基于產(chǎn)地、品種和年份影響礦物元素含量的大米判別

錢麗麗，邱彥超，李殿威，符麗雪，張東杰,*，左 鋒,2,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省雜糧加工及質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319）

水稻是我國的重要糧食之一，黑龍江水稻產(chǎn)量占全國水稻產(chǎn)量的16.3%[1-3]。查哈陽、建三江、五常大米因品質(zhì)優(yōu)良而常被不法商販爭相仿冒、銷售，損害消費(fèi)者權(quán)益與健康[4]。因此建立鑒別黑龍江三大產(chǎn)地大米的有效鑒別方法是非常有必要的。

目前，產(chǎn)地判別技術(shù)主要包括礦物元素分析技術(shù)、穩(wěn)定性同位素技術(shù)和近紅外指紋分析技術(shù)等[5]。礦物元素分析是判別食品產(chǎn)地比較有效的方法，在植源性食品的產(chǎn)地判別中廣泛應(yīng)用[6]。例如西洋參[7]、大豆[8]、蜂蜜[9]、葡萄酒[10-11]、龍井茶[12]、松茸[13]等的產(chǎn)地判別。電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技術(shù)是目前測礦物元素應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，該技術(shù)具有靈敏度高、線性范圍寬、多元素同時測定等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。大米中的元素含量與品種[16]、年份和當(dāng)?shù)氐乃?、土壤密切相關(guān)，形成不同地區(qū)各自的元素組成特征。因此礦物元素產(chǎn)的地判別技術(shù)應(yīng)用于大米產(chǎn)地判別是可行的。但是目前并不確定大米中礦物元素含量的差異主要來源于品種、年份還是與產(chǎn)地有關(guān)的自然因素，因此分析各因素對礦物元素含量影響，篩選與產(chǎn)地直接相關(guān)的元素是大米產(chǎn)地判別的關(guān)鍵。Aslam等[17]和馬奕顏[18]利用ICP-MS技術(shù)測定獼猴桃中20 種礦物元素的含量，結(jié)果表明，每個產(chǎn)地的獼猴桃有其獨(dú)特的礦物元素組成特征，證明不同地區(qū)之間獼猴桃礦物元素含量的差異特征可以用于鑒別其產(chǎn)地。王朝暉等[19]測定3 個產(chǎn)地的3 個水稻品種內(nèi)的11 種礦物元素，發(fā)現(xiàn)Cd、Cr、Fe、K、Mg、Zn、Pb在大米品種與產(chǎn)地間存在相對較大的差異。潘少香等[20]發(fā)現(xiàn)K、Mg、Zn、Cu、Mn、Fe是不同品種及產(chǎn)地的柑橘間的特征差異元素。Yu Haiyan等[21]對米酒中的Mn、K、Fe和Zn的含量進(jìn)行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)浙江嘉善與紹興米酒中Mn、Fe和K元素的含量差異顯著，基于差異元素建立偏最小二乘（partial least-squares regression，PLS）模型，可以完全鑒別兩個產(chǎn)地米酒。趙海燕[22]研究表明元素Na、Mg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ga、Se、Y、Zr、Sn、Eu、U含量與小麥年際密切相關(guān)。本研究種植試驗(yàn)田獲取樣本，分析品種、年際和產(chǎn)地及交互作用對大米礦物元素含量的影響，通過方差分析篩選與產(chǎn)地相關(guān)的元素，并通過主成分分析（principal component analysis，PCA）和判別分析對篩選元素的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硝酸（分析純） 美國Avantor Performance Materials公司；生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大米GBW10010（GSB-1） 中國北京國家糧食局科學(xué)研究院。五常、建三江和查哈陽種植試驗(yàn)田，試驗(yàn)田的地理信息和水稻的生長氣候信息如表1所示；3 個試驗(yàn)田種植9 個品種，共采集到90 個樣品，每個樣品1～2 kg，樣品信息如表2所示。

表1 各試驗(yàn)站點(diǎn)地理信息和水稻生長期天氣條件信息Table 1 Geographic information of test fields and weather conditions of rice-growing seasons

