基于ICP-MS的不同產地橡膠籽無機元素含量差異分析

潘曉威 孫愛娣 潘 政 梁耀輝 葉劍芝*

(1.中國熱帶農業科學院 農產品加工研究所,廣東 湛江 524001;2.云南農業大學 熱帶作物學院,云南 普洱 665000)

橡膠籽(Rubber Seed)為一種橡膠樹種子,由淺黃褐色并帶有許多銀灰色帶狀斑紋的硬皮質種殼和種仁構成[1-2]。橡膠籽粕富含大量的人體必需脂肪酸和多種蛋白質及各種人體必需氨基酸,是天然熱帶蛋白質飼料的優質原料,橡膠種殼可以生產活性炭,木塑產品等[3-4],具有生物可降解性和無毒特性,其殼制備的活性炭可應用于醫學、食品、工業等多個領域[5]。橡膠籽仁主要由油脂、蛋白質、纖維素、淀粉組成,其中油脂含量最為豐富,占種仁的50% 以上[6]。

據調查,大量橡膠籽未被有效利用而被直接丟棄,WEN等[7]估計亞洲每年平均生產超過1 300萬t橡膠籽,膠園里生產的大量種子僅有少部分用于育種,其余大量的種子長期廢棄在膠園里,造成資源的嚴重浪費。因此有必要加強對橡膠籽開發利用的研究。

無機元素的含量與分布關系到植物的使用功效和營養價值,具有重要的研究價值[8]。目前,有關橡膠籽的研究多集中在橡膠籽油或者橡膠籽粕等領域的開發利用[9-12],或關于氨基酸等植物化學成分的相關研究[13],在無機元素含量分布領域的研究還有待進一步加強。在無機元素分析中,主要有原子吸收光譜儀、原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)等設備進行檢測[14-15],其中具備準確性高、精密度好、抗干擾能力強、檢出限低等優點的ICP-MS 法在食品、環境等檢測領域得到了越來越廣泛的應用[16-17]。

數據分析中常用的主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)和聚類分析法(Cluster Analysis,CA)等多元統計分析方法可將多個變量(多指標)的數據進行無量綱化處理,將批量數據合理地簡化為少數幾個綜合數據[18]。

為全面評價橡膠籽的品質,本實驗以不同產地橡膠籽(海南、廣東、云南、廣西、臺灣、福建)作為研究對象,通過微波消解法結合ICP-MS內標法同時檢測橡膠籽中Mg、K、Ca、Zn、Ti、Cu、Mn、Ni、Cr、Ba、Co、Cd、Se、Pb、V、As等16種無機元素的含量,分析不同產地橡膠籽中元素的含量差異,通過主成分分析和聚類分析篩選其特征元素,進行橡膠籽中無機元素的差異性分析,為我國橡膠籽的進一步研究和開發利用提供有力的基礎數據參考。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

所用橡膠籽分別采自云南、廣東、廣西、海南、福建、臺灣等6個產地(編S1～S5為云南、S6～S8為廣東、S9～S11為廣西、S12～S15為海南、S16～S17為福建、S18為臺灣),分別挑選飽滿、無壞損的橡膠籽,充分晾干后去殼,分別搗碎、研磨成粉末,分裝并貼好標簽備用。

消解試劑如無特別說明,均為優級純,實驗用水為二級水,HNO3質量分數為68%。

Mg、K、Ca、Zn、Ti、Cu、Mn、Ni、Cr、Ba、Co、Cd、Se、Pb、V、As等單元素標準儲備溶液(1 000 mg/L),采購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

1.2 主要設備

X series Ⅱ 電感耦合等離子體質譜儀(美國賽默飛世爾),AUY120電子天平(日本島津),FW100高速萬能粉碎機(天津市泰斯特),MARS6全自動微波消解萃取儀(美國CEM公司),VB24 UP智能樣品趕酸器(北京萊伯泰科)。

1.3 實驗方法

準確稱取 0.4 g(精確至 0.1 mg)制備好的橡膠籽粉末于消解罐中,加入8 mL硝酸后,預消解2 h,待冷卻后根據表1程序進行微波消解。

表1 微波消解程序

微波消解結束待冷卻后擰開內外蓋排除氣體,此時消解液呈淡黃色,150 ℃趕酸2 h,消解液冷卻至室溫,此時消解液清澈透明無沉淀,將其轉移至 25 mL 比色管中,并用去離子水清洗消解管2～3次,定容至刻度,混勻備用,同時做空白樣品實驗[19]。

