不同顏色蠶豆的紅外光譜分析及元素含量測定

徐娟 劉剛 歐全宏 趙帥群 任靜 胡見飛

摘要：利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）對白色蠶豆和綠色蠶豆進行研究。結(jié)果顯示，蠶豆子葉的紅外光譜主要由蛋白質(zhì)、多糖等振動吸收譜帶組成。兩種蠶豆的紅外光譜相似，但在一些特征峰上的吸光度比值存在差異。對1 700～1 600 cm-1波段內(nèi)的原始光譜進行擬合，綠色蠶豆的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中α螺旋、 β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)的含量均比白色蠶豆高，而β折疊含量低于白色蠶豆。ICP-MS測試結(jié)果表明，蠶豆中富含P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn等多種礦質(zhì)元素，其中元素P、K的含量最高，Ca、Mg、Na、Fe、Zn和Mn含量豐富；Cu含量相對較低。其中，白色蠶豆的礦質(zhì)元素K、Ca、Cu和Na含量比綠色蠶豆略高，而其他礦質(zhì)元素P、Mg、Fe、Zn、Mn含量低于綠色蠶豆。研究表明，F(xiàn)TIR結(jié)合ICP-MS方法可以快速簡便區(qū)分兩種蠶豆。

關(guān)鍵詞：蠶豆；傅里葉變換紅外光譜；電感耦合等離子體質(zhì)譜；元素

中圖分類號：O657.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）13-3244-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.045

Infrared Spectrum Analysis and Elements Determination of

Broad Bean of Different Colors

XU Juan， LIU Gang， OU Quan-hong， ZHAO Shuai-qun， REN Jing， HU Jian-fei

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR） and inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） were used to study two kinds of broad bean. The FTIR results showed that the infrared spectra of broad bean were mainly composed of the absorption bands of protein and polysaccharide. The spectrum of samples were similar，only with minor differences in absorbance ratios of several peaks. The amide I band （1 700～1 600 cm-1） in the original spectra was used for curve fitting to evaluate the contents of secondary structure of protein. The results showed the contents of α-helix， β-turn and unordered structure in green beans were higher than that in white beans，while the content of β-sheet in green beans less than that in white beans. ICP-MS results showed that the P，K，Ca，Mg，Cu，F(xiàn)e，Zn and Mn were found in the broad bean，and the contents of P，K were the highest， followed by Ca，Mg，Na，F(xiàn)e，Zn and Mn，and the lowest was Cu. The contents of K，Ca，Cu and Na in white beans were slightly higher than that in green beans，while the contents of P，Mg，F(xiàn)e，Zn and Mn in white beans less than that in green beans. It was proved that FTIR spectroscopy combined with ICP-MS could be used to discriminate two kinds of broad bean fast and accurately.

Key words： broad bean； FTIR； ICP-MS； element

蠶豆（Vicia faba L.），又名胡豆、佛豆、羅漢豆，豆科野豌豆族巢菜屬。蠶豆是世界上第六大食用作物，具有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值[1]。新鮮的蠶豆可以作為蔬菜，干燥后可做糧食或飼料。根據(jù)蠶豆子葉顏色差異，可以分為白色蠶豆和綠色蠶豆兩種，食用時口感稍有差別，這不僅與蠶豆有機成分有關(guān)，而且與所含豐富的微量元素有關(guān)。同時其經(jīng)濟價值也有差異，綠色蠶豆在交易時，價格要比白色蠶豆高。

目前對于蠶豆的研究主要集中在蠶豆的理化性狀方面，如李雪琴等[2]優(yōu)化了蠶豆蛋白的制備工藝，對蠶豆蛋白的溶解性、吸水性、吸油性和凝膠性等部分功能性質(zhì)進行了比較研究。譚洪卓等[3]對中國20種蠶豆的化學組成、物理性質(zhì)間相互關(guān)系進行了研究。而傳統(tǒng)的化學分析、色譜、質(zhì)譜等儀器分析方法需對樣品進行分離提取，由于這些方法存在著分析時間長，儀器較昂貴，不宜普及推廣，限制了其廣泛使用[4]。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）不僅能夠綜合地反映蠶豆的物質(zhì)組成，還具有操作簡單、無損、樣品需求量少、快捷等優(yōu)點，已大量應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)境等領(lǐng)域[5，6]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）是一種多元素分析技術(shù)，具有極好的靈敏度和高效的樣品分析能力，檢出限低，可以同時測量多種元素，已在多種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[7，8]。

本研究利用傅里葉變換紅外光譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜法對兩種顏色的蠶豆樣品進行了分析，探討所含的化學信息，以期為蠶豆的快速鑒別及開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

