ICP-MS用于云南南部四種特色蜂蜜的植物源鑒別分析

魏 月, 陳 芳, 王 勇，陳蘭珍，張學(xué)文，王艷輝，吳黎明*，周 群

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所，北京 100093 2. 農(nóng)業(yè)部蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，北京 100093 3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650231 4. 清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084

ICP-MS用于云南南部四種特色蜂蜜的植物源鑒別分析

魏 月1, 2, 陳 芳1, 2, 王 勇1, 2，陳蘭珍1, 2，張學(xué)文3，王艷輝3，吳黎明1, 2*，周 群4*

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所，北京 100093 2. 農(nóng)業(yè)部蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，北京 100093 3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650231 4. 清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析技術(shù)對(duì)采自云南南部的四種特色蜂蜜中的23種礦物元素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：ICP-MS技術(shù)測(cè)定蜂蜜中多種礦物元素含量的穩(wěn)定性、精確度較好，回收率較高；23種礦物元素中有21種元素(Na，Mg，K，Ca，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Sr，Mo，Cd，Sb，Ba，Tl，Pb)在不同蜂蜜品種間存在顯著差異；主成分分析結(jié)果顯示，前4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到77.74%，第一主成分中的Mg，Ca，Mn，Co，Sr，Cd，Ba 七種元素包含大部分蜂蜜信息；通過(guò)逐步判別分析，Mg, K, Ca, Cr, Mn, Sr, Pb共七種元素被篩選出來(lái)并用于建立判別函數(shù)模型，對(duì)所建模型進(jìn)行回代檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)，正確判別率分別為90%和86.7%，表明多元素指標(biāo)對(duì)云南南部四種特色蜂蜜植物源的判別效果較好。鑒于所采蜂蜜樣品都來(lái)自云南南部，氣候和土壤等環(huán)境條件類似，四種蜂蜜中礦質(zhì)元素的差異主要與對(duì)應(yīng)的蜜源植物有關(guān)，因此，利用礦質(zhì)元素差異鑒別蜂蜜植物源具有可行性。

云南；蜂蜜；植物源；ICP-MS；化學(xué)計(jì)量學(xué)

引 言

蜂蜜是蜜蜂采集植物的花蜜、分泌物或蜜露與自身分泌物結(jié)合后，經(jīng)充分釀造而成的天然甜物質(zhì)[1]，其主要成分包括葡萄糖、果糖、水分，還包括氨基酸、維生素等多種活性物質(zhì)及多種礦物質(zhì)等[2]。蜂蜜中含有Fe，Cu，K，Na，Ca，Mg，Mn，Al，Si，Cr，Pt，Ni等多種微量元素，其重要來(lái)源是植物的花蜜，因此蜂蜜中元素含量很可能反映出相應(yīng)蜜源植物或者地理環(huán)境的信息。隨著原產(chǎn)地保護(hù)、地理標(biāo)識(shí)和傳統(tǒng)特色保護(hù)制度的完善以及名牌蜂蜜戰(zhàn)略的建立，蜂蜜植物源溯源技術(shù)和地理來(lái)源溯源技術(shù)發(fā)揮著同等并且重要的作用。因此，研究礦質(zhì)元素是否與蜂蜜植物源具有相關(guān)性具有積極的意義。

常見(jiàn)的微量元素分析方法包括火焰原子吸收光譜(FAAS)[3-5]、石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)[6-7]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)[8-10]和電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)[11-13]等。目前，ICP-MS因其在測(cè)量蜂蜜中痕量元素含量方面具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性而被廣泛應(yīng)用[14]，ICP-MS不僅具有可以同時(shí)分析幾十種礦物元素、檢出限低、線性范圍寬等特點(diǎn)，還能提供更簡(jiǎn)單的光譜信息和同位素信息[15]。

