超聲浸提結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜同時(shí)測(cè)定青稞中7種礦質(zhì)元素

陳佳悅 李春梅 范 蓓 王麗麗 鄭佳歡 崔 瑩 劉貴巧 王鳳忠

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

青稞（Highland barley）直屬大麥，因具有耐寒、耐瘠薄、生長(zhǎng)期短、適應(yīng)性廣等特性[1]，成為青藏高原主要的農(nóng)作物之一，也是青藏地區(qū)人民主要的食物來(lái)源。青稞也同時(shí)應(yīng)用于食品、藥品、飼料、釀造等方面，富有“三高兩低”（高蛋白、高纖維、高維生素和低脂肪、低糖）的美譽(yù)，是谷類(lèi)作物中的佳品[2～3]。 另外， 青稞富含鐵 （Fe）、 鎂（Mg）、鉀（K）等多種礦質(zhì)元素，它們直接或間接參與機(jī)體正常的生理代謝功能，如鐵增強(qiáng)血紅蛋白與氧結(jié)合的能力；鎂激活多種酶反應(yīng)；鉀維持細(xì)胞滲透壓平衡等[4～6]。然而，有關(guān)青稞組成成分分析目前主要集中于蛋白質(zhì)、脂肪等理化品質(zhì)的研究，對(duì)礦質(zhì)元素組成與含量分析的報(bào)道甚少[7～8]。而因礦質(zhì)元素缺乏導(dǎo)致的隱形饑餓已成為威脅我國(guó)國(guó)民健康的重要因素[9]。因此，對(duì)青稞中礦質(zhì)元素組成及含量開(kāi)展分析檢測(cè)具有重要意義。

目前，測(cè)定礦質(zhì)元素的儀器方法主要有原子吸收分光光度法、分光光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）等，其中ICP-MS方法因具有檢出限低、動(dòng)態(tài)線(xiàn)性范圍寬、可同時(shí)檢測(cè)多元素等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)普遍采用的礦質(zhì)元素測(cè)定方法[10～14]。樣品前處理方法通常采用微波消解、干法消解、濕法消解等，然而，干法消解需要超高溫將樣品完全碳化，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)且可能造成礦質(zhì)元素流失[15]；微波消解雖然速度較快耗時(shí)短，全程密閉環(huán)境受干擾較小，但需要用到微波消解密閉罐，價(jià)格較為昂貴[16]；濕法消解是在加熱板上進(jìn)行消解，可以同時(shí)處理大批量樣品，但是消解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重[17]。因此，有必要建立一種更為簡(jiǎn)便快速的青稞中礦質(zhì)元素測(cè)定的樣品前處理方法。

超聲提取技術(shù)是一種使用簡(jiǎn)單、提取效率高的樣品提取技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于植物中天然產(chǎn)物及食品和環(huán)境中污染物的提取和分析[18～22]。因此，本研究以青稞為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化超聲提取時(shí)間、溫度、提取劑用量等因素，去除青稞基質(zhì)干擾，建立同時(shí)測(cè)定青稞中7種礦質(zhì)元素的超聲浸提結(jié)合ICP-MS分析方法，并對(duì)不同產(chǎn)區(qū)和不同品種青稞中的礦質(zhì)元素含量進(jìn)行分析，以期為青稞中礦質(zhì)元素的分析提供有效的技術(shù)支撐。

一、材料與方法

（一）材料與試劑青稞由青海省農(nóng)林科學(xué)院提供。鈣 （Ca）、鎂、鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液 （10 000 μg/mL，北京有色金屬研究院）；鋅 （Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（1 000 μg/mL，北京有色金屬研究院）；濃硝酸（優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；濃鹽酸（優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；72Ge內(nèi)標(biāo)溶液（500 μg/L，北京有色金屬研究院）。

（二）儀器與設(shè)備Agilent Technologies 7700 Series電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)安捷倫公司）；HEAL FORCE NW臺(tái)式超純水制備儀（香港力康生物醫(yī)療科技控股集團(tuán)）；GZX-9030 MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)）；KQ 5200 DV超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；FW 80高速萬(wàn)能粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

1.樣品制備。稱(chēng)量50 g青稞，在烘箱內(nèi)60℃烘干24 h。將干燥的樣品用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎均勻，過(guò)100目篩，收集篩過(guò)物（青稞粉），并再次研磨篩余物，重復(fù)上述操作直至篩過(guò)物中無(wú)明顯的青稞粒。收集青稞粉，將所有樣品儲(chǔ)存在-20℃冰箱中。

