到綜合評價函數。綜合得分按公式(1)計算：

zF=42.266%×F1+15.512%×F2+8.476%×F3+7.965%×F4+5.538%×F5+4.914%×F6

(1)

式中：F1-F6分別為各主成分得分，按表6得分系數矩陣計算。

利用第1主成分和第2主成分的標準化得分作散點圖(圖1)，結果表明，通過第1和第2主成分可區分不同地區枸杞樣品。中衛和固原第1主成分得分均為正值，中寧第1主成分得分均為負值，銀川第1主成分得分既有正值，又有負值；中衛的第2主成分均值為正值，中寧的第2主成分均值為負值，而銀川和固原的第2主成分既有正值，又有負值。銀川和固原處于中衛和中寧之間，這與元素含量差異分析的規律一致。可見，主成分分析可以把樣品中多元素的信息通過綜合的方式更直觀地表現出來。

表6 主成分載荷矩陣

續表6

元素旋轉成分載荷矩陣PC1PC2PC3PC4PC5PC6元素旋轉成分載荷矩陣PC1PC2PC3PC4PC5PC6Mo0.4320.2370.797-0.0220.099-0.135Ni0.1950.026-0.102-0.131-0.0320.010P0.2640.2050.6920.2970.2710.367Rb0.1230.119-0.310-0.1890.0750.239Fe0.3470.6080.610-0.0420.036-0.178Sc0.0660.141-0.1160.042-0.0620.035Rb0.3580.023-0.566-0.4240.2710.381Se-0.0050.0340.157-0.085-0.085-0.004Se0.3280.2970.522-0.117-0.076-0.032Sr0.197-0.009-0.0350.038-0.2050.036Th-0.1450.163-0.1350.8800.171-0.046Ti0.0990.047-0.0880.228-0.094-0.178Ti0.4020.5080.1420.637-0.029-0.195Th-0.008-0.054-0.0770.3470.109-0.113Cd-0.1270.0860.1140.631-0.1380.247Fe-0.0480.1250.148-0.085-0.056-0.075Zn0.270-0.0070.284-0.1260.831-0.078Zn-0.043-0.1640.151-0.0060.453-0.025Pb0.0420.378-0.0980.1220.8190.048P-0.070-0.1190.2810.0600.1560.168Hg0.2200.238-0.0050.1480.458-0.727Ca0.1230.064-0.1190.131-0.0580.048Ba0.2560.042-0.0930.4000.1690.685Pb-0.0960.068-0.0720.0110.4110.040

圖1 第1和第2主成分得分散點圖

3 結論

本試驗對寧夏4個地區枸杞中26種元素含量分析顯示，元素含量存在明顯差異，且元素含量變異系數較大。寧夏不同種植地區枸杞中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca的含量差異達到了極顯著水平，這說明來自寧夏固原、中衛、中寧和銀川4個產區的枸杞樣品中元素有其各自的特征，多元素分析對枸杞產地判別是可行的。但對不同品種枸杞元素的含量進行分析發現，不同品種枸杞中元素含量不存在顯著性差異，因此，品種差異并不影響產地溯源的研究。枸杞中26種元素之間存在一定的相關性和依存關系，對枸杞中26種元素進行主成分分析提取出了6個主成分，其累積方差貢獻率達到82.672%，因此，可篩選出Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba作為枸杞的特征元素。

本試驗采用化學計量學方法探討了寧夏不同地區枸杞中元素的分布規律，為枸杞在產地溯源研究方面提供了重要的數據支撐。