本研究采用濕法消解-ICP-MS技術(shù)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法中的單因素方差分析、主成分分析和判別分析方法，分析了采自云南南部的四種特色蜜種，包括紅河苕子蜜、蒙自石榴蜜、景洪橡膠蜜和普洱咖啡蜜共60個(gè)蜂蜜樣品中23種礦物元素的種類和含量特征?？紤]到環(huán)境因素(土壤、水質(zhì)等)也會(huì)使蜂蜜中礦質(zhì)元素種類和含量產(chǎn)生差異，本實(shí)驗(yàn)樣品采集過(guò)程中盡量選擇具有類似環(huán)境條件的蜂場(chǎng)取樣，減少環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)的影響。研究結(jié)果不僅對(duì)判別云南地區(qū)特種蜂蜜植物源和地理標(biāo)志產(chǎn)品特性分析具有重大意義，還將為其他蜂蜜的植物源鑒別提供技術(shù)支持及理論依據(jù)，為打擊蜂蜜以次充好、保護(hù)貿(mào)易公平提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子質(zhì)譜儀：美國(guó)Agilent 7500cx ICP-MS，微流霧化器，鎳采樣錐和截取錐；石墨消解儀；Milli-Q 超純水系統(tǒng)(美國(guó)，Milestone公司)。

實(shí)驗(yàn)所用有機(jī)試劑均為優(yōu)級(jí)純，實(shí)驗(yàn)用水均為超純水：硝酸(德國(guó)，Sigma-aldrich)；超純水(11.8 MΩ·cm)。

內(nèi)標(biāo)溶液：Se(c=1 000 mg·L-1)，Ge(c=1 000 mg·L-1)，Rh(c=1 000 mg·L-1)，Zn(c=1 000 mg·L-1)，Tb(c=1 000 mg·L-1)，Bi(c=1 000 mg·L-1)，Re(c=1 000 mg·L-1)；用5% HNO3配制成1 mg·L-1的混合內(nèi)標(biāo)溶液。

元素單標(biāo)：Na(c=1 000 mg·L-1)，Mg(c=1 000 mg·L-1)，K(c=1 000 mg·L-1)，Ca(c=1 000 mg·L-1)，Cr(c=1 000 mg·L-1)，Pb(c=1 000 mg·L-1)。調(diào)諧液：Li, Mg, Y, Ce, TL, Co(c=1 μg·L-1)，Agilent公司。

1.2 樣品處理

準(zhǔn)確稱量蜂蜜樣品1.0 000 g，置于50 mL聚四氟乙烯消化管中，加入優(yōu)級(jí)純硝酸10 mL，隨同試樣做試劑空白、平行樣，放置過(guò)夜。次日，將其放入石墨消解儀中，設(shè)置初始溫度為70 ℃，保持30 min，20 min升至160 ℃，保持2 h，然后10 min升至200 ℃，開(kāi)始排酸。保持較長(zhǎng)的中高溫區(qū)消解時(shí)間是為了徹底分解蜂蜜。

在消解的過(guò)程中，為使樣品消解均勻，經(jīng)常移動(dòng)消化管的位置。當(dāng)消化管中的液體僅剩約1 mL時(shí)，取出溶樣管，自然冷卻至室溫，用超純水定容到50 mL。過(guò)孔徑為0.22 μm PES聚醚砜膜后，上機(jī)分析。

1.3 儀器工作參數(shù)

儀器工作參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 21.0軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、多重比較分析、主成分分析和判別分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的消解

測(cè)定蜂蜜中微量元素首先必須對(duì)樣品進(jìn)行消解，常用消解方法包括濕法消解法、高溫灰化法和微波消解法。其中濕法消解相對(duì)于其他兩種方法更適合于大批量樣品的處理，平行樣品之間結(jié)果穩(wěn)定，能避免因溫度過(guò)高(如高溫灰化法)而造成的樣品中揮發(fā)性元素的損失。因此，本試驗(yàn)采用濕法消解技術(shù)處理蜂蜜樣品。又因?yàn)榉涿鄣闹饕煞质翘穷悾?jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅用10 mL的硝酸體系就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂蜜的完全消解。

2.2 工作曲線和檢出限

用2% HNO3介質(zhì)配制0.05，0.1，0.5，1.0，5.0，10.0 μg·mL-1不同濃度梯度的混合元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，以2%HNO3作為空白試劑并建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，用各待測(cè)元素與內(nèi)標(biāo)元素計(jì)數(shù)值的比值與各元素濃度進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果表明，各待測(cè)元素線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)均不低于0.993 8(表2)。在此試驗(yàn)條件下，對(duì)試劑空白溶液進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍所對(duì)應(yīng)的元素濃度值即為方法檢出限，各待測(cè)元素的檢出限同見(jiàn)表2。

