基于多種礦物元素的精河枸杞與中寧枸杞產(chǎn)地鑒別

張 瑞，茍春林，王 智，喬坤云，袁玉偉，聶 晶，琚艷君，趙多勇

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052，2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實(shí)驗(yàn)室(烏魯木齊)/新疆農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；3.寧夏農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，銀川 750002；4.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310021)

0 引 言

【研究意義】精河枸杞[1]和寧夏枸杞[2]都是中國著名的地理標(biāo)志產(chǎn)品，正確識別并挖掘與原產(chǎn)地密切相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品指紋信息，對于保護(hù)地理標(biāo)志產(chǎn)品及區(qū)域品牌有重要意義。【前人研究進(jìn)展】礦物元素指紋分析技術(shù)是目前一種用于食品產(chǎn)地真實(shí)性鑒別的有效判別技術(shù)[3-4]，Coetzee等[5]通過逐步判別分析，利用Ba、W、Al、Mn、Rb和Ti這6種元素可以完全區(qū)分南非3個地區(qū)采集的40個葡萄酒樣品；Batista等[6]利用Pb、Tl、Pt、Ho和Er這5種元素就可鑒別從巴西的不同城市采集的57個蜂蜜樣品；郭波莉等[7]篩選出Se、Sr、Fe、Ni和Zn這5種元素可以判別吉林、貴州、河北、寧夏4個產(chǎn)地的牛肉樣品。此外，礦物元素指紋分析技術(shù)在羊肉[8-9]、咖啡[10-11]、茶葉[12-14]、橄欖油[15]、稻米[16-18]、山藥[19]、蕓豆[20]等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地鑒別方面也得到了研究。在枸杞產(chǎn)地真實(shí)性鑒別研究方面，張森燊[21]利用主成分分析、Duncan’s多重比較分析等方法針對不同產(chǎn)地枸杞中的20種礦物元素進(jìn)行研究，取得了良好的判別效果。【本研究切入點(diǎn)】不同產(chǎn)地枸杞礦物元素具有差異性是鑒別其產(chǎn)地真實(shí)性的關(guān)鍵問題，研究新疆精河枸杞與寧夏中寧枸杞的礦物元素指紋特征差異，進(jìn)而有效鑒別精河枸杞和中寧枸杞。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆精河枸杞和寧夏中寧枸杞為研究對象，系統(tǒng)分析并比較不同產(chǎn)地來源枸杞樣品中的52種礦物元素含量及其差異，并結(jié)合多元統(tǒng)計分析探討基于多元素分析技術(shù)判別不同產(chǎn)地枸杞的可行性，明確精河枸杞和中寧枸杞礦物元素指紋特征。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 枸杞試樣

2019年6月24～30日在新疆精河縣、寧夏中寧縣采集鮮枸杞樣品共102份，其中新疆精河縣50份，寧夏中寧縣52份。要求枸杞成熟度一致、果粒完整，無病蟲害，對符合要求的枸杞樣品進(jìn)行勻漿，記錄樣品編號、日期，按序號裝入樣品盒中并及時放入冰箱冷凍儲存，封口良好，避免污染和霉變。

1.1.2 儀器與試劑

所用的超純水(>18.2 MΩ)由超純水儀(Cascada III.I20，美國)制備，硝酸則采用優(yōu)級純濃硝酸(65%)通過酸純化儀(DST-1000型，美國)蒸餾制備。表1

表1 主要儀器設(shè)備及生產(chǎn)廠家

1.2 方 法

1.2.1 樣品消解

稱取枸杞鮮樣樣品約0.200 g，置于聚四氟乙烯消解管中，加入10.0 mL硝酸，輕輕搖混均勻，密封消解管。按設(shè)定好的微波消解條件消解，消解完成后取出消解管，消解后得到的溶液，用去離子水沖洗，轉(zhuǎn)移至50.0 mL容量瓶中定容，搖勻后迅速轉(zhuǎn)到離心管，密封待測，同時處理空白樣品。表2

表2 微波消解參數(shù)條件

1.2.2 元素含量測定

采用ICP-MS測定B、Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Y、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Th和U等52種元素及內(nèi)標(biāo)物質(zhì)Ge、In和Bi標(biāo)準(zhǔn)品，均由安捷倫科技公司提供。用內(nèi)標(biāo)法保證元素定量的穩(wěn)定性，Ge、In和Bi為所選擇的內(nèi)標(biāo)元素，每測定10個樣品，測定1次標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。表3

表3 ICP-MS工作條件

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS26.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，SIMCA13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行正交偏最小二乘法-判別分析(OPLS-DA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 精河枸杞與中寧枸杞的礦物元素含量差異

研究表明，Y、Sn、Ru、Rh、Te、Lu 6種元素均未檢出。Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Hf、Ir、Au、Tl、Pb、Th、U共26種元素含量在地域間有顯著性差異，其中Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Ni、Cu、Zn、As、Rb、Mo、Cd、Er、Hf、Ir、Au、Tl、Pb、Th、U這些元素在組間有極顯著性差異(P<0.01)，Se、Sr、Ag、Gd這4種元素在組間有顯著性差異(P<0.05)；在有顯著性差異元素中，精河枸杞Mg、Al、P、K、V、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Pb、U含量顯著高于中寧枸杞，而中寧枸杞Na、Ca、Ni、Rb、Sr、Hf、Ir、Au、Tl、Th這些元素含量顯著高于精河枸杞。表4

表4 枸杞的46種元素含量

2.2 精河枸杞與中寧枸杞礦物元素含量判別

研究表明，除94號中寧枸杞53.27%會誤判為精河枸杞外，精河和中寧兩產(chǎn)地來源的枸杞樣品具有不同的聚集效應(yīng)，使得枸杞樣品分布區(qū)域顯著不同，可通過枸杞中多種礦物元素含量分布情況，進(jìn)行枸杞產(chǎn)地判別。表4，圖1