待測液在ICP-MS工作條件下進行測定。開機穩定20 min,測試之前將儀器狀態調至最優。測試過程中確保儀器的吸液速率是恒定的[20]。

儀器工作條件見表2。

表2 ICP-MS測定參數

1.4 數據分析

采用 Excel 2010 軟件建立不同產地橡膠籽樣品元素含量的原始數據文檔,采用 SPSS 26.0 軟件進行統計分析,顯著性水平為P<0.05。所采用的數據均為3次平行的測定值。

2 結果與討論

2.1 方法的線性關系與檢出限

在設定的儀器條件下測定制備好的混合標準溶液,測定結果見表3,各元素線性相關系數r均在0.999以上,說明各元素在標準曲線濃度范圍內線性關系良好。

表3 各樣品測定結果

表3 回歸方程、相關系數及檢出限

在設定的儀器條件下,測定經處理的11個空白溶液,根據11次測定結果計算標準偏差,得到方法檢出限。由表3可知,橡膠籽中各元素的方法檢出限在0.000 7～0.53 mg/kg,滿足實驗要求。

2.2 精密度與加標回收實驗

按建立的檢測方法進行處理并測定,平行測定6次,計算得到16種元素測定值的相對標準偏差(RSD)為1.5%～8.9%,均小于10%,說明該實驗所用的測定方法重復性較好。

在橡膠籽中添加一定量標準溶液,按建立的檢測方法進行處理并測定,計算加標回收率與RSD,結果表明,加標回收率為86.0%～96.3%,RSD為1.1%～8.8%,表明所建立的檢測方法準確可靠,可用于橡膠籽中多元素的快速分析。

2.3 橡膠籽中無機元素含量

取6個產地樣品,按照建立的檢測方法進行前處理和上機測定。根據表3的結果,不同產地橡膠籽中均含有豐富的Mg、K、Ca、Ti、Mn、Ni、Zn等無機元素,且各類元素含量也存在較大差異。我國海南、云南、廣東、臺灣、福建、廣西等6個產地橡膠籽中Mg元素含量最高,均在10 g/kg 以上,最高值可達33 g/kg;K元素含量達4 000～9 122 mg/kg;Ca元素含量達382～1 433 mg/kg;Zn元素含量在300 mg/kg以上;Ti、Cu、Mn、Ni含量也均在100 mg/kg以上。相對于一般的食品,橡膠籽中有害無機金屬As含量較低,均為未檢出,但Pb、Cd等重金屬含量較高,在食用產品開發過程中需注意控制,避免產品中重金屬含量超過食品安全國家標準的限量值,對人體造成傷害,進而損害橡膠籽的食用產業開發前景。

對6個產地橡膠籽的 15種元素進行方差分析(表4),結果表明,6個產地橡膠籽樣品中的 Cr、Co、Cd、Ba、Pb、V、Se、Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Ca、K、Mg在地域之間存在顯著差異(P<0.05)。不同產地橡膠籽樣品中的元素含量各有特點。臺灣產地橡膠籽中鎂元素含量顯著高于其他五個產地(P<0.05),福建鎂元素最低,而鉀元素低于其他五個產地(P<0.05);廣東產地鈣元素最高;6個產地中鋅、鈦、銅、錳、鎳含量相似且鋅元素明顯高于其他四種元素。在廣西與海南鉻元素顯著低于其他產地(P<0.05),而云南、廣東、福建、臺灣產地鉻元素含量相接近;云南鋇元素顯著低于其他產地(P<0.05);云南、廣東和臺灣產地元素鈷顯著高于其他產地(P<0.05),廣東和海南鎘元素含量顯著低于另外4個產地。因此,從橡膠籽中多元素的含量差異可以看出其無機元素含量受不同生長土壤、水文等環境因素的影響,與朱周俊等[21-22]的研究結果基本一致。

表4 不同產地橡膠籽測定結果

2.4 無機元素圖譜

以元素種類為橫坐標、相對含量為縱坐標繪制無機元素指紋圖譜,由于6種產地橡膠籽中16種無機元素含量數量級差別較大,故將其調整至同一數量級(Se、V擴大1 000倍,Pb擴大100倍,Cd、Co擴大10倍,Ti、Ni、Mn、Cu縮小10倍,Ca、K縮小100倍,Mg縮小1 000倍)。由圖1 可知,不同產地橡膠籽元素相對含量的變化趨勢在一定程度上基本一致,說明橡膠籽在元素含量分布和元素種類上整體接近,但也能看出有部分元素在不同產地的相對含量存在一定差異,不同產地的環境因素還是會導致種植物含量的差異,借此也可通過差異性信息來分析不同產地的變化情況。

