ICP-OES和ICP-MS方法分析郫縣豆瓣中礦物質(zhì)元素的分布

王 沖，陶 璇，馮云柯，陳鵬飛，楊 瀟,2，陳祥貴,2，車振明，馬 力，黃玉坤,2

(1.西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039; 2.宜賓西華大學研究院 食品非熱加工重點實驗室食品非熱加工工程技術(shù)研究中心，四川 宜賓 644004)

0 引 言

郫縣豆瓣作為地理標志產(chǎn)品，其傳統(tǒng)制作技藝于2008年被認定為“第二批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)”[1]。當前大部分手工作坊式工廠采用非機械化的方法進行發(fā)酵[2]，粗放的方式易使環(huán)境中的礦物質(zhì)元素對郫縣豆瓣產(chǎn)生影響。礦物質(zhì)對于人體健康至關(guān)重要，但Pb、Cr、Al、As、Cd、Cu等元素攝入過量會造成人體的損傷或病變。目前，對郫縣豆瓣醬的研究還主要在發(fā)酵菌群[3]、生物毒素[4]、風味成分[5]、有機酸[6]等發(fā)酵產(chǎn)物成分含量及生產(chǎn)工藝[7]等方面，關(guān)于郫縣豆瓣中礦物質(zhì)元素分布的研究報道比較少見。

郫縣豆瓣醬發(fā)酵周期長，其過程伴隨著大量有機物質(zhì)和無機礦物質(zhì)的消長變化。研究表明郫縣豆瓣中僅揮發(fā)性風味有機物就多達104種[5]。此外，郫縣豆瓣組分的復雜性決定了前處理的復雜性。在元素分析的樣品預處理過程中，微波消解因具有時間短、消解能力強、試劑用量少、空白值低等優(yōu)點[8]而廣泛應用于如土壤[9]、動植物性食品[10]等復雜樣品的預處理。在礦物質(zhì)元素的檢測方法中，與原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光法（AFS）等技術(shù)相比，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）具有同位素豐富度測量靈敏、痕量檢測準確、可超痕量多元素快速分析[11]、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于復雜基體的痕量檢測中[12]。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）的檢出限低、靈敏度高、精密度好和線性范圍寬，常用于常量礦物元素的分析中[13-14]。在GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》中，以ICP-MS為第一法，ICP-OES作為第二法進行元素的檢測[15]。國內(nèi)外相關(guān)研究中，王小平等[16]利用ICP-OES和ICPMS分別測定了中日兩國大米中27種礦物質(zhì)元素的含量，結(jié)果表明日本大米中有害元素Pb、Cd和有重要生理功能的B、Mg、Mo、Zn等元素含量顯著高于中國大米。Chen等[17]使用ICP-MS和ICP-OES成功檢測了興海縣冬蟲夏草中21種元素的含量。?-elih V S等[18]用ICP-MS和ICP-OES對斯洛文尼亞生產(chǎn)的葡萄酒中49種元素進行含量檢測，并進行地理性分類，其結(jié)果顯示生長周期和不同區(qū)域的葡萄酒中元素積累的量有明顯差異。

綜上所述，本研究擬建立ICP-OES、ICP-MS對郫縣豆瓣中礦物質(zhì)元素的分布進行檢測的方法，旨在為保障中國地理標志產(chǎn)品——郫縣豆瓣在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制、食品安全、食品溯源和真?zhèn)舞b別提供科學依據(jù)和指標參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

MDS-6G微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）；NexIONTM350電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，Avio 200電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國PERKINELMER公司）；IKA C-MAG HP7電熱板（廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司）；SB-5200DTN超聲波清洗（機寧波新芝生物科技股份有限公司）；YLD-2000型電熱恒溫鼓風干燥箱（黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司）。

郫縣豆瓣采樣于成都市郫都區(qū)某豆瓣廠。HNO3（優(yōu)級純）、過氧化氫（分析純）等化學試劑均購自成都市科隆化學品有限公司；1 000 mɡ/L K、Na、P、Al標準溶液購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心?；旌蠘藴嗜芤?（100 μɡ/mL）：As、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Li、Mg、Mn、Mo、Ni、Pd、Sb、Se、Sr、Ti、Tl、V、Zn；混合標準溶液2（100 mg/L）：Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se；質(zhì)譜調(diào)諧液(1 μg/L)：Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U均購于美國PERKINELMER公司。所用超純水電阻率為18.2 MΩ·cm（Milli-Q超純水處理系統(tǒng)）。聚四氟乙烯（PTFE）微波消解管、容量瓶等用20%（v/v）HNO3浸泡24 h后用超純水沖洗潔凈晾干備用。

