寧夏不同地區(qū)、不同品種枸杞中元素含量差異分析

開建榮，李彩虹，趙丹青，王彩艷*

1(寧夏農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，寧夏 銀川，750002)2(寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏 銀川，750002)

寧夏枸杞是唯一載入《2010年版中國藥典》的枸杞品種。據(jù)報(bào)道，世界上枸杞的品種約有80種，其中，南美洲南部約30種，北美洲南部和非州南部各有20種左右，歐亞大陸約有10種，中國有7個(gè)種和3個(gè)變種[1-3]，我國枸杞的幾大產(chǎn)區(qū)的絕大多數(shù)栽培品種均引自寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)系列品種[4-5],截止2018年，我國已有13個(gè)省區(qū)種植。枸杞是我國西部特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，已成為西部地區(qū)生態(tài)治理、勞動力就業(yè)、脫貧富民的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)量、消費(fèi)量和出口量均居世界首位。寧夏枸杞種植面積及產(chǎn)量占到全國的40%左右，我區(qū)選育出多用途枸杞新品系50個(gè)，其中“寧杞5號”和“寧杞7號”對枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的支撐作用。枸杞果實(shí)含有多糖、黃酮類化合物以及甜菜堿、類胡蘿卜素等多種功能營養(yǎng)成分[6]，具有增強(qiáng)免疫力、抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞、調(diào)節(jié)血脂、降血糖、降血壓等多重功效[7-14]，枸杞在我國保健行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)發(fā)揮著重要作用。目前，枸杞中功能成分的研究主要集中在多糖、甜菜堿等有機(jī)成分和不同產(chǎn)區(qū)枸杞中功能營養(yǎng)成分的研究[13-15]。

目前，國內(nèi)外開展了不同的檢測方法研究來驗(yàn)證原產(chǎn)地保護(hù)各種產(chǎn)品的真實(shí)性，如COETZEE等[16]通過對葡萄酒中40種元素進(jìn)行篩選分析發(fā)現(xiàn)，20種元素存在地區(qū)差異，最終篩選出Al、Mn、Rb、Ba、W、Ti作為產(chǎn)地溯源的指標(biāo)；JAROSLAVA等[17]也發(fā)現(xiàn) Al、Ba、Ca、Co、K、Li、Mg、Mn、Mo、Rb、Sr、V 及 Sr/Ba、Sr/Ga、Sr/Mg對葡萄酒地域的判別效果比較好；吳浩等[18]研究發(fā)現(xiàn)通過分析葡萄酒中C、N穩(wěn)定同位素以及元素含量，可以實(shí)現(xiàn)對有機(jī)和非有機(jī)葡萄酒的精確區(qū)分；也有研究表明元素指紋技術(shù)能很好地判別茶葉的產(chǎn)地來源[19-21]。目前，產(chǎn)地溯源研究主要集中在葡萄酒[16-18]、茶葉[19-21]、谷物[22-24]、蜂蜜[25-26]等。

枸杞中含有豐富的無機(jī)元素，這些無機(jī)元素能夠反映枸杞生長的土壤環(huán)境、元素的種類和含量差異，具有一定地理標(biāo)志特征，在枸杞產(chǎn)地溯源中應(yīng)用較多。近年來，我國也開始關(guān)注枸杞原產(chǎn)地保護(hù)和鑒別，并開展相關(guān)研究[27-28]。我區(qū)作為枸杞種植大省，為了避免越來越多的外來枸杞品牌對寧夏枸杞的沖擊，枸杞產(chǎn)地溯源研究勢在必行。但是農(nóng)產(chǎn)品的品種和小區(qū)內(nèi)不同地域差異是否會影響產(chǎn)地溯源結(jié)果。因此，本試驗(yàn)以寧夏主要種植的枸杞品種(寧杞1號、寧杞5號、寧杞7號和寧杞9號)和不同種植區(qū)域(固原市、中衛(wèi)市、中寧縣和銀川市)枸杞為研究對象，檢測分析枸杞中26種(Al、As、B、Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、La、Li、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Se、Sr、Th、Ti、Fe、Zn、P、Ca和Pb)較為穩(wěn)定的元素含量，闡明不同品種枸杞及不同產(chǎn)地枸杞中元素的含量差異，以期為枸杞產(chǎn)地溯源提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的4個(gè)不同枸杞品種(采于同一產(chǎn)區(qū))，分別為寧杞1號(n=8)、寧杞5號(n=4)、寧杞7號(n=8)和寧杞9號(n=6)，不同地區(qū)枸杞材料來源于寧夏固原(n=8)、中衛(wèi)(n=8)、中寧(n=10)及銀川(n=8)的枸杞基地。于2018年7月采集鮮果，自然曬干，在50 ℃烘箱中烘干，烘干后的枸杞樣品進(jìn)行充分研磨，過100目篩后，放置在-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與試劑

