微波消解-ICP-MS法測(cè)定香辛料中20種元素

◎ 吳志剛，曹 璨，崔 暢，趙 健，楊 韜，孫 晶

（遼寧省重要技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)基地建設(shè)工程中心，遼寧省分析科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

常見(jiàn)的香辛料有香葉、干姜、肉蔻等，除了作為烹飪和食品加工不可或缺的原料以外，還具有一定的藥理作用[1]，香氣成分揮發(fā)油和微量元素的研究都有相關(guān)報(bào)道[2]。與營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)人體的補(bǔ)益作用相反，重金屬在人體蓄積極易危害人體健康[3]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)香辛料類(lèi)中Pb元素作了限量要求[4]，且其食品安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)尚不明朗。

食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.268—2016規(guī)定了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法的多元素測(cè)定方法[5]。但香辛料多元素測(cè)定的研究報(bào)道主要采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[6-7]，只有在測(cè)定砷、汞等痕量元素靈敏度受限時(shí)才采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS），報(bào)道多以重金屬元素測(cè)定為主[8]。微波消解在樣品前處理方面有著污染少、操作簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)點(diǎn)，在與常規(guī)消解方式的比較中占據(jù)優(yōu)勢(shì)[9]。

本研究在課題組前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)[10]上，采用微波消解進(jìn)行前處理，碰撞模式消除多元素分析的質(zhì)譜干擾，ICP-MS法同時(shí)測(cè)定15種香辛料中20種微量元素，即 Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Hg、Ba 和 Pb，并對(duì)各元素分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，開(kāi)展香辛料質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

小茴香、干姜、肉桂、草果、高良姜、香葉、肉蔻、胡椒、辣椒、丁香、花椒、桂皮、八角、砂仁和孜然為抽檢樣品。

各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為1 000 mg·L-1，國(guó)家標(biāo)物中心；混合內(nèi)標(biāo)溶液（含Li6、Ge、In、Sc和Bi）100 mg·L-1、調(diào)諧液（含 Li、Y、Ce、Tl和 Co）10 μg·L-1和金溶液100 mg·L-1，美國(guó)安捷倫公司；硝酸、30%過(guò)氧化氫、氫氟酸（優(yōu)級(jí)純），國(guó)藥試劑；實(shí)驗(yàn)室用水為Milli-Q超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 7700x電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，配有PFA材質(zhì)同心霧化器，美國(guó)安捷倫公司；Mars6微波消解儀，美國(guó)CEM公司；Milli-Q純水儀，美國(guó)默克公司。

1.3 方法

1.3.1 質(zhì)譜條件

等離子氣流量：15 L·min-1；載氣流量：1.02 L·min-1；輔助氣流量：0.9 L·min-1；氦氣流量：4.2 mL·min-1；RF功率：1 550 W；采樣深度：8 mm；霧化室溫度：2 ℃；蠕動(dòng)泵：0.1 r·s-1；氧化物比率：1.02%；雙電荷比率：0.98%；QP Bias電壓：-18 V；Oct Bias電壓：-13 V。

1.3.2 樣品前處理

樣品用水沖洗干凈，置潔凈室自然晾干后，用粉碎機(jī)粉成粉末，并過(guò)80目篩待測(cè)。稱(chēng)量0.2 g樣品，加入硝酸5 mL，于80 ℃電熱趕酸器預(yù)熱10 min，加入30% H2O21 mL，滴加1～2滴氫氟酸。微波消解程序見(jiàn)表1。自動(dòng)冷卻至37 ℃以下，于37 ℃水浴超聲20 min，清洗試劑為超純水，加入100 mg·L-1的金溶液10 μL，定容體積100 mL。同時(shí)做試劑空白。

表1 微波消解程序表

1.3.3 樣品測(cè)定

按待測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度配制混合標(biāo)準(zhǔn)序列，在線(xiàn)加入內(nèi)標(biāo)溶液（0.5 mg·L-1），同時(shí)測(cè)樣品空白和待測(cè)溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波消解條件的選擇

采用硝酸體系可以很好地消解樣品且引入基體干擾小，過(guò)氧化氫能夠促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，選擇盡量低的酸體系降低基體效應(yīng)。因此，選擇5 mL硝酸和1 mL 30%過(guò)氧化氫作為消解體系。因植物樣品中含少量硅酸鹽，導(dǎo)致部分元素回收率較低，需要加入氫氟酸才能夠消解完全；而過(guò)量氫氟酸對(duì)ICP-MS進(jìn)樣系統(tǒng)有腐蝕性，因此選擇滴加1～2滴氫氟酸的消解方式。

微波消解方式處理植物樣品相對(duì)簡(jiǎn)單，反應(yīng)溫度不必太高。比對(duì)消解溫度為160 ℃、170 ℃和180 ℃，消解保持時(shí)間為10 min、15 min和20 min時(shí)溶液消解情況。實(shí)驗(yàn)表明，180 ℃保持15 min時(shí)消解液完全澄清，回收率最好。

