ICP-MS测定小米中的22种元素及营养价值分析

贺丽霞,闫伟伟,梁 伟,狄 慧

(1.张家口市食品药品检验中心,河北 张家口 075000;2.张家口市宣化区人民医院,河北 张家口 075100)

谷子(SetariaitalicaL.),称为粟米,又叫粱,是世界上最古老的栽培农作物之一,起源于我国黄河流域,是中国古代的“五谷”之一。在北方称谷子,谷子脱壳为小米,小米是我国北方地区的居民最喜欢的主要粮食之一,其粒小,直径1 mm左右。小米中矿物质的含量约为2.5%～3.5%,如钠、钙、镁、磷、钾等。《中国食物成分表》显示,小米中钙、铁、镁、钾、锌等矿物质相较于小麦粉和稻米更加丰富[1-6]。

目前,食品中元素测定的方法有很多,例如原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)等。测定的标准方法主要采用国家标准方法,包括GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》、GB 5009.12—2017《食品安全国家标准 食品中铅的测定》、GB 5009.13—2017《食品安全国家标准 食品中铜的测定》、GB 5009.14—2017《食品安全国家标准 食品中锌的测定》、GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》、GB 5009.16—2014《食品安全国家标准 食品中锡的测定》、GB 5009.17—2021《食品安全国家标准 食品中总汞及有机汞的测定》、GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》等。AAS和AFS每次只能测定一种元素,且AFS只能测定具有荧光发射的元素,如砷、汞。ICP-OES实现了多元素同时测定,但是其灵敏度不能满足如镉、汞等部分元素的测定要求。ICP-MS不仅实现了多元素同时测定,而且还具备了分析效率高、检出限低、灵敏度高的优点[7-14]。

本研究采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法对市售的18种小米的22种元素进行测定,结合统计学分析,运用主成分分析-降维的方法,对测定的22种元素进行分析,对小米的营养价值作出客观评价。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

18批次小米分别购自于超市、农贸市场,其中计量称重4批次,其余均为预包装食品。

钾溶液、钠溶液、铝溶液、铁溶液、硒溶液、镍溶液、锌溶液、铜溶液(1 000 μg/mL),北京海岸鸿蒙标准物质技术有限责任公司;钙Ca、镁Mg、锡Sn、锑Sb、铊Tl、锶Sr、钒V、铬Cr、钴Co、钼Mo、硼B、钛Ti、锰Mn、钡Ba(1 000 μg/mL)标准溶液,国家有色金属及电子材料分析测试中心;1.00 μg/L(Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U)调谐溶液,美国Thermo Scientific;锗Ge、铟In、铋Bi、钪Sc(1 000 μg/mL)内标溶液,国家有色金属及电子材料分析测试中心;65%硝酸(分析级),德国默克股份两合公司。

ICP Q电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),美国Thermo Fisher Scientific公司;MARS 6微波消解仪,美国CEM公司;HK-UP-Ⅲ-20超纯水机,成都浩康科技有限公司;BS224S电子天平,北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1标准溶液的配制

混合标准溶液:将22种元素混合,配制成为含有K、Mg元素500 mg/L、Na、Ca、Al、Fe元素50 mg/L、Se、Sn、Sb、Tl元素50 μg/L、Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo元素500 μg/L、Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu元素5 mg/L的混标工作溶液。内标溶液:将混合内标溶液稀释,配制成分别含Bi浓度为20 ng/mL;Ge、In、Sc浓度为50 ng/mL的混合溶液,进行在线加入。

1.2.2样品前处理

将样品去除尘土、沙石等杂质,经高速粉碎机研磨,过4号筛后,混匀,取样0.5 g(精确到0.001 g)于微波消解罐中,加入5 mL浓硝酸,浸泡1 h后,将消解罐放入微波消解仪中,设定微波消解仪程序:第一步温度(120℃)爬升5 min,保持5 min;第二步温度(150℃)爬升5 min,保持10 min;第三步温度(190℃)爬升5 min,保持20 min;功率1 200 W。消解完成后,将消解罐放置赶酸器100℃赶酸1 h,用超纯水定容到50 mL。同步做空白实验。

1.2.3ICP-MS工作参数

分析模式为全定量分析,射频功率为1 550 W,氩气纯度大于99.999%,冷却气流速为14.000 L/min,辅助气流速0.800 L/min,雾化器流速1.200 L/min,蠕动泵转速40.0 r/min,采样深度8.0 mm,驻留时间0.02～0.03 s,重复扫描30次,重复测定3次,采用ICP-MS中STD模式、KED模式进行测定,碰撞气体为高纯氦气,流速5.0 mL/min。