Mars6 Xpress微波消解儀(內(nèi)置雙光路溫度控制系統(tǒng)和全罐異常壓力監(jiān)控系統(tǒng))，美國CEM公司；電子天平，梅特勒-托利多公司；ELAN DRC-e型ICP-MS儀，美國Perkin Elmer公司；Milli Plus 2150超純水處理器，美國MILLIPORE公司。

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 0 mg/L),美國Perkin Elmer公司;Hg元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg/L)，中國計(jì)量科學(xué)研究院；硝酸(優(yōu)級純)，德國默克；去離子水，實(shí)驗(yàn)室制備。

1.3 試驗(yàn)方法

枸杞中元素測定參考GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》[29]，稱取0.5 g(精確到0.000 1 g)枸杞樣品，加入10 mL HNO3，浸泡過夜，使用微波消解法進(jìn)行樣品前處理，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)測定枸杞樣品中元素含量。儀器的具體工作參數(shù)如下,

微波消解儀：選擇溫度控制，5 min爬升至120 ℃，保持10 min；5 min爬升至150 ℃，保持20 min；5 min爬升至180 ℃，保持30 min進(jìn)行消解，消解完畢后冷卻，冷卻后置于趕酸儀上120 ℃趕酸2 h，然后冷卻至室溫;用超純水洗至50 mL刻度試管中，并用超純水定容，搖勻；同時(shí)做試劑空白。

ICP-MS工作前進(jìn)行儀器調(diào)諧，調(diào)節(jié)靈敏度、氧化性、雙電荷、分辨率。儀器的具體工作參數(shù)：發(fā)生器功率1 300 W；霧化器流量0.95 L/min；等離子炬冷卻氣流量17.0 L/min；輔助器流量1.20 L/min；檢測器模擬階電壓-2 350 V；離子透鏡電壓6.00 V。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、Duncan多重比較分析、主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 枸杞中礦物元素含量

枸杞中26種元素含量如表1所示：枸杞中元素的含量存在明顯差異；P、Mg、Ca、Al、Fe的含量較高，其平均含量分別達(dá)到2 528、1 182、578、182.5和56.1 mg/kg，其次是Zn、Mn、B、Sr、Cu、Rb、Ti、Li、Ba、Ni，這15種元素含量均大于1 mg/kg，Mo和Pb的含量介于0.1～1.0 mg/kg，而As、Cd、Co、La、Sc、Se、Th、Hg的含量為μg/kg級。2015版《中華人民共和國藥典》對Pb、Hg、As、Cu、Cd的含量做出了明確限定。雖然試驗(yàn)枸杞樣品中重金屬的含量均低于國標(biāo)限量要求，但還存在一定的差別，因此應(yīng)當(dāng)重視對重金屬含量的監(jiān)控，特別是施用殺蟲劑、肥料等環(huán)節(jié)，避免引起重金屬殘留和超標(biāo)[30]。

2.2 不同地區(qū)枸杞中礦物元素含量

受地質(zhì)、水和土壤環(huán)境因素的影響，不同地域土壤中礦物元素的組成和含量存在差異，導(dǎo)致在不同地域生長的生物體有其各自的礦物元素指紋特征[31]。對寧夏4個(gè)地區(qū)枸杞的26種元素進(jìn)行方差分析(表2)，結(jié)果表明，4個(gè)地區(qū)枸杞樣品中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca在地域之間存在極顯著差異(P<0.01)，Se、Li、Cd、Pb和B含量存在顯著差異(P<0.05)，Cr、Hg、Zn、P含量差異不顯著。多重比較分析的結(jié)果顯示，不同地域枸杞樣品中的元素含量有其各自的特征。中衛(wèi)枸杞中Al、B、Co、Cr、La、Mn、Mo、Sc、Se、Sr、Ti、Fe和Ca含量普遍較高；固原枸杞中Rb、Ni、Pb、Zn、Ba、Cu、Li和Mg含量較高；銀川枸杞樣品中的Cd含量較高；而中寧地區(qū)枸杞中的Al、As、B、Ba、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Se、Sr、Ti、Fe、Zn、Ca和Pb的含量均低于其他地區(qū)。多元素的含量差異表明多元素分析對枸杞產(chǎn)地溯源是可行的。劉毅等[32]研究發(fā)現(xiàn)，寧夏中衛(wèi)和中寧枸杞中的Zn、Mn、Cu、Fe含量接近，F(xiàn)e可以作為判斷枸杞品質(zhì)和道地性的指標(biāo)；張莉等[27]采用ICP-MS測定了寧夏、甘肅、新疆的122份枸杞中礦物元素，結(jié)果表明除了K元素，其他元素在不同地域間均有顯著性差異；史秀紅等[33]通過原子吸收分光光度計(jì)，測定了寧夏、河北、山東、內(nèi)蒙古、青海等地枸杞中各礦物元素，并進(jìn)行聚類分析和主成分分析，發(fā)現(xiàn)寧夏與其他產(chǎn)地的枸杞有明顯不同。

