元素含量分析應(yīng)用于進(jìn)口四產(chǎn)區(qū)香米產(chǎn)地鑒別

趙 旭 王丙濤 張思嫻 靳保輝 趙瓊暉 梁淑雯 顏 治 陳 波 謝麗琪

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心；深圳市食品安全檢測(cè)技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518067)

香米是一種具有誘人特殊芳香的優(yōu)質(zhì)稻種。其類(lèi)型包括香秈、香粳和香糯，均具有特殊的香味，米粒晶瑩，富含人體多種必須的營(yíng)養(yǎng)成分，具某種滋補(bǔ)和藥用效果。其香氣可消清除疲勞，并有助于增進(jìn)食欲。隨著國(guó)人生活水平日益提高，進(jìn)口香米越來(lái)越多的出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，如柬埔寨香米、泰國(guó)香米等。由于進(jìn)口香米的價(jià)格高于國(guó)產(chǎn)香米，以假充真，以次充好的現(xiàn)象普遍存在，極大損害消費(fèi)者的利益。

近年來(lái)，關(guān)于通過(guò)現(xiàn)代分析儀器尋求食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地鑒別方法的研究屢見(jiàn)不鮮。由于食用農(nóng)產(chǎn)品中礦物元素的含量及分布與其生長(zhǎng)的自然環(huán)境關(guān)系密切，不同產(chǎn)地環(huán)境中礦物元素的分布存在差異，而這種差異可以反映到農(nóng)產(chǎn)品中，與有機(jī)化合物等溯源因子相比，礦物元素更加穩(wěn)定，被認(rèn)為是有效地產(chǎn)地標(biāo)記物[1-4]礦物元素的分析常用方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)[5,8-10]， 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma optic emission spectrometer，ICP-OES)[5-7]。這兩種高通量快速檢測(cè)方法都有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是對(duì)每一個(gè)樣品測(cè)量所得到的分析結(jié)果都是多變量數(shù)據(jù)，僅用肉眼難以是實(shí)現(xiàn)區(qū)分判別。因此，通常使用多元統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)分析數(shù)據(jù)，常用的分析方法包括主成分分析[11-12]、聚類(lèi)分析[3,13]、偏最小二乘法[14-15]、判別分析[16-17]等。

本研究分別利用ICP-MS，ICP-OES測(cè)定香米中的19種元素含量，基于方差分析，判別分析建立了泰國(guó)、越南、柬埔寨、巴基斯坦4個(gè)產(chǎn)地香米的判別模型，取得極好的區(qū)分效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

220份香米樣品分別來(lái)自泰國(guó)(100個(gè))、柬埔寨(40個(gè))、越南(40個(gè))、巴基斯坦(40個(gè))。樣品均采集自深圳口岸進(jìn)口香米樣品。

硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%，優(yōu)級(jí)純)：德國(guó)Merck公司；過(guò)氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，優(yōu)級(jí)純)：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；超純水：美國(guó)Millipore公司。

元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液[1 000 mg/L，使用體積分?jǐn)?shù)5%的硝酸(以濃硝酸為基準(zhǔn))稀釋至適當(dāng)濃度]：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

1.2 儀器與設(shè)備

微波消解儀(CEM,XPress)：美國(guó)培安公司；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent，8800)：安捷倫科技有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Thermo，iCAP 6300)：賽默飛世爾科技公司。

1.3 方法

樣品的檢測(cè)方法參照GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》。

1.3.1 樣品前處理

稱(chēng)取1 g左右試樣(精確至0.001 g)于微波消解罐中，加入6 mL硝酸，靜置反應(yīng)2 h，加1 mL過(guò)氧化氫，蓋好消解罐放入微波消解儀，根據(jù)儀器條件設(shè)定最優(yōu)程序進(jìn)行消解。冷卻后轉(zhuǎn)移定容至25 mL，待測(cè)。若樣液中待測(cè)物質(zhì)濃度過(guò)大，可適當(dāng)稀釋或減少稱(chēng)樣量。同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)。

1.3.2 儀器條件

ICP-MS測(cè)量參數(shù)：掃描類(lèi)型：?jiǎn)螚U。分析模式：碰撞池。RF功率：1 550 W。載氣：1.05 L/min。RF匹配：1.80 V。蠕動(dòng)泵：30 r/min。氦氣流量：5.0 mL/min。其他儀器條件按儀器最佳狀態(tài)設(shè)置。

ICP-OES測(cè)量參數(shù)：根據(jù)儀器設(shè)定條件，調(diào)節(jié)儀器到最佳工作狀態(tài)。波長(zhǎng)：鈣 315.887 nm，鐵 234.349 nm，鉀 769.896 nm，鎂 279.806 nm，鋅 206.200 nm。分析泵速：50 r/min。RF功率：1 150 W。霧化器流量：0.70 L/min。輔助氣：0.50 L/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果

采用ICP-MS與ICP-OES檢測(cè)所有樣品中的Ca、Fe、K、Mg、Zn、B、Al、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Sr、Se、Cd、Cs、Ba、Pb共19種元素含量。表1顯示，不同元素之間含量相差較大，如K含量很高，均值500 mg/kg以上，而B(niǎo)、Al、Cr、Co、Ni、As、Se、Sr、Cd、Cs、Ba、Pb、Cu含量較低，都小于3 mg/kg，F(xiàn)e、Zn、Mn含量一般不超過(guò)20 mg/kg。Ca、Mg含量較高，但低于K的含量。從元素檢測(cè)結(jié)果可以看出，不同元素間的含量確實(shí)有差異，但是要從如此大量的數(shù)據(jù)中分析出產(chǎn)地信息，緊靠肉眼顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