2.2 內(nèi)標(biāo)元素選擇

ICP-MS干擾主要為質(zhì)譜干擾，其中最常見(jiàn)的是分子或多原子離子干擾，主要由等離子氣和N、O等高含量元素形成，使用He碰撞模式，利用碰撞池設(shè)置的勢(shì)能阱區(qū)排除低動(dòng)能的干擾離子達(dá)到消除干擾的目的。香辛料中Na、K、Ca、Mg和P等元素含量較高，采用KED模式也可減少高濃度元素對(duì)檢測(cè)器壽命的影響。另外，同量異位素干擾如54Fe和54Cr、64Ni和64Zn相互干擾，選擇干擾小的分析質(zhì)量數(shù)以消除干擾。選擇以45Sc作為23Na、25Mg、27Al，31P、41K、43Ca和51V的內(nèi)標(biāo)元素，以72Ge作為52Cr、55Mn、57Fe、60Ni、63Cu、66Zn、75As、78Se和88Sr的內(nèi)標(biāo)元素，以115In作為111Cd和137Ba的內(nèi)標(biāo)元素，以209Bi作為202Hg和208Pb的內(nèi)標(biāo)元素消除基體干擾。

2.3 方法學(xué)考察

Na、Mg、P、K和Ca元素一般含量較高，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)范圍為 0.01～ 10.00 mg·L-1；Al、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr和Ba元素含量分布范圍較廣，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn) 范 圍 為 0.002 ～ 1.000 mg·L-1；V、Cr、Ni、As、Se、Cd和Pb元素含量較低，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)范圍設(shè)為0.01～ 20.00 μg·L-1。Hg 極 易 蒸 發(fā) 為 Hg 蒸 氣 殘 留在霧室和管路中，在溶液中添加10 μg·L-1的Au溶液使其生成金汞齊而達(dá)到清洗目的，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)范圍 設(shè) 為 0.002 ～ 2.000 μg·L-1。 檢 出 限 為 試 劑 空 白的3倍信噪比（S/N=3）。以小茴香6次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差考察方法精密度，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大蔥GBW10049的測(cè)定值考察方法準(zhǔn)確度。標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)為0.999 0～1.000 0，方法檢出限為0.021～23.000 μg·kg-1，精密度為0.59%～4.20%，準(zhǔn)確度符合要求。

2.4 實(shí)際樣品的測(cè)定結(jié)果

用選定的方法測(cè)定小茴香、干姜、肉桂、草果、高良姜、香葉、肉蔻、胡椒、辣椒、丁香、花椒、桂皮、八角、砂仁和孜然15種香辛料共60批次，平行測(cè)定3次取平均值，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同批次香辛料樣品的測(cè)定結(jié)果平均值表（單位：mg·kg-1）

本方法應(yīng)用于市場(chǎng)抽檢的不同產(chǎn)地60批次15種不同香辛料的檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)不同香辛料元素含量差異極大。這可能與不同香辛料吸收和富集微量元素能力不同有關(guān)；不同品種食用部位不同，吸收和富集能力也不同。香辛料不同部位中重金屬元素含量已有報(bào)道[7]，但營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)研究還比較少見(jiàn)，有待于進(jìn)一步研究。

就不同批次同一類(lèi)香辛料來(lái)看，同一元素的含量也有較大差異，如不同產(chǎn)地的辣椒中Na元素含量相差2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，不同產(chǎn)地小茴香、辣椒、花椒、高良姜中的Cr、Mn和Fe含量相差20倍以上，辣椒、肉桂、桂皮中的Ca和Sr相差5倍以上，其他香辛料也有多個(gè)元素相差2倍以上。說(shuō)明同一類(lèi)香辛料中元素含量的差異主要來(lái)源于地理差異，不同產(chǎn)地的環(huán)境如土壤、水體、空氣等微量元素含量差異很大，而植物對(duì)元素的吸附富集主要來(lái)源于環(huán)境，這與吳振等[6]的研究結(jié)果一致。

香辛料中含有豐富的Na、K、Ca、Mg、P、Fe和Zn等微量元素，還含有微量Se和Sr元素，具有抗氧化、抗癌、防止心腦血管疾病等功效，有利于人體健康。但也需要注意部分香辛料中檢出較高含量的Al和Mn元素，如小茴香、砂仁、干姜、高良姜、丁香、桂皮和八角等，Al元素容易引起記憶力減退、骨質(zhì)疏松等，Mn元素?cái)z入過(guò)量會(huì)使人體消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)出現(xiàn)不良反應(yīng)，需要控制攝入量。

從重金屬元素含量來(lái)看，Cr元素含量在0.58～5.40 mg·kg-1，As元素含量在 0.053 ～ 0.260 mg·kg-1，Cd元 素 含 量 在 0.006～ 0.240 mg·kg-1，Hg元 素含 量 在 0.002～ 0.034 mg·kg-1，Pb元 素 含 量 在0.08～2.50 mg·kg-1。Pb元素總體低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限量要求（Pb≤3 mg·kg-1），尚無(wú)法就其他元素食品安全風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)價(jià)。有待于進(jìn)一步擴(kuò)大檢測(cè)范圍，并就日常膳食攝入量與毒理反應(yīng)的相關(guān)性開(kāi)展進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本研究建立了微波消解-ICP-MS同時(shí)測(cè)定香辛料中20種微量元素的分析方法，優(yōu)化了微波消解條件和質(zhì)譜儀器參數(shù)，采用碰撞模式消除質(zhì)譜干擾，并對(duì)方法進(jìn)行了方法學(xué)考證。結(jié)果表明，方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確，可用于全面考察香辛料中微量元素與人體健康、重金屬元素與食品安全的關(guān)系，為調(diào)味料質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考依據(jù)。