2.樣品前處理。稱(chēng)取青稞粉末樣品0.2 g（精確至0.000 1 g）于離心管中，加入9 mL濃硝酸-濃鹽酸（2∶1，V/V），在超聲浴中（最大功率40 kHz）70℃超 聲15 min，以4 500 r/min離 心10 min，過(guò)0.22 μm的水系濾膜。取1 mL濾液加入超純水定容至50 mL，每組3個(gè)平行，上機(jī)測(cè)定。

3.ICP-MS條件。本研究采用安捷倫7700型ICP-MS儀器進(jìn)行礦質(zhì)元素含量測(cè)定，用1 μg/mL的調(diào)諧液進(jìn)行調(diào)諧，根據(jù)GB 5009.268-2016標(biāo)準(zhǔn)稍作調(diào)整，儀器操作條件詳見(jiàn)表1。

表1 ICP-MS儀器操作條件

4.統(tǒng)計(jì)分析。本研究采用SPSS 26.0進(jìn)行單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析，采用Origin 2019軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和畫(huà)圖分析。

二、結(jié)果與分析

（一）前處理方法優(yōu)化

1.超聲時(shí)間的選擇。按照上文“（三）實(shí)驗(yàn)方法”，其他條件不變，分別比較了不同超聲時(shí)間（15、20、25、30 min）對(duì)青稞中7種礦質(zhì)元素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨著超聲時(shí)間的增加，除Fe元素外，其余6種礦質(zhì)元素的提取率無(wú)顯著差異（P＞0.05），F(xiàn)e元素的提取率在15 min時(shí)達(dá)到了最大值?？紤]到分析時(shí)間和提取率，進(jìn)一步比較了超聲5 min和10 min的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間過(guò)短，浸提液會(huì)析出，表明未完全消解，因此，最終選擇超聲提取時(shí)間為15 min。

圖1 超聲時(shí)間對(duì)礦質(zhì)元素提取率的影響

2.超聲溫度的選擇。按照上文“（三）實(shí)驗(yàn)方法”，其他條件不變，考察不同超聲溫度（50、60、70、80℃）對(duì)青稞中7種礦質(zhì)元素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著超聲溫度的升高，7種礦質(zhì)元素的提取率均有所升高，其中Fe和Zn元素的提取率顯著升高（P＜0.05），這可能是由于在較高溫度下，超聲波的空化作用增大了青稞中礦質(zhì)元素進(jìn)入提取溶劑的速度[23]。當(dāng)超聲浴溫度為70℃時(shí)，除Fe元素外，其余6種元素的提取率均達(dá)到了最大值，因此，最終選擇超聲溫度為70℃。

圖2 超聲溫度對(duì)礦質(zhì)元素提取率的影響

3.提取劑用量的選擇。目前，礦質(zhì)元素提取常用的提取劑為濃硝酸、濃鹽酸、雙氧水等以及它們的混合液。顧佳麗等[24]通過(guò)比較不同提取劑對(duì)礦質(zhì)元素提取率的影響，發(fā)現(xiàn)單一硝酸對(duì)元素的提取率較低，而硝酸-鹽酸和硝酸-鹽酸-雙氧水混合液對(duì)元素的提取率基本一致。因此，本研究選擇較為簡(jiǎn)單的硝酸-鹽酸混合液作為提取劑，并在此基礎(chǔ)上對(duì)提取劑體積進(jìn)行優(yōu)化。按照上文“（三）實(shí)驗(yàn)方法”，其他條件不變，考察由濃硝酸-濃鹽酸（2∶1，V/V）配制的提取劑在不同體積（5、6、7、8、9 mL）下對(duì)青稞中7種礦質(zhì)元素提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著提取劑體積的增加，7種礦質(zhì)元素的提取率呈現(xiàn)先升高后降低再升高趨勢(shì)，且當(dāng)提取劑體積為9 mL時(shí)，7種礦質(zhì)元素的提取率顯著升高（P＜0.05），達(dá)到了最大值。因此，最終選擇提取劑體積為9 mL。

圖3 提取劑用量對(duì)礦質(zhì)元素提取率的影響

（二）方法學(xué)評(píng)價(jià)

1.線(xiàn)性范圍和檢出限。將7種礦質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液用5%硝酸溶液逐級(jí)稀釋為系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照儀器工作條件，由低到高依次測(cè)試各混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)并計(jì)算出回歸方程及相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在線(xiàn)性范圍內(nèi)，7種礦質(zhì)元素的線(xiàn)性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)為0.999 2～0.999 9。對(duì)空白溶液進(jìn)行11次平行測(cè)定，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值除以標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)斜率計(jì)算各元素的檢出限。結(jié)果顯示，Ca元素的檢出限為140 μg/kg，Mg、K、Mn、Fe、Cu、Zn 6種礦質(zhì)元素的檢出限在0.01～3.21 μg/kg之間（見(jiàn)表2），均顯著低于GB 5009.268-2016中ICPMS方法檢出限，說(shuō)明該方法可以滿(mǎn)足我國(guó)青稞中7種礦質(zhì)元素的檢測(cè)要求。