表1 元素檢測(cè)結(jié)果分析/mg/kg

2.2 元素含量差異性分析

單因子方差分析可以用來(lái)研究一個(gè)因子的不同水平是否對(duì)指標(biāo)產(chǎn)生了顯著影響。單因子方差分析的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量是根據(jù)組內(nèi)方差和組間方差構(gòu)造的，統(tǒng)計(jì)證明，組間方差除以組內(nèi)方差的比值服從F分布。當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F>F0.05則認(rèn)為該因子對(duì)指標(biāo)產(chǎn)生了顯著影響。用單因子方差分析來(lái)分析不同產(chǎn)地對(duì)同一種元素的含量是否有顯著的影響，并對(duì)其影響的顯著與否進(jìn)行標(biāo)記如表2所示。結(jié)果表明不同產(chǎn)地香米樣品的元素含量有其各自的特征。泰國(guó)香米Ca、Mg、B、Cr、As、Se、Pb、Mn、Co、Ni、Ba 12種元素與其他3個(gè)地區(qū)有顯著不同。越南香米As、Se、Cs、Mn、Co、Ni、Ba七種元素與其他3個(gè)地區(qū)有顯著不同。柬埔寨香米Ca、Zn、Mn、Co、Ni、Sr、Ba、Pb 8種元素與其他3個(gè)產(chǎn)地有顯著不同。巴基斯坦香米Fe、Zn、Mn、Co、Ni、Sr、Cs、Ba 8種元素與其他3個(gè)有顯著不同。而K、Al元素在4個(gè)地區(qū)間無(wú)顯著差異。Mn、Co、Ni、Ba 4個(gè)元素在4個(gè)地區(qū)間存在顯著差異。同時(shí)還可以看出，一些元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說(shuō)明這些元素的含量在產(chǎn)地土壤中分布存在著一定差異。通過(guò)方差分析我們可以看出通過(guò)元素含量分析來(lái)區(qū)別不同產(chǎn)地的香米是可行的，但仍然不夠直觀。

表2 元素含量差異性分析

2.3 不同產(chǎn)地的判別分析

根據(jù)方差分析的思想， 利用判別分析方法以元素指標(biāo)為變量構(gòu)造判別函數(shù)，y=c1x1+c2x2+…+cpxp，其中系數(shù)c1，c2，…cp確定的原則是使產(chǎn)地間區(qū)別最大，產(chǎn)地內(nèi)區(qū)別最小。方程系數(shù)矩陣見(jiàn)表3。

表3 判別函數(shù)系數(shù)

將香米分析數(shù)據(jù)分別代入對(duì)應(yīng)的方程可得出4組判別值，并做散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖1)，并考察樣品數(shù)據(jù)的判別情況如表4所示。

由圖1可知，得出4個(gè)函數(shù)能對(duì)總體數(shù)據(jù)變量提供最大判別分析能力，各產(chǎn)地之間具備較好的區(qū)分能力。泰國(guó)、越南、柬埔寨、巴基斯坦能完全區(qū)分開(kāi)。綜合所有樣本分類(lèi)準(zhǔn)確性如表4所示，分別用4個(gè)產(chǎn)地樣品的數(shù)據(jù)對(duì)判別模型進(jìn)行自校驗(yàn)，判別準(zhǔn)確率100%。采用4個(gè)產(chǎn)地樣品的數(shù)據(jù)對(duì)判別模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證，判別準(zhǔn)確率仍達(dá)到100%。

圖1 不同產(chǎn)地香米判別模型

產(chǎn)地預(yù)測(cè)組成員泰國(guó)越南柬埔寨巴基斯坦合計(jì)初始計(jì)數(shù)泰國(guó)100000100越南0400040柬埔寨0040040巴基斯坦0004040%泰國(guó)100.0000100.0越南0100.000100.0柬埔寨00100.00100.0巴基斯坦000100.0100.0交叉驗(yàn)證計(jì)數(shù)泰國(guó)100000100越南0400040柬埔寨0040040巴基斯坦0004040%泰國(guó)100.0000100.0越南0100.000100.0柬埔寨00100.00100.0巴基斯坦000100.0100.0

2.4 判別模型的驗(yàn)證

對(duì)判別模型進(jìn)行實(shí)樣驗(yàn)證。分別對(duì)3個(gè)泰國(guó)香米，1個(gè)越南香米，1個(gè)柬埔寨香米進(jìn)行19種元素含量檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果帶入上述函數(shù)對(duì)其判別效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，待測(cè)樣品均準(zhǔn)確落到了所屬產(chǎn)地區(qū)域。

圖2 判別模型驗(yàn)證

3 結(jié)論

本文采集了泰國(guó)、越南、柬埔寨、巴基斯坦4個(gè)產(chǎn)地的香米共220份樣品進(jìn)行研究，采用ICP-MS，ICP-OES等現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，對(duì)香米中的19種元素進(jìn)行測(cè)定。并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析、判別分析。并成功建立了判別模型。該模型自校驗(yàn)、交叉校驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)100%，判別準(zhǔn)確率極高，可以有效應(yīng)用于香米產(chǎn)地的判別。