樣品收集于云南陸良，共采集2種樣品，分別為綠色蠶豆（編號a）和白色蠶豆（編號b），樣品經(jīng)自然晾干備用。

1.2 儀器設(shè)備及試驗方法

1.2.1 紅外光譜 紅外光譜儀為Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀（Perkin Elmer公司），掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

將待測的蠶豆樣品的種皮與子葉分開，對所有子葉取相同部位進行測試，樣品放入瑪瑙研缽中研磨，加入適量溴化鉀后混合攪磨均勻，壓片測試，采用純溴化鉀片作為背景。光譜數(shù)據(jù)用Omnic 8.0基線校正、9點平滑和歸一化預(yù)處理。

1.2.2 蠶豆礦物元素的測定 ELAN DRC-e型電感耦合等離子體-質(zhì)譜儀（ICP-MS，Perkin Elmer公司），儀器參數(shù)見表1。

準確稱取樣品0.100 0 g于聚四氟乙烯燒杯中，加入10 mL HNO3和1 mL HClO4，靜置過夜，在電熱板上加熱消解至溶液呈透明清亮，趕酸，冷卻，用2%的HNO3溶液定容至100 mL，待測，同時作樣品空白處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外光譜分析

2.1.1 蠶豆子葉的紅外光譜特征 圖1為兩種顏色蠶豆的傅里葉變換紅外光譜圖，其中a是綠色蠶豆，b是白色蠶豆。從圖1可以看出兩種顏色蠶豆的紅外光譜在整體上比較相似，都具有一些典型的特征峰。其譜峰歸屬：3 300 cm-1附近有一寬且強的吸收峰，主要是O-H和N-H伸縮振動吸收[9]。2 925 cm-1附近為亞甲基中C-H反對稱伸縮振動吸收[5]；1 652 cm-1附近的吸收峰主要是蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶的振動吸收，歸屬為C=O伸縮振動[9]；1 544 cm-1附近的吸收峰是酰胺Ⅱ帶吸收，為N-H的面內(nèi)彎曲振動和部分C-N的伸縮振動耦合[9]；1 449、1 397 cm-1分別歸屬于亞甲基、甲基的對稱彎曲振動 [10]，1 241 cm-1附近的吸收峰為蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ振伸縮動[9]；1 200～700 cm-1范圍內(nèi)主要是多糖及糖類異構(gòu)體的吸收區(qū)；1 155、1 078 cm-1附近的吸收峰歸屬于碳水化合物中C-O和C-O-C伸縮振動[11]，856 cm-1附近的峰可以歸屬于α-構(gòu)型多糖的特征峰[12]。

由上述特征可以看出，蠶豆子葉的紅外光譜主要有蛋白質(zhì)、多糖構(gòu)成。兩種蠶豆種子的峰形峰位相似，為便于比較，計算A1536 /A1656、A1050 /A1656吸光度比值。對于比值A(chǔ)1536 /A1653，綠色蠶豆和白色蠶豆都小于1，且綠色蠶豆大于白色蠶豆。對于比值A(chǔ)1050 /A1653，綠色蠶豆和白色蠶豆都小于1，綠色蠶豆大于白色蠶豆。根據(jù)吸光度的比值可對綠色蠶豆和白色蠶豆樣品進行鑒別。

2.1.2 曲線擬合 為了進一步鑒別兩種顏色蠶豆，對綠色蠶豆和白色蠶豆的平均紅外譜圖中1 700～ 1 600 cm-1內(nèi)進行曲線擬合（見圖2），來研究蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的相對含量。由圖2可以看出兩種蠶豆在1 600～1 700 cm-1內(nèi)都出現(xiàn)了9個子峰。吸收頻率的位置依次是1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648、1 639、1 629和1 618 cm-1。其中，1 610～1 640 cm-1歸屬于β折疊，1 650～1 660 cm-1歸屬于α螺旋，1 660～1 700 cm-1歸屬于β轉(zhuǎn)角[12-14]。