2.3 不同品種枸杞中礦物元素含量

對4個(gè)地區(qū)采集的4個(gè)品種枸杞中26種元素進(jìn)行方差分析及多重比較(表3)。結(jié)果顯示，7號與9號枸杞中的B元素、1號與5號枸杞中的Li元素、5號與1號和9號枸杞中的Co元素、7號與5號枸杞中的La元素存在顯著性差異(P<0.05)，而其他元素在不同品種枸杞中沒有顯著性差異。因此，產(chǎn)地溯源研究中可不考慮枸杞品種的影響。

2.4 元素含量間的相關(guān)性分析

對枸杞樣品中的26種元素含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。顯著性分析發(fā)現(xiàn)，枸杞中有些元素之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，如Rb和Cu、Ni，Ca和Al、As、B、Ba、Co、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Sr、P間均呈正相關(guān)關(guān)系，表明這些元素間具有相互協(xié)同、促進(jìn)吸收的關(guān)系，同時(shí)說明枸杞在富集這些元素時(shí)具有較強(qiáng)的協(xié)同作用，但其差異與枸杞品種、栽培環(huán)境等因素相關(guān)。負(fù)相關(guān)表明元素間具有相互拮抗的關(guān)系，枸杞中具有負(fù)相關(guān)關(guān)系的元素較少，如Ni和Cd、Cd和Rb、Cu和Cd、Th和Ni之間均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。Hg、Rb與其他元素的相關(guān)性較差，說明Hg、Rb元素差異可能主要源于環(huán)境土壤差異，且Rb與Al、B、Cd、Co、Cr、Hg、La、Mo、Th、Fe等元素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與元素性質(zhì)有關(guān)。由此可知，枸杞中26種元素之間存在一定的相關(guān)性和依存關(guān)系，而元素間的相關(guān)性是枸杞吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)元素交互作用的綜合反映，也是土壤中元素間相互作用的綜合反映。不同產(chǎn)地枸杞的無機(jī)元素存在較大差異，與其產(chǎn)地的土壤、氣候等因素息息相關(guān)，但在枸杞的生長過程中這些元素之間的相互影響有待進(jìn)一步研究。

表1 枸杞中礦物元素含量

表2 不同地區(qū)枸杞中礦物元素含量及方差分析 單位：mg/kg

注：同列中不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，同列不同大寫字母表示在P<0.01水平上差異極顯著(下同)

表3 不同品種中礦物元素含量及方差分析 單位：mg/kg

表4 枸杞中礦物元素的Pearson相關(guān)性分析

注：*和**分別表示P<0.05和P<0.01水平上的顯著相關(guān)。

2.5 26種元素的主成分分析

礦物元素指紋分析技術(shù)是產(chǎn)地溯源的主要手段之一，其關(guān)鍵是從種類繁多的元素中篩選出與食品生長地域密切相關(guān)的、穩(wěn)定的元素指紋信息[34]。主成分分析是通過降維的方式用少量因素反映原始數(shù)據(jù)所提供的大部分信息的技術(shù)。由表4可以看出，枸杞中元素兩兩之間有較大的相關(guān)系數(shù)，因此適宜用主成分分析法來研究元素之間的關(guān)系。

對寧夏4個(gè)地區(qū)枸杞中26種元素進(jìn)行主成分(PC)分析(表5)，結(jié)果表明,前6個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為82.672%，用這6個(gè)主成分可以較好的替代上述26種元素的全部信息。