1.2 樣品前處理

豆瓣樣品90 ℃干燥9 h后，用研缽碾磨成粉狀備用。稱取0.2 g（精確至0.001 g）樣品置于PTFE消解罐中，加入5 mL HNO3、2 mL H2O2，按表1設置微波程序，進行消解。

表1 微波消解程序

消解完畢后，消解罐置于電熱板上130 ℃恒溫加熱趕酸，近干時停止加熱，冷卻后用5% HNO3定容至10 mL，0.45 μm濾膜過濾，濾液稀釋5倍，進行ICP-MS、ICP-OES測定。試劑空白用同樣方法進行處理。

1.3 ICP-MS、ICP-OES工作條件的設定

ICP-MS工作條件：ICP功率1 200 W，霧化室溫度2 ℃，蠕動泵轉(zhuǎn)速20 r/min，進樣穩(wěn)定時間40 s，掃描次數(shù)20次，重復次數(shù)3次。使用1.0 μɡ/L Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U調(diào)諧液對儀器各項指標進行調(diào)整。

ICP-OES 工作條件：高頻發(fā)生器射頻功率1 300 W，等離子氣流量11 L/min，輔助氣流量0.4 L/min，霧化氣流量0.65 L/min，積分方式為峰面積，觀測距離15.0 mm，觀測方式軸向觀測，選擇的譜線如表2所示。

1.4 標準工作液的配制

采用HNO3（5%）溶液逐級稀釋，配制不同濃度范圍的標準溶液。Pb、Cd、Cr、As混合標準溶液范圍為0.0，10.0，20.0，30.0，40.0，50.0 μg/L；K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se混合標準溶液范圍為0.01，0.10，1.00，10.00，20.00 mg/L。

表2 元素的檢測譜線

2 結(jié)果與討論

2.1 分析條件優(yōu)化試驗

2.1.1 消解用酸體系優(yōu)化

HNO3與H2O2配合使用具有試劑空白低、氧化能力強、趕酸速度快的特點[19]。選擇HNO3和H2O2為消解用酸，在其他條件不變的情況下改變HNO3、H2O2的用量，通過測定消解產(chǎn)物中Pb、Cd、Cr、As和K、P、Mg、Zn含量，優(yōu)化消解用酸體系。梯度系列為：1（3 mL HNO3、1 mL H2O2），2（5 mL HNO3、1 mL H2O2），3（5 mL HNO3、2 mL H2O2），4（6 mL HNO3、2 mL H2O2）。結(jié)果見圖1，當5 mL HNO3、2 mL H2O2時，消解出的元素最多；HNO3加入量為6 mL時，消解出的元素量開始降低，而H2O2使用量增大時，會增加空白本底[11]。因此選擇5 mL HNO3、2 mL H2O2來消解豆瓣。

2.1.2 靜置時間優(yōu)化

潘秋仁[20]研究發(fā)現(xiàn)消解前的靜置時間對微波消解結(jié)果有影響，選擇0，0.5，1，1.5 h 4個靜置時間，對消解前靜置時間進行優(yōu)化。如圖2所示，元素濃度曲線接近水平，消解前的靜置時間對消解結(jié)果影響不大。Pb在0 h時消解出的量最多，為Pb消解出最大化，確定消解前靜置時間0 h。

2.1.3 消解溫度優(yōu)化

根據(jù)GB 5009.268-2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》中消解程序的設置，對消解溫度梯度進行優(yōu)化。由圖3所示，消解產(chǎn)物中各元素濃度在梯度120，150，190 ℃下較梯度120，140 ，180 ℃都有增加，As釋放量的增加尤為顯著，為357.6%。結(jié)果顯示消解產(chǎn)物中元素的濃度隨最大消解溫度的升高而升高。故選擇120，150，190 ℃的消解溫度。

圖1 在不同消解用酸體系下消解產(chǎn)物中礦物質(zhì)元素的濃度

圖2 在不同靜置時間下消解產(chǎn)物中礦物質(zhì)元素的濃度

圖3 在不同消解溫度梯度下產(chǎn)物中礦物質(zhì)元素濃度

2.2 標準曲線和檢出限

通過ICP-MS測得As、Pb、Cr、Cd的標準曲線；ICP-OES測得K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg、Se的標準曲線。對樣品空白溶液連續(xù)11次測定，計算標準偏差3倍所對應的濃度值為檢出限。各待測礦物質(zhì)元素的線性范圍、相關(guān)系數(shù)及檢出限見表3。

