銅藻中無機元素的含量分析與食用安全評價

趙艷芳，尚德榮，康緒明，翟毓秀，王聯珠，盛曉風，丁海燕

(中國水產科學研究院 黃海水產研究所，農業農村部水產品質量安全檢測 與評價重點實驗室，山東 青島 266071 )

銅藻(Sargassumhorneri)，屬褐藻門、圓子綱、墨角藻目、馬尾藻科、馬尾藻屬，為暖溫帶大型褐藻，我國浙江、福建、山東、遼寧等沿海地區均有分布。銅藻藻體高大、氣囊圓柱形，單棵銅藻長度可達10 m、質量可超過5 kg，具有較高的經濟價值。銅藻是褐藻膠、褐藻糖膠及褐藻淀粉的重要原料[1]，且含有蛋白質、纖維素、甾醇類、萜類化合物等[2-3]。《中華本草》記載了銅藻可作為中藥治療水腫、咳嗽、甲狀腺腫大等疾病[4]。因此，銅藻不僅是海藻工業的優質原料，在醫藥、食品、飼料和有機肥料中也具有較高的應用價值[5-7]。同時，銅藻又是近海海藻場及海底森林的主要組成部分，為多種海洋動物提供了庇護、索餌、棲息及產卵的場所，被譽為“生態型魚礁”，還可吸附海水中的富營養化物質和重金屬等，具有很高的生態價值[8-10]。

目前，國內外有關銅藻研究的熱點主要包括其生態學[11]、遺傳學[12-13]、生物活性物質[7]、營養評價[1]等，研究表明，海藻具有富集海水中重金屬的特性，不同海藻對特定重金屬吸附能力存在差異，且選擇性富集重金屬[14]，但目前有關銅藻中無機元素分布特征研究還很少。因此，筆者以我國不同海域采集的銅藻為研究對象，綜合分析銅藻中包括常量元素、微量元素以及稀土元素等共35種無機元素的含量，同時對銅藻中的As進行形態分析，闡明銅藻中砷的主要存在形態及分布特征，對銅藻中有害元素進行食用安全評價分析，以期為銅藻的綜合開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

銅藻樣品于2018年10月—12月采集于浙江、山東和遼寧沿海海域，每個樣品約取2 kg，用采樣點海水清洗去除海藻表面附著物，冷藏低溫運至實驗室。超純水沖洗數次，真空冷凍干燥，粉碎均勻，用于無機元素總量測定和無機砷形態分析。

1.2 儀器與試劑

Optima 5300DV電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP，美國PE公司)，Elan DRC Ⅱ 電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，美國PE公司)，HPLC-ICP-MS聯用分析儀(美國PE公司)，Mars 6 密閉微波消解儀(美國CEM公司)。

硝酸(國藥集團化學試劑有限公司)，優級純。多元素混合標準溶液包括鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、硒(Se)、鋁(Al)、釩(V)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、砷(As)、鍶(Sr)、鉛(Pb)、鎘(Cd)，質量濃度為1 μg/mL；鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、磷(P)各單元素標準溶液(國家標準物質中心)，質量濃度為1000 μg/mL；稀土元素標準品為鈰(Ce)、釔(Y)、鑭(La)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)多元素混合標準溶液(國家標準物質中心)，質量濃度為100 μg/mL；GBW10023紫菜(Porphyra)成分分析標準物質(國家標準物質中心)。

1.3 分析方法

1.3.1 無機元素檢測方法

稱取0.2 g 粉碎均勻的海藻樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL HNO3，密閉后放入微波消解儀消解，待消解完全后，將消解液趕酸至1 mL。待消解罐冷卻后，將消化液用二級水定容至25 mL。微波消解與趕酸程序為：(1)溫度爬升5 min，保持5 min，溫度120 ℃，功率1200 W；(2)溫度爬升10 min，保持20 min，溫度180 ℃，功率1200 W；(3)溫度爬升10 min，保持25 min，溫度200 ℃，功率1200 W；趕酸程序為：溫度爬升8 min，保持10 min，溫度140 ℃，功率1200 W。同時做試劑空白試驗。每個樣品平行測定3次。

參照食品安全國家標準GB 5009.268—2016《食品中多元素的測定》[15]，銅藻樣品消化液中K、Na、Ca、Mg、P用電感耦合等離子體發射光譜儀檢測；Fe、Mn、Cu、Zn、Se、Al、V、Cr、Co、Ni、As、Sr、Pb、Cd微量元素用電感耦合等離子體質譜儀檢測；參照國家標準GB 5009.94—2012《植物性食品中稀土元素的測定》[16]測定銅藻樣品中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc 16種稀土元素的含量。選擇國家標準物質—紫菜成分分析標準物質(GBW10023)為質控樣品，以檢驗檢測結果的準確性。質控樣品中無機元素含量的消解方法、測定方法與銅藻樣品完全相同。