表2 樣品信息Table 2 Information about the samples tested in this study

1.2 儀器與設(shè)備

7800電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 安捷倫科技（中國）有限公司；MARS6 Classical微波消解儀 培安CEM微波化學(xué)（中國）技術(shù)中心；Milli-Q超純水機(jī)美國Millipore公司。

1.3 方法

1.3.1 田間試驗(yàn)設(shè)計

在2016—2018年以稻米主產(chǎn)區(qū)五常（東經(jīng)126°42′～127°454′，北緯44°25′～45°13′）、建三江（東經(jīng)132°40′～134°25′，北緯47°01′～47°58′）、查哈陽（東經(jīng)124°05′～124°14，北緯48°07′～48°12′）為試驗(yàn)點(diǎn)，各選3 塊試驗(yàn)田塊，3 塊試驗(yàn)田呈三角分布，選擇當(dāng)?shù)刂髟云贩N9 個，3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積不少于10 m2，四周設(shè)保護(hù)行，保護(hù)行品種與各對應(yīng)品種相同。按照當(dāng)?shù)卮筇锝y(tǒng)一農(nóng)事管理。以“S”型取樣，以降低土壤元素差異對大米中元素的影響[23]。

1.3.2 樣本預(yù)處理

晾曬樣品，使其曬后水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至14%以下，參照GB/T 1354—2018《大米》[24]完成樣品的統(tǒng)一處理，備用。

1.3.3 樣本消解及元素含量測定

采用ICP-MS對大米中礦物元素含量測定[25-27]。準(zhǔn)確稱取0.25 g的大米粉樣品，置于消化管中加入6 mL濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%，BV3級）和2 mL雙氧水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，BV3級），放入MARS微波消解儀中進(jìn)行消解。微波設(shè)置程序?yàn)? min內(nèi)功率從0 W增到1 600 W，溫度升到120 ℃，保持2 min；在5 min內(nèi)從溫度120 ℃升到160 ℃，保持5 min后，在5 min內(nèi)從160 ℃升到180 ℃，并在此溫度消解15 min；然后冷卻20 min，將微波消化管取出，于通風(fēng)櫥內(nèi)打開塞子將微波消化管置于精確控溫電熱消解器中進(jìn)行趕酸。超純水（電阻率＞18.2 MΩ·cm）洗滌樣品，定容至100.00 g，采用同樣方法進(jìn)行空白樣品和大米標(biāo)準(zhǔn)物樣品消解。

ICP-MS工作參數(shù)為射頻功率1 280 W，霧化室溫度2 ℃，冷卻水流量1.47 L/min，載氣流量1.0 L/min，補(bǔ)償氣體流量1.0 L/min，儀器測定樣品和大米標(biāo)準(zhǔn)物中Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Y、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Th、U共52 種元素，測定過程要求大米標(biāo)準(zhǔn)物中元素的回收率均大于90%。

實(shí)驗(yàn)過程中每個樣品重復(fù)測定3 次，選用Ge、In和Bi共3 種元素作為內(nèi)標(biāo)元素，保證儀器的穩(wěn)定性。當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于5%時，重新測定樣品。儀器元素的檢出限（limit of detection，LOD）和（limit of quantitation，LOQ）定量限見表3。

表3ICP-MS儀器測定多種礦物元素的檢出限和定量限Table 3 LOD and LOQ of ICP-MS for various mineral elements

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件對不同產(chǎn)地、品種、年份大米中礦物元素含量進(jìn)行方差分析、PCA和判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地、品種和年份樣品礦物元素分析

不同產(chǎn)地（品種、年份相同）、不同品種（產(chǎn)地、年份相同）和不同年份（產(chǎn)地、品種相同）樣品中礦物元素的顯著含量平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表4～6所示。Na、Mn、Ni、Cu、Zn、Mo、Te、Ba、Pb、Rh元素在不同產(chǎn)地間有極顯著差異（P＜0.01）。Ca、Co、La、Ho在不同產(chǎn)地間有顯著差異（P＜0.05）。Na、Mg、Cr、Ni、Mo、Te、Gd、Er、Tm、Pt、Tl和U在不同品種間有極顯著差異（P＜0.01），Ca、La、Ho在不同品種間有顯著差異（P＜0.05）。Na、Mg、Ca、V、Co、La、Ce、Pb、U在不同年份間有極顯著差異（P＜0.01），Ni在不同年份間有顯著差異（P＜0.05）。