綠色蠶豆和白色蠶豆相應(yīng)的子峰面積、子峰所占的峰面積比和歸屬見表2。結(jié)合圖2和表2可以看出，兩種蠶豆在1 600～1700 cm-1內(nèi)出現(xiàn)子峰的頻率位置基本沒有差異。但各個子峰面積的百分比卻存在著明顯不同。差異最大的主要是β轉(zhuǎn)角（1 668 cm-1）和α螺旋結(jié)構(gòu)（1 658 cm-1）的振動吸收。在1 668 cm-1和1 658 cm-1吸收帶上，綠色蠶豆吸收峰的面積百分比分別是16.300 4%和12.901 3%；白色蠶豆吸收峰的面積百分比分別是11.601 6%和15.820 4%。在1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648和1 629 cm-1吸收峰上，綠色蠶豆吸收峰面積百分比明顯大于白色蠶豆。另外，在1 618、1 674和1 639 cm-1吸收峰上，白色蠶豆吸收峰面積百分比大于綠色蠶豆。所以綠色蠶豆的α螺旋、β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)均比白色蠶豆多，而β折疊少于白色蠶豆。結(jié)果表明，綠色蠶豆的蛋白質(zhì)含量高于白色蠶豆，也就是說綠蠶豆的營養(yǎng)成分高于白蠶豆。

2.2 礦物元素分析

按照選定儀器工作參數(shù)，測定樣品中的9種礦質(zhì)元素含量，測定結(jié)果見表3。從表3可知，蠶豆中含有人體必需的磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、錳（Mn）、鈉（Na）等多種礦質(zhì)元素，其元素含量由高到低順序為K、P、Mg、Ca、Na、Fe、Zn、Cu、Mn。其中K、P的含量最高，分別達到1.080%和0.444%；Ca、Mg、Na含量較高，平均含量均高于200 mg/kg；Fe、Zn、Cu含量次之，平均含量元素為10～80 mg/kg；Mn元素含量相對較低。

這些元素對人體具有重要的生物功效作用，如，K作為主要的堿性物質(zhì)存在于組織和血細胞中，對神系統(tǒng)、體液平衡起著十分重要的作用[15]。P存在于人體所有細胞中，是維持骨骼和牙齒的必要物質(zhì)，幾乎參與所有生理上的化學反應(yīng)[16]。Na是維持機體新陳代謝、體內(nèi)酸堿平衡的電解質(zhì)[15]。Ca是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要原料，當機體缺鈣時，主要影響骨、牙齒的發(fā)育，嬰幼兒會患佝僂病，成年人表現(xiàn)為骨質(zhì)軟化，老年人表現(xiàn)為骨質(zhì)疏松[17]。

此外，蠶豆中也含有較高的Mg、 Fe、 Zn、 Cu、Mn等人體必需微量元素。Mg是細胞新陳代謝過程中各種酶的活化劑，對人體正常生理功能有重要作用。Fe則是紅細胞中血紅蛋白的重要組成部分，缺鐵能導(dǎo)致人體疲乏、面色蒼白、記憶力減退及從事耗氧運動能力降低[16]。Zn是人體中上百種酶的組成成分和激活劑，它參與蛋白質(zhì)和核酸合成，影響細胞的分裂和再生[18]。Cu在人體中通過含銅酶或蛋白參與各種代謝，在維護皮膚、骨骼、心血管系統(tǒng)的結(jié)締組織完善中起重要作用[16]。Mn是參與人體糖、脂肪代謝的一種重要的元素[18]，如果人體缺乏這幾種微量元素，將會出現(xiàn)不同的生理癥狀。

礦質(zhì)元素含量顯示了兩種蠶豆間存在差異，元素K、Ca、Cu和Na的含量：白色蠶豆大于綠色蠶豆，其他礦質(zhì)元素P、Mg、Fe、Zn、Mn等含量：綠色蠶豆大于白色蠶豆?？梢?，兩種顏色的蠶豆都具有較高的營養(yǎng)價值，經(jīng)常食用可補充人體所需的礦質(zhì)元素。

3 小結(jié)與討論

利用傅里葉變換紅外光譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜對綠色、白色蠶豆子葉樣品進行了分析研究。FTIR研究表明，蠶豆子葉紅外光譜主要由蛋白質(zhì)、多糖等吸收帶組成。綠色蠶豆和白色蠶豆的紅外光譜峰整體相似，僅在一些特征吸收峰上的吸光強有一些微小差異。兩種蠶豆的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中α螺旋、 β折疊、 β轉(zhuǎn)角和無序結(jié)構(gòu)分別在酰胺I帶出現(xiàn)的吸收位置十分接近、但同一個二級結(jié)構(gòu)在不同物種的蛋白質(zhì)中所占的比例明顯不同。其中，綠色蠶豆α螺旋、 β轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)的含量均比白色蠶豆多，而β折疊的含量少于白色蠶豆。ICP-MS測試結(jié)果表明，蠶豆富含P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn等多種營養(yǎng)元素，這些元素對人體具有重要的功效作用。結(jié)果表明，傅里葉變換紅外光譜結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜能準確、靈敏的反映蠶豆所含的化學信息，有望為蠶豆的研究提供一種方便快捷的方法。

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