Table 1 Operating conditions of ICP-MS and data acquisition parameters

Table 2 Relative parameters of standard curve and the limits of detection

續(xù)表2

Sr0.0～10.0Y=3.970X+8.545×10-10.99990.018Mo0.0～10.0Y=1.376X+3.818×10-10.99980.495Ag0.0～10.0Y=1.256×102X+1.814×100.99380.001Cd0.0～10.0Y=3.915X+4.857×10-21.00000.001Sb0.0～10.0Y=3.362X+1.361×1021.00000.051Ba0.0～10.0Y=1.662X+4.928×10-11.00000.238Tl0.0～10.0Y=1.102×10X+2.288×10-10.99990.001Pb0.0～10.0Y=7.535X+2.5070.99990.064U0.0～10.0Y=3.338×10X+1.0961.00000.081

2.3 方法的穩(wěn)定性和精密度

選擇具有代表性的Na，Mg，K，Ca 四種元素和Cr和Pb兩種微量元素進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。Na, Mg, K, Ca的加標(biāo)濃度10.0和50.0 μg·mL-1，Cr和Pb的加標(biāo)濃度50.0和100.0 ng·mL-1，每個(gè)加標(biāo)濃度做六個(gè)平行。測(cè)得樣品的加標(biāo)回收率在94.6%～103.0%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.9%～3.2%之間，結(jié)果表明本試驗(yàn)方法的穩(wěn)定性和精密度較好(表3)。

Table 3 Standard addition recoveries and relative standard deviation of the sample(n=6)

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 不同品種云南蜂蜜元素含量差異分析

分別測(cè)定采自云南南部的四種特色蜜種，苕子蜜、石榴蜜、橡膠蜜和咖啡蜜各15個(gè)樣品的23種元素含量，并進(jìn)行方差分析，結(jié)果列于表4。方差分析結(jié)果表明，在不同蜂蜜品種間，Na，Mg，Ca，K，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Sr，Cd，Sb，Ba，Tl，Pb共20種元素含量差異極顯著(p<0.01), Mo元素含量差異顯著(p<0.05)，Ag和U兩種元素含量差異不顯著(p>0.05)；多重比較結(jié)果表明：四種蜂蜜中，除Na，Mg，Ca，K，F(xiàn)e五種元素的平均含量較高之外，微量元素Cr，Mn，Ni，Cu，Zn，Ba等元素的平均含量也相對(duì)較高。其中苕子蜜中Na，Ni，Zn，As，Mo的平均含量顯著高于其他三個(gè)蜜種；橡膠蜜和咖啡蜜中K，Mg，Ba的平均含量較高，而橡膠蜜的Mn和Sr平均含量也相對(duì)較高；石榴蜜中除Pb和Sb的平均含量較高之外，其他元素含量均處于相對(duì)較低或中等水平。由此可見(jiàn)，同一地區(qū)不同植物源蜂蜜間元素含量具有各自的特征。

Table 4 21 elements of content of four kinds of honey in Yunnan province

續(xù)表3

蜂蜜品種CoNiCuZn苕子蜜3.47Bb±0.7796.14Aa±90.66127.65ABb±54.542221.77Aa±525.30石榴蜜1.69Cc±1.1224.07ABb±23.15101.56Bb±24.191507.57ABab±1015.34橡膠蜜11.27Aa±2.4114.03ABbc±24.8981.44Bb±86.81872.82Bb±306.15咖啡蜜10.22Aa±1.571.69Bc±3.56213.28Aa±94.09892.87Bb±442.94蜂蜜品種AsSeSrMo苕子蜜40.15Aa±17.612.09Bb±2.8611.76Bb±1.3829.45Aa±13.36石榴蜜32.12ABac±26.574.50ABa±2.243.44Cc±2.2223.38ABab±27.23橡膠蜜10.03Bb±14.834.24ABab±3.5248.60Aa±23.837.12Bb±8.68咖啡蜜14.58Bbc±20.976.31Aa±3.1417.06BCbc±23.6720.87ABab±19.10蜂蜜品種CdSbBaTlPb苕子蜜0.00Cc±0.002.61ACb±0.8950.08Ac±16.050.40Aa±0.2126.65Bb±8.81石榴蜜0.70Bb±0.674.83Aa±2.5621.59Bb±24.830.13ABb±0.2340.29Aa±18.57橡膠蜜2.69Aa±1.431.92BCbc±1.49106.42Aa±69.800.00Bb±0.0012.16Cc±7.80咖啡蜜1.09ABCbc±1.581.26Bc±0.6290.41Aac±66.400.00Bb±0.0010.08Cc±10.46