圖1 精河枸杞和中寧枸杞產(chǎn)地判別

VIP>1的變量為顯著變量，確定OPLS-DA模型的元素有U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg和Cd 為主要顯著變量。OPLS-DA前后優(yōu)化元素變量參數(shù)，產(chǎn)地判別模型結(jié)果基本一致，14種礦物元素為主要貢獻(xiàn)率成分，在后續(xù)枸杞樣品產(chǎn)地判別分析中，僅需檢測分析此14種礦物元素的含量信息，即可構(gòu)建枸杞樣品產(chǎn)地判別模型。圖2，圖3

圖2 OPLS-DA模型的元素VIP值分布

圖3 優(yōu)化后OPLS-DA產(chǎn)地判別模型

與未優(yōu)化模型識別率相同，判斷這14種元素對兩產(chǎn)地判別的準(zhǔn)確性和可靠性，且兩地的識別率都在90%以上，其中新疆精河縣100%，寧夏中寧縣98.08%，除寧夏中寧縣94號會誤判給新疆精河縣外，總體誤判率較低，識別效果較好。表5

表5 識別兩產(chǎn)地枸杞評估

3 討 論

受地質(zhì)、水和土壤環(huán)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，在不同地域生長的生物體有其各自的礦物元素指紋特征[22]。研究采自2個產(chǎn)區(qū)枸杞樣品中礦物元素含量均有其各自的特征，其中精河縣樣品Mg、Al、P、K、V、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Pb、U含量顯著高于中寧縣；而中寧縣樣品的Na、Ca、Ni、Rb、Sr、Hf、Ir、Au、Tl、Th這些元素含量顯著高于精河縣。前人研究結(jié)果表明，在寧夏、甘肅以及新疆這3個地區(qū)，新疆Zn和Cu的含量最高，中寧枸杞Fe、Ca、Rb含量最高[21]，與研究結(jié)果相比，除Fe元素含量在兩產(chǎn)地間沒有顯著性差異以外，其它元素與研究結(jié)果一致。王亞軍等[23]研究比較分析了寧夏、甘肅、青海、內(nèi)蒙古、新疆五省(區(qū))的7個典型枸杞產(chǎn)地土壤和枸杞果實(shí)中Fe、Mn、Zn、Se 4種元素的含量，就精河縣和中寧縣兩產(chǎn)地方差分析與研究結(jié)果進(jìn)行對比，精河縣Zn元素比中寧縣高，與研究結(jié)果一致。

研究通過OPLS-DA優(yōu)化后的這14種礦物元素(U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg、Cd)都來自于有顯著性差異的26種礦物元素之中。篩選的特征礦物元素指紋與前人篩選出的礦物元素指紋部分特征存在一致性。比較了寧夏、新疆和甘肅三省的枸杞中20種礦物元素，研究表明，Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Cu、As、Mo、Gd、Tb是鑒別中寧枸杞有效且穩(wěn)定的指標(biāo)[21]，與研究中篩選出的Ca、Mg、Cu、Mo 4種元素密切吻合；開建榮等[24]研究寧夏固原、中衛(wèi)、中寧和銀川等不同產(chǎn)區(qū)枸杞篩選出Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba作為4個地區(qū)枸杞的特征差異元素，與研究篩選出的Mo、Zn、Th 3種元素吻合。礦物元素的組成信息與食品地域來源直接相關(guān)[25]，精河枸杞和寧夏枸杞作為地理標(biāo)志產(chǎn)品，枸杞的元素含量與其獨(dú)特的生長環(huán)境和地質(zhì)有關(guān)，并且枸杞吸收、積累K、Na的能力較強(qiáng)且含量豐富[26]。其次，在不同采摘期的枸杞中各元素含量也存在差異，這可能與植物在不同的生長時期對各種元素的選擇性吸收和元素在植物體內(nèi)富集有關(guān)[27]。在相同的生長環(huán)境和栽培條件下，不同品種枸杞果實(shí)中某個別元素差異極顯著，而且通過品種選育，可獲得元素含量高的優(yōu)良品種[28]。在適宜濃度范圍內(nèi)，噴施濃度越高，枸杞有效成分及內(nèi)源微量元素含量作用越強(qiáng)，達(dá)到一定程度時，含量會呈下降趨勢[29]。枸杞的元素含量是產(chǎn)地、品種、施肥、栽培管理方式等綜合因素的影響結(jié)果。研究精河枸杞和中寧枸杞的判別率均達(dá)到90%以上，這良好的判別效果，可能是由兩者之間地理環(huán)境差異較大所致。

4 結(jié) 論

4.1新疆精河枸杞和寧夏中寧枸杞具有其各自的礦物元素指紋特征，2個產(chǎn)地有26種礦物元素存在顯著差異，精河枸杞中的K、Mg等16種元素顯著高于中寧枸杞，中寧枸杞中Na、Ca等10種元素顯著高于精河枸杞。

4.2利用OPLS-DA建立新疆精河枸杞和寧夏中寧枸杞的判別模型，具有不同的聚集效應(yīng)，可明顯的區(qū)分其產(chǎn)地，通過OPLS-DA模型的VIP值優(yōu)化枸杞樣本元素數(shù)目，將模型變量從46種元素降至14種元素(U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg、Cd)。基于這14種元素兩產(chǎn)地的正確判別率分別為100%和98.08%，兩產(chǎn)地枸杞樣品的礦物元素含量結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法可以有效對枸杞樣品產(chǎn)地進(jìn)行判別。