1.2.4方法学验证

1.2.4.1标准工作曲线的绘制

在上述最佳仪器条件下,将K、Ca、Na、Mg、Zn、Fe、Se、Sr等22种元素标准溶液按照浓度从低到高依次在ICP-MS中进样,测定信号值,绘制标准曲线。

1.2.4.2稳定性和检出限

目标元素的标准曲线建立好后,便可以得到以下信息:①R:线性,可以看出仪器的稳定性;②a:Y轴截距,空白样品的响应值信号;③b:斜率,同位素灵敏度;④a/b:X轴截距,空白样品的背景等效浓度BEC(Background Equivalent Concentration);⑤LOD:检出限(Limit of Detection,3倍标准偏差)。

1.2.4.3重复性和回收率实验

为了验证实验结果的准确性,称取编号为Y6的样品加入混合标准物质,同样品处理和测定,进行加标回收实验,采用ICP-MS测定22种元素的含量,并计算其回收率。重复测定6次,计算其RSD,用于重复性评价。

1.2.4.4方法可靠性

为了验证方法的可靠性,称取编号为Y2的样品,与GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》结果进行对比,计算相对偏差,用于方法可靠性评价。

1.2.5样品的测定

将每种小米样品设置3个平行样,按照上述实验方法进行前处理,采用ICP-MS一次进样快速分析22种元素含量,最终结果为3次测定的平均值。

1.2.6营养元素分析

将测定元素分为常量元素和微量元素,微量元素又分为必需元素和非必需元素,通过有效主成分分析对小米的元素营养价值进行评价。

1.3 数据处理

本研究中实验设计3平行,数据以平均值表示,数据分析和绘图通过Excel 2017和PASW Statistics软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 测定模式的选择

ICP-MS的干扰主要分为质谱干扰和非质谱干扰两种。质谱干扰包括多原子离子干扰、同位素干扰、双电荷干扰等。非质谱的干扰主要来源于基体的复杂性。动能歧视消除模式(KED)利用产生干扰的分子离子具有更大的碰撞截面,碰撞气体与其碰撞频率更高,使之动能降低,而目标物仍然保持较高的动能,顺利进入四极杆,它能消除大部分的原子离子干扰。内标法能有效地克服基体效应的影响[15-16]。本实验通过普通模式(STD)与动能歧视消除模式(KED)的对比,考察了22种待测元素的背景等效浓度(BEC)和最低检测质量浓度(LOD),并采用Sc、Ge、In、Bi作为内标元素,以克服基体带来的干扰。结果见表1。

表1 不同检测模式下各待测元素的背景等效浓度(BEC)和最低检测质量浓度(LOD)

从表1可见,开启碰撞反应模式(KED)对24Mg、44Ca、48Ti、51V、52Cr、57Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、77Se、95Mo、118Sn、121Sb的14种待测元素的BEC和LOD都有明显的改善,且待测元素的BEC变异系数在0.26%～1.39%,LOD变异系数在0.10%～1.34%,均达到中等变异程度之上;11B、27Al在STD模式下,BEC和LOD的效果更好,11B的BEC变异系数为1.41%,LOD变异系数为1.41%,已达到强变异,27Al的BEC变异系数为0.77%,LOD变异系数为0.99%,已接近强变异;而对于23Na、39K、55Mn、88Sr、137Ba这5种元素,在KED模式下BEC有所改善,但是LOD在STD模式下更具有优势;对于205Tl元素来说,STD模式和KED模式没有特别显著的区别。综上所述,本研究中除B、Al选择STD模式测定外,Na、K、Sr、Ba、Tl两种模式都可以选择,其余元素均选择KED模式测定。

2.2 方法学考察

2.2.1标准曲线及最低检测质量浓度(LOD)

将混合标准工作溶液进行逐级稀释,配制成K、Mg浓度为0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 mg/L;Na、Ca、Al、Fe浓度为0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 mg/L;Se、Sn、Sb、Tl浓度为0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 μg/L;Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo浓度为0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L;Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu浓度为0.0、10.0、50.0、100.0、300.0、500.0 μg/L。用Y字三通对22种元素标准混合溶液和内标溶液同时用ICP-MS进行测定,通过内标矫正,以测定强度值(Y)为纵坐标,以浓度(X)为横坐标,建立线性回归方程。实验结果所示,待测元素的标准曲线R在0.998 1～1.000 0,满足GB/T 27404—2008中规定的相关系数≥0.998的要求。检出限(LOD)在0.001 1～14.1 μg/L。

2.2.2重复性和回收率实验

称取编号Y6的样品0.25 g(精确至0.001 g),分别加入含有0.75 mg K,0.25 mg Mg,25 μg Ca,7.5 μg Fe,5 μg Na、Al、Zn,1 μg Cu,0.5 μg Ti、Mn,0.25 μg B、Ni、Sr,0.125 μg Ba,50 ng V、Cr、Co、Mo,25 ng Sn、Sb、Tl,5 ng Se的混合标准物质,同样品处理和测定,进行加标回收实验,加标回收率在82.20%～112.92%。重复测定6次,RSD在0.3%～9.9%,加标回收率和重复性均满足实验要求。实验结果如表2所示。