1.3.2 銅藻樣品中As形態分析

銅藻樣品中As的形態分析方法參考國家標準GB/T 23372—2009[17]，取粉碎均勻的真空凍干銅藻樣品約0.5 g于50 mL離心管中，加入20 mL超純水，渦旋混勻后，超聲提取40 min，以8000 r/min轉速于4 ℃離心10 min，吸取上清液過0.45 μm濾膜，濾液注入HPLC-ICP-MS聯用儀對亞砷酸鹽As(Ⅲ)、砷酸鹽As(Ⅴ)、一甲基砷酸MMA和二甲基砷酸DMA 4種形態的砷進行定性和定量分析。每個樣品重復測定3次。

所用的液相色譜柱為陰離子保護柱IonPac AG 19和陰離子分析柱 IonPac AS 19。流動相組成為：10 mmol/L無水乙酸鈉，3 mmol/L硝酸鉀，2 mmol/L磷酸二氫鈉，0.2 mmol/L乙二胺四乙酸二鈉(pH調至10.7)。流速為1.0 mL/min，進樣量為20 μL。

1.4 數據統計

結果用平均值±標準差表示，采用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 質控樣品無機元素含量

紫菜標準物質樣品經電感耦合等離子體發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法分析，顯示其所含各元素測量值的平均回收率為87.5%～106.2%，表明所用方法能滿足海藻樣品中無機元素含量分析要求。

2.2 銅藻中常量元素含量

銅藻中Ca、K、Na、Mg、P常量元素含量較高(表1)，其中K的含量最高，且不同地區采集樣品的含量顯著不同，其中榮成地區采集的樣品含量最高，大連地區采集的樣品含量最低，含量為4.25×104mg/kg。其次分別為Na、Mg、Ca和P。比較5個地區采集的樣品發現，榮成地區采集的銅藻中5種元素含量均最高，大連地區采集的樣品中5種常量元素含量最低。

2.3 銅藻中微量元素含量

銅藻中Mn、Fe、Cu、Zn等微量元素的含量見表2。銅藻富含Fe，最高含量達1164.17 mg/kg(山東桑溝灣海區)，其次為Mn，含量最高為57.46 mg/kg(山東桑溝灣海區)。與以往研究結果相比，本試驗采集的銅藻樣品中Fe和Mn的含量遠高于從南麂列島采集的銅藻樣品中的含量(分別為286 mg/kg和6.49 mg/kg)[14]。本試驗銅藻樣品中Cu的平均含量為4.74 mg/kg，Zn的平均含量為13.19 mg/kg，與南麂列島采集的銅藻中含量相似(分別為4.89 mg/kg和16.13 mg/kg)。Cr的平均含量為5.92 mg/kg，遠高于南麂列島銅藻樣品的含量(0.50 mg/kg)[14]。另外，試驗發現，銅藻中含有豐富的Sr，含量為1001.76～2010.13 mg/kg。銅藻還含有一定量的V、Ni、Se和Co，其中前三者含量相似，Co的含量較低。銅藻Al的含量較高，平均含量為821 mg/kg，其中含量最低的為采自大連海區的樣品(467.55 mg/kg)，含量最高的為采集自桑溝灣海區的樣品(1116.80 mg/kg)。銅藻富含微量元素As，結果表明，總As的含量為86.77～126.76 mg/kg。Cd的含量較低，且不同地區銅藻的Cd含量相似，為0.27～0.36 mg/kg。Pb的含量稍高于Cd，為0.60～0.88 mg/kg。其中，總As和Cd的含量與文獻[14]中報道相似，而有關銅藻中Sr、V、Ni、Se、Co、Pb、Al等元素的含量尚未見報道。

表1 銅藻中常量元素的含量(干質量) ×104 mg/kg

表2 銅藻中微量元素的含量(干質量) mg/kg

2.4 銅藻中As形態分析

采用HPLC-ICP-MS聯用分析方法對銅藻中的As進行形態分析(圖1)，銅藻中的As主要以As(Ⅴ)形態存在，其次為二甲基砷酸，以及小部分有機砷糖，未發現As(Ⅲ)。對As(Ⅴ)和二甲基砷酸進行定量分析，數據見表3。銅藻中的As主要以As(Ⅴ)的形態存在，其含量約占總砷的70%以上。二甲基砷酸的含量較低(1.0 mg/kg)，不足總砷含