表4 不同產(chǎn)地大米中差異顯著的礦物元素含量Table 4 Mineral element contents that significantly differed among rice from different geographical origins

地域與農(nóng)產(chǎn)品中礦物元素含量相關(guān)，對不同元素的影響程度不同。3 個產(chǎn)地間有不同的自然環(huán)境（土壤、降水、氣候等）[28]，為水稻提供的可吸收礦物元素也不同，因此3 個產(chǎn)地間樣品具有獨(dú)特的元素組成。另外不同品種有不同的基因型，不同的基因型對環(huán)境中礦物元素吸收程度和吸收元素種類不盡相同[20]，從而形成品種間元素含量差異。此外不同年份間天氣（氣溫、日照、降雨等）有差異，也影響樣品吸收礦物元素[29]。本研究以試驗(yàn)田大米為樣品，可有效控制品種、年份、產(chǎn)地以及農(nóng)事管理等一些因素對礦物元素的影響，采用控制變量探究某一因素的影響，增加實(shí)驗(yàn)的可研究性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表5 不同品種大米中差異顯著的礦物元素含量Table 5 Mineral element contents that significantly differed among different rice varieties

表6 不同年份大米中差異顯著的礦物元素含量Table 6 Mineral element contents that significantly differed among rice from different crop years

2.2 交互作用對大米中礦物元素影響分析

通過SPSS軟件一般線性模型的多變量分析，即主效應(yīng)和交互效應(yīng)分析產(chǎn)地、品種、年份及其交互作用對各元素含量變異的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)地因素對Mg、Ca、Mn、Cr、Pb、Zn、As、Rb、Sr、Dy、Cd、Sm、Ba、U含量有極顯著影響（P＜0.01），對Ag、La、Er、Ho含量有顯著影響（P＜0.05）；品種對Na、Cr、Co、Ni、Tl、U含量有極顯著影響（P＜0.01），對Mg、Al、La、Ho含量有顯著影響（P＜0.05）；年份對Na、Mg、Al、Ca、Pb、U含量有極顯著影響（P＜0.01），對V含量有顯著影響（P＜0.05）。

產(chǎn)地和品種的交互作用對Mg、Ca、Cr、Tl、Pb含量有極顯著影響（P＜0.01），對Er含量有顯著影響（P＜0.05）；品種和年份的交互作用對Na、Mg、Yb、Pt、Tl含量有極顯著影響（P＜0.01），對La、U含量有顯著影響（P＜0.05）；產(chǎn)地和年份的交互作用對Zn、Se、Y、Cd含量有極顯著影響（P＜0.01），對Tl含量有顯著影響（P＜0.05）。產(chǎn)地、基因型和年份三者的交互作用對Ca、Zn、Mo、Eu、Gd、Ho、Tm含量有極顯著影響（P＜0.01）。

2.3 與產(chǎn)地直接相關(guān)元素的PCA

通過建立不同產(chǎn)地、品種和年份的試驗(yàn)田探究，篩選到受產(chǎn)地影響較大的Mg、Ca、Cr、Mn、Zn、As、Rb、Sr、Ag、Cd、Ba、La、Sm、Dy、Ho、Er、Pb、U共18 種元素，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，進(jìn)行PCA，結(jié)果見表7。前6 個PC累計貢獻(xiàn)率80.333%。PC1包含La、U、Ag、Sm、Ho、Zn、Sr元素信息，方差貢獻(xiàn)率為30.78%。PC2包含Rb、Mn、Cd、Dy、Er元素信息，方差貢獻(xiàn)率為22.739%。PC3包含As元素信息，方差貢獻(xiàn)率為9.175%。PC4包含Cr元素信息，方差貢獻(xiàn)率為7.845%。PC5包含Mg元素信息，方差貢獻(xiàn)率為5.467%。PC6包含Ca、Ba、Pb元素信息，方差貢獻(xiàn)率為4.326%。