表2 加标回收率与重复性

2.2.3方法可靠性

为考察方法的可靠性,选择编号为Y2的样品,称取0.5 g,采用本实验方法与GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》ICP-MS法进行测定,两种测定结果计算相对偏差,具体结果见表3,两种方法的变异系数为0.184 3%～7.896%,结果令人满意。

表3 本实验与GB 5009.268—2016测定结果比对

2.3 结果分析

2.3.1小米中22种元素含量的测定

常量元素,即常量矿物质,是指无机盐中在人体内含量较多,每日需要量在100 mg以上的元素。微量元素是指无机盐中在人体内含量较少,每日需要量在100 mg以下的元素,微量元素又分为必需微量元素和非必需微量元素。本次实验测定的22种元素中,包括4种常量元素,分别是K、Ca、Na、Mg;微量元素18种,其中必需微量元素12种,非必需微量元素6种。由检测结果可知,小米中矿物元素含量丰富,其中在待测元素中,维持渗透压、酸碱平衡、神经肌肉正常等功能的K含量最高,平均达到2 886 mg/kg,变异系数为0.16%,代表K在多批次小米中的含量波动很小。常量元素中,Na的含量最少,为35.31 mg/kg,K和Na的含量比为81.7∶1,是典型的高钾低钠食物。在微量元素中,起到合成血红蛋白、肌红蛋白等作用的Fe平均含量为23.09 mg/kg,变异系数为0.20%,同样在多批次小米中Fe的含量相对比较稳定。22种元素中,变异系数最大的2个元素是Cr和Se,分别是1.40%和1.11%,两种元素在多批次小米中含量波动较大。具体测定数据见表4、表5所示。

表5 微量元素测定结果表

2.3.2不同批次小米中22种元素的因子分析及综合评价

通过PASW Statistics数据编辑器,对不含钒V、锡Sn、锑Sb、铝Al四种未检出元素的18种元素进行降维-因子分析的处理,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计量是用于比较变量间简单相关系数和偏相关系数的指标,其取值在0和1之间。KMO值越接近1,意味着变量间的相关性越强,原有变量越适合作因子分析;反之,KMO值越接近于0,表示变量间的相关性越弱,原有变量则不适合作因子分析。分析结果见表6。

表6 KMO和Bartlett检验

由表6可见,对12种元素进行分析的时候,KMO为0.561,大于0.5,说明可以进行因子分析,但是在将相关性差的元素去除,使变量缩减至9种时,其KMO值为0.646,说明9种元素的相关性更加适合做因子分析。这9种元素分别是Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Ni、Mo、Sr。根据特征值大于1,累计方差贡献率>80%,结合碎石图综合判定,2种主成分的累计方法贡献率为77.319%,可以客观反应小米中元素的信息,详见表7。

表7 主成分特征值及贡献率

为更好地确定造成差异的主要因素,用2个主成分做进一步因子载荷矩阵分析,载荷矩阵见表8。由表8可知,Mn、Co、Ni、Mo 4种元素对成分1的贡献值为负,Ca、Fe、Zn、Cu、Sr在成分1中分别为0.901、0.706、0.927、0.766、0.886,其中Zn、Ca和Sr的贡献值依次较高;在主成分2中,除Sr外,其他8种元素均对其有所贡献,但Mn的贡献率最高为0.880。综上判定,小米中特征元素为Zn、Ca、Sr和Mn。对不同批次的小米以主成分因子得分和方差贡献率进行综合评价,综合得分Y和排名详见表9。由表9可见,样品2的评价值最高,综合排名第一,而样品2中的Zn和Sr的含量在全部批次的样品中最高。

表8 成分得分系数矩阵

表9 小米主成分因子及综合评价结果

3 讨论与结论

本研究通过微波消解-电感耦合等离子体质谱法对小米中的22种元素进行分析,运用降维主成分分析的方法进行分析。结果表明,不同批次小米中元素含量存在共性特征,K的含量都非常高,但是Na的含量相对较低,K和Na的均值比为87.1∶1,属于典型的高钾低钠食品。众所周知,高钾低钠食品有利于高血压的控制,减少心脑血管疾病的发生。此外,通过因子分析,进而对不同批次的小米进行综合评价发现,综合评价高的小米中Zn和Sr的含量较高,作为人体必需的微量元素,Zn可促进人体的生长发育,提高食欲,增强肌体抵抗力,促进伤口愈合等;Sr能促进钙吸收、强壮骨骼、保护牙齿,调节血压、保护心血管、减少肝损伤;延缓衰老。由此可见,小米中的高含量元素和主要元素对人体调节血压和保护心血管都具有重要意义。