量的1%。由于有機砷糖沒有標準品無法進行準確定量，但根據峰面積比較可以發現，有機砷糖的含量低于二甲基砷酸。

2.5 銅藻中稀土元素含量

稀土元素為原子序數較小的“輕稀土元素”和原子序數較大的“重稀土元素”。研究表明，銅藻對輕稀土元素的富集能力遠大于重稀土元素，輕稀土元素的含量約為重稀土元素的2.0～2.5

表3 銅藻中砷形態分析結果(干質量) mg/kg

倍。輕稀土元素中，Ce的含量最高，為0.73～1.98 mg/kg，La的含量次之，為0.40～0.98 mg/kg，Nd的含量為0.34～0.86 mg/kg，Eu的含量最低。重稀土元素中，Y的含量最高，含量為0.56～1.03 mg/kg，Sc的含量次之。不同地區采集的銅藻中總稀土元素含量不同，最高為6.49 mg/kg，最低為2.77 mg/kg，平均值為5.38 mg/kg(表4)。

3 討 論

3.1 銅藻對有益元素的富集

因為海藻細胞壁主要由肽聚糖、磷脂和蛋白質組成，具有黏性，帶負電荷，并可提供許多能與離子結合的官能團，所以海藻易從周圍環境中富集各種離子。不同海域海藻重金屬含量存在差異，一方面與選取海藻種類、采樣時間有關，同時受海藻的生長發育、水體中營養鹽、海水重金屬含量等因素影響[14,18]。本試驗結果表明，不同海域采集的銅藻中元素含量存在顯著差異。銅藻中褐藻膠含量豐富，約為22%[19]，海藻酸的鉀鹽即海藻酸鉀在胃酸的作用下可分解成褐藻酸及鉀離子，褐藻酸能與使血管收縮、血壓升高的鈉離子結合排出體外，而鉀離子被吸收可使血壓下降。海藻酸的鈉鹽即海藻酸鈉可使人體對胰島素的敏感性提高，并減輕糖尿病患者的浮腫，使其血糖下降。因此富含K的銅藻具有天然降壓、降糖的保健作用。

銅藻中富含的Fe、Mn、Zn、Cu等微量元素是維持人體新陳代謝的重要元素，參與多種酶的激活[20]。如Fe是血紅蛋白的重要組成部分，是血液里輸送氧和交換氧的重要元素，同時又是很多酶的組成成分與氧化還原反應酶的活化劑；Zn能增強機體免疫力，Zn的缺乏導致自身免疫性疾病；Mn是人體中超氧化物歧化酶等多種酶的組成成分，有拮抗化學致癌的作用。本試驗結果表明，銅藻含有豐富的Sr，與嚴小軍等[21]發現的Sr是褐藻特征元素的研究結論一致；另外還含有一定量的V、Cr、Co、Ni和Se等。已有研究證明，V是人體有益的元素，能降低血液中膽固醇的含量，Sr是人體骨骼及牙齒的組成部分，Ni能促進體內紅細胞的增長和氨基酸合成等，Se具有抗衰老和抗癌的作用。因此，銅藻含有大量有益于人體健康的微量元素，具有較高的開發應用前景。

3.2 銅藻對有害元素的富集

除了有益的微量元素外，海藻也能富集許多有害元素，如Pb、Cd和As等[18]。本試驗結果表明，銅藻中Cd和Pb等有害元素的含量較低，其中Pb的含量平均為0.73 mg/kg，高于Cd的平均含量(0.31 mg/kg)。目前我國國家標準中對海藻中Cd的限量沒有規定，對Pb的限量標準為1.0 mg/kg[22]。國際上，歐盟委員會發布法規(EU)No 488/2014中指出，由于海藻會自然累積Cd，因此規定僅有或主要有干海藻、海藻制品組成的食品補充劑中Cd的限量為3.0 mg/kg[23]，結合本試驗的分析數據可以得知，銅藻中Pb和Cd對其食用安全的風險較低。Cr的不同形態導致其既是一種人體必需的微量元素，也是一種高致癌的元素，其中Cr(Ⅲ)是人體必需的微量元素，而Cr(Ⅵ)因其氧化性和對皮膚的高滲透性，具有較強的致癌作用。我國食品安全國家標準中沒有對海藻中鉻的限量進行明確規定，美國NSF/ANSI 173—2016標準中規定：“膳食補充劑”的原材料中Cr(Ⅵ)含量不得超過2.0 mg/kg[24]。由于目前國內外僅有對海藻中總Cr的分析方法，因此本試驗沒有對銅藻中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)進行分析，僅依據總Cr的含量尚不能給出明確的食用安全評價結論。銅藻中總Al的含量較高，含量為467.55～1116.80 mg/kg。我國國家食品安全標準中尚沒有制定對海藻中Al的標準限量。Al的生物毒性取決于其存在形態，不同形態Al的毒性相差甚遠，其中自由態三價鋁Al3+的毒性最大，而有機鋁(Al-Org)的毒性則大為降低甚至消失。對海藻中Al的形態分析研究表明，海藻中毒性最高的Al3+的含量占總Al含量的百分比非常低(1.29%～6.24%)[25-26]。實驗室內對動物和人類志愿者的研究結果顯示，Al的吸收率小于1%，但由于目前Al的研究方法不同，對不同形態Al化合物的吸收速率與生物利用率尚沒有確切的結論[27]。因此，有關銅藻中Al的食用風險需要進一步研究確證。銅藻中總As含量較高，由于海藻中As能以無機(亞砷酸鹽、砷酸鹽)和有機(一甲基砷酸、二甲基砷酸、砷糖)等多種形態存在，因此，若僅分析銅藻中總As的含量不能有效評估其食用安全性。

