五臺山花椒中金屬元素含量的測定

曹葉霞，李慧卿，尹愛萍

(忻州師范學院，山西 忻州 034000)

花椒(Chinese prickly ash)為蕓香科花椒屬落葉小喬木。五臺山氣候溫熱，無霜期長，適宜花椒的生長。現代醫學研究證明必需微量金屬元素與人體健康密切相關，鐵、鉻、鋅、錳、銅等是人體必需微量元素，攝入不足或過多就會打破體內平衡,引起生理異常甚至導致疾病[1]，重金屬元素鉛、鎘等對人體健康有很大影響，且隨著現代工業的發展，飲用水、土壤等的污染會使植物富集重金屬[2]，因此測定這些金屬元素的含量對其食品安全性評價有重大意義。

目前樣品常見的消解方法有微波消解法、干灰化法、濕式消解法，干灰化法消化溫度高且時間長，容易導致被測成分元素損失；濕式消解法溶劑用量大且污染環境；微波消解法用時短，分解完全，不易受污染，元素幾乎無損失，酸耗量少[3]。測定金屬元素的方法有：火焰原子吸收法(FAAS)、紫外可見分光光度法(UV-Vis)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)等，其中較常用的是火焰原子吸收光譜法(FAAS)和電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)，火焰原子吸收法為國標中規定的分析方法[4]，但只能單個元素測定，分析周期長；而電感耦合等離子體原子發射光譜法操作簡單，取樣量少，穩定性好，能在短時間內精確測定較寬濃度范圍，同時測定多種元素，被大量應用于元素分析[5-8]。現在對花椒的研究重點主要是花椒有效成分的功效及有效成分的分離提取等方面，對花椒中金屬元素含量的研究較少。鄭雅楠[9]用微波消解法對樣品進行前處理，應用 ICP-MS測定了陜西花椒中主要金屬元素含量，結果顯示其中的鉛含量較高；鄧波、李爽境[10]將濕法消解與原子吸收光譜法相結合，測定了四川某地花椒中鐵、鋅、銅、鎘、鉛5種金屬元素含量，測得鎘元素含量低于國家標準，鉛元素稍高于國家標準。未見報道五臺山花椒金屬元素含量，因此本實驗采用微波消解五臺山花椒，并用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定樣品中鈣、鎂、鉀、鋅、錳、鉛、銅、鉻、鐵和鎘10種金屬元素含量。

1 實驗部分

1.1 樣品來源

花椒：采購于五臺縣特產店。

1.2 儀器和試劑

PerkinElmer Optima 8000電感耦合等離子體原子發射光譜儀；MDS-6G微波消解儀 上海新儀微波化學科技有限公司；SRJX-4-8高溫箱形電爐 上海三星電熱儀器廠；DL-1萬用電爐 北京中興偉業儀器有限公司。

硝酸(GR)：西隴科學股份有限公司；30%過氧化氫(AR)：天津政成化學制品有限公司；鉀元素標準溶液(100 μg/mL)：中國計量科學研究院；鈣、鎂元素標準溶液(1000 μg/mL)：國家有色金屬及電子材料分析測試測試中心；鉻元素標準溶液(1000 μg/mL)：國家鋼鐵材料測試中心；鐵、鋅、錳、銅元素標準溶液(1000 μg/mL)：天津市科密歐化學試劑有限公司；鉛、鎘元素標準溶液(1000 μg/mL)：北京壇墨質檢科技有限公司；實驗用水為屈臣氏蒸餾水。

1.3 儀器工作條件

射頻功率1330 W；等離子氣流量15 L/min；霧化氣流量0.55 L/min；輔助氣流量0.2 L/min；泵速1.5 r/min；積分時間5～20 s；讀數延遲時間30 s；各待測元素分析譜線見表1。

表1 分析譜線的選擇Table 1 The selection of analytical spectral lines

1.4 實驗方法

1.4.1 花椒樣品預處理

將花椒洗凈，籽、皮分離，烘干粉碎，過60目篩后，分別保存于干燥潔凈的試劑瓶中備用。

1.4.2 標準工作曲線的制備

配制各元素的儲備液，Ca、Mg、K的濃度為100 μg/mL，Zn、Mn的濃度為50 μg/mL，Pb、Cu、Cr、Fe、Cd的濃度為10 μg/mL，從儲備液中移取相應體積的標準溶液到25 mL的容量瓶中，用3%的硝酸溶液稀釋定容。將10種金屬元素配成4組系列混合標準溶液，第Ⅰ組：Ca、Mg、K濃度梯度均為5.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0 μg/mL；第Ⅱ組：Zn的濃度梯度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 μg/mL，Mn的濃度梯度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 μg/mL；第Ⅲ組：Pb的濃度梯度為0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14 μg/mL，Cu的濃度梯度為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 μg/mL；第Ⅳ組：Cr、Fe、Cd、Fe的濃度梯度均為1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 μg/mL，Cr、Cd的濃度梯度均為0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14 μg/mL。以3%硝酸溶液作為空白溶液，測定各元素標準曲線及檢出限。

1.4.3 探究最佳微波消解條件1.4.3.1 消解溫度

稱取0.2000 g樣品6份，置于洗凈干燥的消解罐中，加入5.00 mL濃HNO3和3.00 mL H2O2，待反應緩和后裝罐，在功率500 W下，分別按照100，120，160 ℃；100，140，160 ℃；100，130，170 ℃；100，140，170 ℃；100，140，180 ℃；100，130，160，180 ℃6個程序升溫階段，總時長在60 min，進行微波消解，消解完畢后，在電熱板上于120 ℃趕酸至1～2 mL，冷卻至室溫，觀察消解效果。