圖1 不同橡膠籽無機元素圖譜

2.5 主成分(PCA)分析

主成分分析法現廣泛應用于實驗數據分析,通過降低維度的作用提取出少數幾個相互無關而又能夠充分反映原始變量信息的綜合指標(即主成分)。剔除未檢出的元素As,以不同產地15種無機元素的含量為指標進行主成分分析(PCA),對數據進行降維處理[23],得到各主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率(表5)。主成分分析結果顯示,前4個主成分(PCA1-PCA4)的特征值分別為6.370、3.211、1.677、1.145,方差貢獻率分別42.468%、21.403%、11.182%、7.637%,累積貢獻率達80.69%,可知前4個主成分即能夠代表橡膠籽中無機元素的整體特征信息,故對前4個成分的載荷矩陣進行深入分析。由表6可知,前4個主成分與部分元素正相關性,第1主成分PCA1與Co、V、Cu元素呈正相關(相關系數>0.9),第2主成分PCA2與Se、Ti元素呈正相關(相關系數>0.8),第3主成分PCA3與Pb元素呈正相關(相關系數>0.9),第4主成分PCA4與Cr元素呈正相關(相關系數>0.6),前4個主成分的累計方差貢獻率為82.69%,超過總方差的80%,因此Co、V、Cu、Se、Ti、Pb、Cr這七種元素是橡膠籽的特征元素,是能顯著影響橡膠籽中無機元素組成的主要綜合指標。

表5 各主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率

表6 主成分載荷矩陣

2.6 聚類分析

對18批橡膠籽樣品中的16種無機元素含量采用組間聯接方法、系統聚類分析法進行聚類分析,進一步簡化分析數據。當歐式距離平方和為5 時,18個樣品可被分為4大類,結果見圖2。第1類:S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S11、S12、S14、S15;第2類:S9、S10、S13;第3類:S16、S17;第4類:S18。其中,第1類樣品分別來自于廣東、廣西、海南和云南;第2類樣品分別來自于海南和廣西;第3類樣品來自于福建,第4類樣品來自于我國臺灣,顯示了一定的差異性。由此也可看出,不同的種植氣候、土壤、地理空間造成了土壤中微量元素的差異性,也間接影響了作物的生長狀況,從而導致植物吸收的元素組成不同[24]。

圖2 橡膠籽聚類分析結果

3 結論

本實驗建立了微波消解結合ICP-MS內標法同時測定橡膠籽中的Mg、K、Ca、Zn、Ti、Cu、Mn、Ni、Cr、Ba、Co、Cd、Se、Pb、V、As等16種無機元素的檢測方法。采用內標補償法,排除基體效應對多元素產生的抑制作用,最后,通過方法學驗證了該方法的準確性和可靠性。表明該檢測方法準確、可靠,適用于橡膠籽中多元素的測定。

采用建立的ICP-MS法測定6個不同產地橡膠籽中16種無機元素的含量,建立各產地橡膠籽中無機元素指紋圖譜,通過主成分分析、聚類分析等方法對其元素分布規律進行研究。結果表明,不同產地橡膠籽中均含有豐富的Mg、K、Ca、Ti、Mn、Ni、Zn等無機元素,且各種元素含量存在較大差異。通過元素圖譜可以看出,橡膠籽在元素含量分布和元素種類上整體趨勢接近,其中有部分元素的不同產地相對含量存在一定差異,具有一定代表性。

以橡膠籽中15種無機元素含量進行主成分分析,前4個主成分(Co、V、Cu、Se、Ti、Pb、Cr)對總方差的累積貢獻率達82.69%,能夠代表橡膠籽中無機元素的整體特征信息,可初步認為Co、V、Cu、Se、Ti、Pb、Cr是影響橡膠籽無機元素組成的特征元素,值得進一步深入探討。通過對18批橡膠籽樣品中16種無機元素含量進行聚類分析,可將18個樣品分為4大類,分屬于不同的地域,表明橡膠籽無機元素的含量與環境、地域等因素具有相關性。

本研究結果可為橡膠籽資源的進一步開發利用提供更多可靠的數據支撐。