表7 18 種元素的PCATable 7 PCA matrix of 18 mineral elements

將不同產(chǎn)地來源的大米利用PC1、2、3的得分作圖，結(jié)果見圖1。3 個產(chǎn)地來源樣品分別分布在不同的空間，說明通過試驗(yàn)田篩選的18 種元素，能較好地區(qū)分不同樣品來源，這些元素涵蓋的產(chǎn)地信息可用于大米的產(chǎn)地鑒別。

圖1 不同產(chǎn)地大米的PCA得分圖Fig. 1 PCA score plot for discrimination of rice from different geographical origins

2.4 與產(chǎn)地直接相關(guān)元素的判別分析

通過PCA知，篩選到的18 種元素可用于大米產(chǎn)地鑒別，但尚不能定量判別，因此，引入18 種元素進(jìn)行Fisher判別，并采用交叉驗(yàn)證模式，得到3 個產(chǎn)地的分類識別的函數(shù)系數(shù)和分類結(jié)果見表8～9。分類結(jié)果表明，利用篩選元素建立的模型對3 個產(chǎn)地的判別正確率均為100%，交叉驗(yàn)證率為100%。說明這些元素組成的模型可對樣本實(shí)現(xiàn)正確鑒別。利用判別函數(shù)得分作圖，得到不同產(chǎn)地大米的分布圖，如圖2所示，3 個產(chǎn)地的樣品被完全區(qū)分，并分別聚集于不同位置，且產(chǎn)地間有一定空間范圍，說明篩選的與產(chǎn)地相關(guān)的元素準(zhǔn)確有效。

表8 不同產(chǎn)地大米判別函數(shù)模型系數(shù)Table 8 Discriminant function model coefficients for rice from different geographical origins

圖2 不同產(chǎn)地大米的判別函數(shù)得分圖Fig. 2 Discriminant function score plot for discrimination of rice from different geographical origins

表9 不同產(chǎn)地大米的分類結(jié)果Table 9 Results of classification of rice from different geographical origins

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)得出不同產(chǎn)地、品種、年份樣品的礦物元素含量，綜合分析品種、年份與產(chǎn)地及其交互作用對試驗(yàn)田樣品礦物元素含量影響，采用方差分析篩選出Ca、Cr、Mn、Zn、As、Rb、Sr、Ag、Cd、Sb、Ba、La、Sm、Dy、Ho、Er、Pb、U共18 種與產(chǎn)地直接相關(guān)的元素，對篩選到的元素進(jìn)行PCA，能較好區(qū)分不同產(chǎn)地樣品，因此篩選到元素涵蓋的產(chǎn)地信息可用于大米的產(chǎn)地鑒別。進(jìn)一步采用Fisher判別分析，判別正確率均為100%，交叉驗(yàn)證率為100%，利用判別函數(shù)得分作圖，可以看出，3 個產(chǎn)地的樣品被完全區(qū)分，說明篩選的與產(chǎn)地相關(guān)的元素準(zhǔn)確有效。因此，篩選特征礦物元素以判別大米產(chǎn)地的技術(shù)可行。綜上所述，大米中礦物元素含量受品種、年份和產(chǎn)地的影響較大，因此對這3 種主要影響因素進(jìn)行因素分析，篩選出大米中的特征礦物元素，可為大米產(chǎn)地溯源數(shù)據(jù)庫的建立提供參考。另外，研究品種、年份、產(chǎn)地對大米中礦物元素指紋信息的影響變異貢獻(xiàn)率，對篩選與產(chǎn)地直接相關(guān)的有效溯源指標(biāo)是必要的。礦物元素是生物體的基本組成成分，其自身體內(nèi)不能合成，需從周圍環(huán)境中攝取。本實(shí)驗(yàn)采用種植試驗(yàn)田方式，統(tǒng)一農(nóng)事管理（施肥、噴藥等），降低人為因素對樣品礦物元素的影響，長期的野外實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。