注：表格中的數(shù)值表示形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；Na，Mg，K，Ca，F(xiàn)e的單位是μg·g-1，其他元素的單位是ng·g-1；右上角標(biāo)注的大寫(xiě)字母表示差異極顯著(p<0.01)，小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.4.2 不同品種蜂蜜差異元素的主成分分析

對(duì)四種特色蜂蜜品種間存在顯著差異的21種元素進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，前4個(gè)因子特征值大于1，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到77.74%，說(shuō)明前4個(gè)公因子基本包含了全部變量的主要信息(表5)。在表5中，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后大于0.5的數(shù)表示在第一主成分上Mg，Ca，Mn，Co，Sr，Cd，Ba這七種元素具有較高載荷，說(shuō)明第一主成分基本反映了這些元素的信息，方差貢獻(xiàn)率占30.53%；同理，第二主成分主要綜合了Na，V，Cr，Zn，As，Mo，Tl，Pb八種元素的信息，方差貢獻(xiàn)率是23.78%；第三主成分主要綜合了K, Fe, Cu,三種元素含量的信息，方差貢獻(xiàn)率占13.90%；第五主成分主要綜合了K和Se元素含量的信息，方差貢獻(xiàn)率占9.52%。由此可見(jiàn)，Na, V, Cr, Zn, As, Mo, Tl, Pb, K, Fe, Cu, Se12種元素綜合了云南南部地區(qū)苕子蜜、石榴蜜、橡膠蜜和咖啡蜜中特征元素的主要信息，說(shuō)明利用ICP-MS多元素分析技術(shù)對(duì)蜂蜜品種進(jìn)行溯源是有可能實(shí)現(xiàn)的。

Table 5 Loading value and cumulative contribution of variance for the four principal components

2.4.3 依據(jù)蜂蜜元素含量對(duì)其品種的判別分析

為進(jìn)一步分析蜂蜜中元素特征和蜂蜜品種之間的相關(guān)性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)21種含量差異顯著的元素進(jìn)行了逐步判別分析，篩選出對(duì)蜂蜜品種判別有效的變量，建立數(shù)學(xué)判別模型。分析結(jié)果表明，Mg，K，Ca，Cr，Mn，Sr，Pb七種元素被篩選出來(lái)并用于建立判別函數(shù)模型。其線性判別方程系數(shù)見(jiàn)表6。

Table 6 Fisher’s linear discriminant functions coefficients

用所建立的模型進(jìn)行回代檢驗(yàn)和交叉驗(yàn)證，其判別結(jié)果見(jiàn)表7。回代檢驗(yàn)結(jié)果表明，60個(gè)蜂蜜樣品有品種6個(gè)被判錯(cuò)，整體的正確判別率為90%。交互判別中有8個(gè)被判錯(cuò)，整體判別正確率為86.7%，表明多種元素含量對(duì)蜂蜜品種的判別有較好的判別效果。圖1是典型判別函數(shù)的散點(diǎn)圖，從該圖可以直觀的看出，不同品種的蜂蜜中元素的分布具有隨品種集中的趨勢(shì)，并且，苕子和石榴兩種蜂蜜可以被完全地區(qū)別開(kāi)，而橡膠蜜和石榴蜜組的質(zhì)心距離很近，因此導(dǎo)致判別率偏低。