2.3 方法分析性能評價

2.3.1 方法精密度

用優(yōu)化后的微波消解程序?qū)悠愤M行處理，ICP-MS、ICP-OES連續(xù)11次測定，得到各元素相應RSD如表4所示。各元素RSD值≤5%，表現(xiàn)出良好的方法精密度。

表3 線性范圍、相關(guān)系數(shù)及檢出限

表4 方法精密度

2.3.2 準確度

方法的準確度通過加標回收率考察，在樣品中加入不同量的混合標準溶液后進行回收率測定，加標量和回收率見表5，各元素加標回收率在91.1%~117.7%之間，符合要求。

表5 加標量和回收率1）

2.4 實際樣品測定結(jié)果

郫縣豆瓣樣品1~11依次為同一批次不同發(fā)酵時間，間隔均為1個月，經(jīng)過ICP-MS、ICP-OES檢測，結(jié)果見表6。

表6 郫縣豆瓣樣品中各礦物質(zhì)元素含量

食品中Pb、Cd、Cr、As污染物限量分別為1.0 mg/kg、0.1 mg/kg、1.0 mg/kg、0.5 mg/kg[21]。ICP-MS檢測顯示，在測定的11個樣品干重中，重金屬元素Pb、Cd、Cr、As的含量皆遠低于其在食品中的限量，表明其安全性高[22]。由圖4所示，Cr的含量顯著高于Pb、Cd、As的含量，這可能與受郫都區(qū)土壤中Cr平均含量高（33.8 mg/kg）[23]的影響有關(guān)。Cr對人體血糖的調(diào)節(jié)、脂類代謝有重要作用[24]，食品中適當?shù)腃r含量可保證人體Cr的充足。

圖4 樣品中各重金屬元素含量

根據(jù)ICP-OES的檢測結(jié)果，9種礦物質(zhì)元素平均含量由高至低依次為：K（9.166 mg/g）、P（2.262 mg/g）、Mg（1.042 mg/g）、Ca（0.649 mg/g）、Zn（0.595 mg/g）、Al（0.049 mg/g）、Fe（0.047 mg/g）、Cu（0.031 mg/g）、Mn（0.004 mg/g）。樣品中Se元素未檢出，這與我國土壤中硒的普遍缺乏有關(guān)。豆瓣中Zn元素具有較高含量，Zn對于人體的生殖發(fā)育有著重要意義，《中國居民膳食營養(yǎng)素參考日攝入量》(2013版)中正常人體推薦攝入量為12.5 mg/d，因此食用郫縣豆瓣可有效補充每日所需Zn元素。K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg這9種礦物質(zhì)元素的含量在所檢測的不同后發(fā)酵時長內(nèi)有小幅度的波動，但此變化無顯著差異。人工攪拌豆瓣醬的均勻程度、豆瓣原料產(chǎn)區(qū)環(huán)境礦物質(zhì)元素分布、生產(chǎn)過程機械化處理等原因，使不同發(fā)酵時間元素的分布存在差異[25]。

3 結(jié)束語

本文建立了郫縣豆瓣礦物質(zhì)元素測定的微波消解方法，并以此為前處理方法對不同發(fā)酵時間郫縣豆瓣中礦物質(zhì)元素分布進行ICP-MS與ICPOES測定。以ICP-MS對樣品中Pb、Cd、Cr、As進行檢測，方法檢出限低至0.110 μg/kg、0.014 μg/kg、0.269 μg/kg、0.132 μg/kg，回收率90%以上。以ICP-OES對豆瓣中K、P、Al、Fe、Cu、Ca、Zn、Mn、Mg進行檢測，方法檢出限在0.000 4~0.032 8 mg/kg之間，回收率處于91.88%~117.71%之間。各元素檢測的RSD均小于5%。結(jié)果表明該方法可以有效消解郫縣豆瓣，檢測結(jié)果準確可靠，適用于豆瓣醬中礦物質(zhì)元素的分析測定。對不同后發(fā)酵時長（1~11個月）的郫縣豆瓣進行了礦物質(zhì)元素分布檢測，結(jié)果表明在不同發(fā)酵時間郫縣豆瓣中礦物質(zhì)元素含量呈現(xiàn)波動；Pb、Cd、Cr、As 4種元素在樣品中的殘留量均遠低于國標限量，處于安全范圍內(nèi)；郫縣豆瓣中有較高的K、P、Ca、Zn、Mg含量且分布具有一定特征范圍，可為郫縣豆瓣產(chǎn)地溯源技術(shù)提供指標依據(jù)參考。