本試驗結果表明，銅藻與海帶(Saccharinajaponica)、紫菜等大部分海藻中As的形態分布完全不同，大部分海藻中As主要以有機砷形態存在，其中有機砷糖的含量約占總As的90%以上，無機砷含量非常低[28]。銅藻中As的形態分布與羊棲菜(Hizikiafusiforme)相似，但羊棲菜因其高含量的無機砷而成為被加拿大、英國、歐盟、澳大利亞、新西蘭等許多國家和地區政府建議消費者禁止食用的海藻產品[29]，因此銅藻中由無機砷導致的食用風險需要同樣引起重視。海洋中As無處不在，海水中的As主要以As(Ⅴ)形態存在，當海水中的砷酸鹽被海藻攝取進入細胞后，會被快速還原和甲基化，最后主要以砷糖及少量二甲基砷酸和其他甲基化的砷化合物形態存在[30]。本試驗表明，銅藻中的As主要以砷酸鹽形態存在，而砷糖含量非常低，原因可能是銅藻細胞中缺乏或未啟動對砷酸鹽發生還原、甲基化等的關鍵作用因子，另一方面，由于海藻中砷酸鹽轉化成砷糖的過程是一種解毒過程，因此可能是銅藻細胞對砷酸鹽具有較高的耐受機制，在砷酸鹽的劑量尚未對藻細胞產生毒性的情況下，未啟動還原、甲基化等過程。遺憾的是，目前并未查閱到闡明銅藻的這一特性的文獻資料或研究，因此有關銅藻對高含量砷酸鹽的富集及其耐受機制成為進一步研究的方向之一。

3.3 銅藻對稀土元素的富集

海藻中含有比陸地植物豐富得多的稀土元素，石莼(Ulvalactuca)、刺松藻(Codiumfragile)中La、Sm、Ce、Eu、Lu、Nd、Sc和Yb共8種稀土元素的含量豐富，鮮質量達6.75～7.46 mg/kg[31]，另有研究表明[32]，滸苔(Enteromorphaprolifera)中15種稀土元素的總量為16.01 mg/kg，其中Ce、La、Nd的含量分別為6.01、2.90、2.60 mg/kg，均遠高于本試驗中銅藻的含量；而海帶和紫菜中稀土元素的含量分別為3.89、4.32 mg/kg，略低于本試驗中銅藻的含量。海帶、紫菜和滸苔對輕稀土元素的富集能力較高，輕稀土元素分別占總稀土含量的90.9%、87.3%和91.1%。由試驗結果可知，銅藻中輕稀土元素約占總稀土含量的70%，說明不同海藻對不同種類稀土元素的富集能力存在差異。

目前有關海藻中稀土元素的藥用及保健作用研究還很少。稀土元素在植物體內能與生物大分子結合，并且這種稀土元素結合的大分子有諸多活性。如稀土元素結合的茶多糖活性隨其稀土元素含量增加而增加，海藻糖膠鈰配合物具有抗氧化活性，中藥田基黃中富含的稀土元素可能是其具有顯著肝病治療效果的重要因素[32]。因此，銅藻富含的稀土元素可能與其具有的藥用作用與保健作用密切相關。

4 結 論

綜上，銅藻具有豐富的人體必需和具有重要藥用與保健作用的無機營養元素。2016年6月韓國食品藥品安全處將包括銅藻在內的6種馬尾藻類載入新食品原料目錄，并在《食品衛生法》公布。通過本試驗得出，銅藻中高含量的無機砷和鋁對其食用安全性的風險較高，因此亟需進一步開展銅藻中有害元素的生物利用率及生物毒性研究，以期在促進銅藻在食品、醫藥保健品、飼料等領域綜合開發利用的同時確保其食用安全性。