Table 7 Classification results of discrimination analysis

Fig.1 Canonical discriminant function score plot

3 結(jié) 論

建立了利用濕法消解-ICP-MS分析蜂蜜中的23種礦物元素含量的方法，方法的穩(wěn)定性和精密度良好，回收率較高。結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析了云南南部四種特色蜂蜜的礦物質(zhì)特征與植物來(lái)源的相關(guān)性，方差結(jié)果表明，不同植物源蜂蜜的Na，Mg，K，Ca，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Sr，Mo，Cd，Sb，Ba，Tl，Pb 21種礦物元素含量差異顯著。對(duì)存在顯著差異的21種元素進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)前4個(gè)主成份的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到77.74%，第一主成份中的Mg，Ca，Mn，Co，Sr，Cd，Ba七種元素特征包含大部分蜂蜜信息，是對(duì)蜂蜜植物源最好的預(yù)測(cè)。采用逐步判別分析法進(jìn)一步分析表明，Mg，K，Ca，Cr，Mn，Sr，Pb七種元素被篩選出來(lái)并用于建立判別函數(shù)模型，對(duì)所建模型進(jìn)行回代檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)，正確判別率分別為90%和86.7%，表明多種元素指標(biāo)對(duì)蜂蜜植物源的判別效果較好。

由于本試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮并盡量減少了環(huán)境因素對(duì)蜂蜜中礦質(zhì)元素種類和含量的影響，試驗(yàn)結(jié)果中礦質(zhì)元素差異更大程度上是因蜂蜜植物源差異引起的。因此，研究結(jié)果不僅對(duì)判別云南地區(qū)特種蜂蜜植物源和具有云南特色地理標(biāo)志產(chǎn)品的特性分析具有重大意義，還將為其他蜂蜜的植物源鑒別提供技術(shù)支持及理論依據(jù)，為打擊蜂蜜以次充好、保護(hù)貿(mào)易公平提供技術(shù)支撐。

[1] The State Standard of the People’s Republic of China—Honey GB14963—2011(中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)—蜂蜜 GB14963—2011). Beijing: China Standard Press(北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社)，2011. 1.

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*Corresponding authors

Application of ICP-MS to Identify the Botanic Source of Characteristic Honey in South Yunnan

WEI Yue1, 2, CHEN Fang1, 2, WANG Yong1, 2, CHEN Lan-zhen1, 2, ZHANG Xue-wen3, WANG Yan-hui3, WU Li-ming1, 2*, ZHOU Qun4*

1. Institute of Apiculture Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100093, China

2. Risk Assessment Laboratory for Bee Products Quality and Safety of Ministry of Agriculture (Beijing), Beijing 100093, China

3. Yunnan Province Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650231, China

4. Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China

By adopting inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) combined with chemometric analysis technology, 23 kinds of minerals in four kinds of characteristic honey derived from Yunnan province were analyzed. The result showed that 21 kinds of mineral elements, namely Na, Mg, K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Cd, Sb, Ba, Tl and Pb, have significant differences among different varieties of honey. The results of principal component analysis (PCA) showed that the cumulative variance contribution rate of the first four main components reached 77.74%, seven kinds of elements (Mg, Ca, Mn, Co, Sr, Cd, Ba) from the first main component contained most of the honey information. Through the stepwise discriminant analysis, seven kinds of elements (Mg, K, Ca, Cr, Mn, Sr, Pb) were filtered out and used to establish the discriminant function model, and the correct classification rates of the proposed model reached 90% and 86.7%, respectively, which showed elements contents could be effectively indicators to discriminate the four kinds characteristic honey in southern Yunnan Province. In view of all the honey samples were harvested from apiaries located at south Yunnan Province where have similar climate, soil and other environment conditions, the differences of the mineral elements contents for the honey samples mainly due to their corresponding nectariferous plant. Therefore, it is feasible to identify honey botanical source through the differences of mineral elements.

Yunnan; Honey; Botanical source; ICP-MS; Chemometric

Aug. 19, 2014; accepted Dec. 16, 2014)

2014-08-19，

2014-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31172274，31372385)，現(xiàn)代蜂產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS45)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(xiàng)項(xiàng)目(201203046)資助

魏 月，女，1989年生，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所碩士研究生 e-mail: weiyueyueyue@sina.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: apiswu@126.com; zhouqun@mail.tsinghua.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0262-06