1.4.3.2 消解試劑的選擇

稱取0.2000 g樣品7份，分別用5.00 mL濃HNO mL濃HNO3、7.00 mL濃HNO3、8.00 mL濃HNO3、5.00 mL濃HNO3+1.00 mL H2O2、5.00 mL濃HNO3+2.00 mL H2O2、5.00 mL濃HNO3+3.00 mL H2O27種消解液在1.4.3.1中探究出的最佳溫度下，總時長為35 min，功率500 W的條件下進行微波消解，比較7種消解液的消解效果。

1.4.3.3 消解時間

稱取0.2000 g樣品6份，在上述探究出的最佳溫度和消解試劑下，功率為500 W，總時長分別為25，35，45，55，65，75 min進行微波消解，比較消解效果。

1.4.4 樣品含量測定

在最佳微波消解條件下處理6份樣品，消解完畢后，將消解罐放在電熱板上于120 ℃趕酸至1～2 mL，冷卻至室溫，定量轉移到25 mL容量瓶中，用水沖洗消解罐壁并定容，得到待測溶液，同時制備樣品空白溶液。

1.4.5 加標回收率實驗

取兩份相同的樣品溶液，向其中一份加入一定量的標準溶液，測定兩份樣品的元素含量，計算樣品加標回收率。

2 結果與討論

2.1 最佳微波消解條件

2.1.1 消解溫度的確定

在100，130，160，180 ℃程序升溫過程中，消解后得到的樣品是透明溶液，因此確定此為最佳程序升溫段。

2.1.2 消解試劑的確定

消解液為5.00 mL濃HNO3和7.00 mL濃HNO3時，消解效果沒有明顯差別，消解后的樣品為綠色透明溶液，用5.00 mL濃HNO3+2.00 mL H2O2消解后的樣品為淺綠色透明溶液，用5.00 mL濃HNO3+3.00 mL H2O2消解后的溶液完全無色透明，5.00 mL濃HNO3+3.00 mL H2O2為最佳的消解試劑。

2.1.3 消解時間的確定

當消解總時長增加到55 min時，消解效果明顯變好，樣品溶液完全透明，60 min和55 min沒有明顯差別。因此，最佳總時長為55 min。

最佳微波消解條件見表2。

表2 最佳微波消解條件Table 2 The optimum microwave digestion conditions

2.2 標準工作曲線和檢出限

按表1的儀器工作條件對混合標準溶液進行測定并制作各元素的標準曲線，測定3%的硝酸溶液11次，以3倍標準偏差比方法靈敏度得到各元素的檢出限，各元素的回歸方程及檢出限見表3。各元素的相關系數在0.9972～0.9999之間，10種元素線性關系良好，且各元素檢出限均低于0.06 μg/mL。

表3 各元素的標準工作曲線、檢出限Table 3 The standard working curve and detection limit of each element

2.3 樣品含量的測定及方法精密度

表4 花椒中各元素含量及其精密度Table 4 The content and precision of each element in Chinese prickly ash

表5 花椒籽中各元素含量及其精密度Table 5 The content and precision of each element in Chinese prickly ash seeds

表6 花椒皮中各元素含量及其精密度Table 6 The content and precision of each element in Chinese prickly ash peels

由表4～表6可知，五臺山花椒、花椒籽和花椒皮中各元素相對標準偏差RSD<4.88%，花椒中常量元素鈣含量最多，為9326 mg/kg，高于陜西、山東、北京、河南、甘肅和遼寧地區的紅花椒[11]，其次是鉀和鎂，含量分別為2018，1948 mg/kg，而鎂的含量高于陜西地區的花椒；微量元素中鐵的含量最高，為199.2 mg/kg，錳、銅和鋅的含量次之，含量分別為24.95，21.87，17.61 mg/kg，其中鐵和銅的含量高于陜西和四川地區的花椒，錳和鋅的含量同陜西地區的花椒相當；重金屬元素中不含鎘，鉻的含量為0.225 mg/kg，符合GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》，鉛的含量為1.60 mg/kg，低于四川和陜西部分地區花椒中鉛的含量，同時符合GB/T 30391—2013《花椒》標準[12]，五臺山花椒中重金屬鉛、鎘和鉻的含量均符合規定，在重金屬元素含量方面不存在毒理風險。因此,五臺山花椒更適用于缺乏這些元素的人群食用，優于其他地區的產品。

2.4 加標回收率試驗

表7 花椒中加標回收試驗結果Table 7 The results of recovery test for Chinese prickly ash

表8 花椒籽加標回收試驗結果Table 8 The results of recovery test for Chinese prickly ash seeds

表9 花椒皮加標回收試驗結果Table 9 The results of recovery test for Chinese prickly ash peels

由表7～表9可知，五臺山花椒、花椒籽和花椒皮中各元素的回收率在95.8%～104.4%之間，說明該方法準確，適用于五臺山花椒中金屬元素含量的測定。

3 結論

采用微波消解電感耦合等離子體原子發射光譜法測定五臺山花椒，得到最佳微波消解條件：消解液為5.00 mL濃HNO3和3.00 mL 30% H2O2，功率為500 W，程序升溫為100 ℃ 5 min、130 ℃ 10 min、160 ℃ 15 min、180 ℃ 25 min 4個階段。五臺山花椒、花椒籽和花椒皮中各元素相對標準偏差RSD<4.88%，其中鎂、鈣、鐵、銅含量較多，各元素回收率在95.8%～104.4%之間，測定結果準確。因此,該法適用于五臺山花椒及各部分金屬元素含量的測定。