表2 各元素線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.方法準(zhǔn)確度和精密度。采用加標(biāo)回收率試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度和精密度。在青稞樣品中分別添加3個(gè)不同濃度水平的7種礦質(zhì)元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，每個(gè)水平重復(fù)3次，按照優(yōu)化后的方法對(duì)樣品進(jìn)行提取并檢測(cè)，得到各添加水平下的平均回收率為84.2%～115.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.76%～6.22%，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 青稞樣品中7種礦質(zhì)元素加標(biāo)回收率試驗(yàn)結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用大米標(biāo)物對(duì)方法的準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4得出，本研究所建立的超聲浸提法對(duì)礦質(zhì)元素的測(cè)定值與標(biāo)物參考值無(wú)顯著差異，均在大米標(biāo)物礦質(zhì)元素的誤差范圍內(nèi)，且與GB 5009.268-2016濕法消解結(jié)果基本一致，表明方法具有準(zhǔn)確性。

表4 大米標(biāo)物中7種礦質(zhì)元素參考值及其測(cè)定值比較 （mg/kg）

3.實(shí)際樣品分析。采用本研究所建立的方法，分別對(duì)不同產(chǎn)區(qū)和不同品種的青稞樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，8個(gè)青稞樣品中K含量最高，為4 077～5 717 mg/kg，該結(jié)果與已有文獻(xiàn)報(bào)道的青稞中富含K元素的結(jié)果一致[25～26]。相比其他主要食用谷物，青稞中K含量相當(dāng)于玉米中的3.3倍[27]。在8個(gè)青稞樣品中，含量其次高的礦質(zhì)元素是Mg、Ca和Fe元素，其含量分別為881～1 641、321～1 374、60.9～393 mg/kg，其中Mg元素是人體必需的微量元素，它對(duì)心臟血管起著重要的保護(hù)作用，其在青稞中的含量約是水稻中的6倍[28]；Fe元素是人體運(yùn)送氧和利用氧的核心物質(zhì)，它在人體內(nèi)主要參與氧的轉(zhuǎn)運(yùn)、交換和組織呼吸過(guò)程[29]，其在青稞中的含量約是糙米中的2倍[30]。Zn（45.0～73.1 mg/kg）、Cu（2.30～6.01 mg/kg）和Mn（12.5～24.1 mg/kg）元素在青稞樣品中的含量相對(duì)較低，但是與其他谷物相比，青稞中Mn含量約是小麥中的4倍[27]。

表5 不同產(chǎn)區(qū)和不同品種青稞樣品中7種礦質(zhì)元素含量測(cè)定結(jié)果 （mg/kg）

由表5可見(jiàn)，不同產(chǎn)地的青稞中7種礦質(zhì)元素含量存在一定差異，如西寧昆侖14號(hào)青稞中Ca、Fe含量相對(duì)較高，分別是門(mén)源昆侖14號(hào)青稞的1.6倍多和2倍多；海南柴青1號(hào)青稞中Zn含量為海西柴青1號(hào)青稞的1.5倍多。不同產(chǎn)地青稞間礦質(zhì)元素的含量差異可能與種植環(huán)境不同有關(guān)，以門(mén)源和西寧為例，門(mén)源地理環(huán)境惡劣[31～32]，而西寧日照充足且擁有豐富的Fe、Ca等礦質(zhì)資源[33～34]。同時(shí)，由表5還可以得出，不同品種的青稞中7種礦質(zhì)元素含量亦存在一定差異，如北青9號(hào)青稞中Mg、K、Ca元素含量較其他品種相對(duì)較高；柴青1號(hào)、昆侖15號(hào)青稞中Fe含量相對(duì)較低；昆侖18號(hào)青稞中K含量相對(duì)較低。

三、結(jié)論

本研究建立了超聲浸提結(jié)合ICP-MS測(cè)定青稞中7種礦質(zhì)元素的檢測(cè)方法，優(yōu)化了樣品前處理方法，縮短了提取時(shí)間，減少了溶劑用量，提高了工作效率，研究結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)便快速、重現(xiàn)性好、靈敏度高，適用于青稞中7種礦質(zhì)元素的同時(shí)測(cè)定。且該方法成功應(yīng)用于青稞實(shí)際樣品分析，結(jié)果顯示，青稞中含有豐富的礦質(zhì)元素，其中K、Mg、Ca和Fe元素含量較高，K、Mg、Fe含量是一般糧谷類(lèi)食物的2～6倍。