表5 元素主成分分析

表6是經(jīng)方差最大正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，用于鑒別有實(shí)際意義的因子。從表6中可以看出，第1主成分主要綜合了枸杞樣品中Ni、Li元素的含量信息；第2主成分綜合了Al、As元素的含量信息；第3主成分綜合了Mo、P元素的含量信息；第4主成分主要表示Th的含量信息；第5主成分綜合了Zn、Pb的含量信息；第6主成分和Hg呈高度負(fù)相關(guān)，和Ba呈高度正相關(guān)，綜合了Hg和Ba元素的含量信息。因?yàn)榭偡讲?2%以上的貢獻(xiàn)來自于前6個(gè)主成分，所以，根據(jù)各無機(jī)元素在前6個(gè)主要主成分上的載荷，可以認(rèn)為Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba是枸杞的特征元素。吳有鋒等[35]對柴達(dá)木枸杞中24種元素采用主成分分析，提取了Cu、Zn、Na、Mg、Fe、P、K、Mn等特征元素，與本研究結(jié)果不同，原因可能是不同產(chǎn)地土壤元素含量存在差異。

根據(jù)表6中的因子得分系數(shù)矩陣，通過得分系數(shù)將各個(gè)變量進(jìn)行線性組合，建立關(guān)于6個(gè)主成分與26個(gè)元素變量得分系數(shù)模型。以各個(gè)主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，由主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得到綜合評價(jià)函數(shù)。綜合得分按公式(1)計(jì)算：

zF=42.266%×F1+15.512%×F2+8.476%×F3+7.965%×F4+5.538%×F5+4.914%×F6

(1)

式中：F1-F6分別為各主成分得分，按表6得分系數(shù)矩陣計(jì)算。

利用第1主成分和第2主成分的標(biāo)準(zhǔn)化得分作散點(diǎn)圖(圖1)，結(jié)果表明，通過第1和第2主成分可區(qū)分不同地區(qū)枸杞樣品。中衛(wèi)和固原第1主成分得分均為正值，中寧第1主成分得分均為負(fù)值，銀川第1主成分得分既有正值，又有負(fù)值；中衛(wèi)的第2主成分均值為正值，中寧的第2主成分均值為負(fù)值，而銀川和固原的第2主成分既有正值，又有負(fù)值。銀川和固原處于中衛(wèi)和中寧之間，這與元素含量差異分析的規(guī)律一致?？梢?，主成分分析可以把樣品中多元素的信息通過綜合的方式更直觀地表現(xiàn)出來。

表6 主成分載荷矩陣

續(xù)表6

元素旋轉(zhuǎn)成分載荷矩陣PC1PC2PC3PC4PC5PC6元素旋轉(zhuǎn)成分載荷矩陣PC1PC2PC3PC4PC5PC6Mo0.4320.2370.797-0.0220.099-0.135Ni0.1950.026-0.102-0.131-0.0320.010P0.2640.2050.6920.2970.2710.367Rb0.1230.119-0.310-0.1890.0750.239Fe0.3470.6080.610-0.0420.036-0.178Sc0.0660.141-0.1160.042-0.0620.035Rb0.3580.023-0.566-0.4240.2710.381Se-0.0050.0340.157-0.085-0.085-0.004Se0.3280.2970.522-0.117-0.076-0.032Sr0.197-0.009-0.0350.038-0.2050.036Th-0.1450.163-0.1350.8800.171-0.046Ti0.0990.047-0.0880.228-0.094-0.178Ti0.4020.5080.1420.637-0.029-0.195Th-0.008-0.054-0.0770.3470.109-0.113Cd-0.1270.0860.1140.631-0.1380.247Fe-0.0480.1250.148-0.085-0.056-0.075Zn0.270-0.0070.284-0.1260.831-0.078Zn-0.043-0.1640.151-0.0060.453-0.025Pb0.0420.378-0.0980.1220.8190.048P-0.070-0.1190.2810.0600.1560.168Hg0.2200.238-0.0050.1480.458-0.727Ca0.1230.064-0.1190.131-0.0580.048Ba0.2560.042-0.0930.4000.1690.685Pb-0.0960.068-0.0720.0110.4110.040

圖1 第1和第2主成分得分散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對寧夏4個(gè)地區(qū)枸杞中26種元素含量分析顯示，元素含量存在明顯差異，且元素含量變異系數(shù)較大。寧夏不同種植地區(qū)枸杞中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca的含量差異達(dá)到了極顯著水平，這說明來自寧夏固原、中衛(wèi)、中寧和銀川4個(gè)產(chǎn)區(qū)的枸杞樣品中元素有其各自的特征，多元素分析對枸杞產(chǎn)地判別是可行的。但對不同品種枸杞元素的含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同品種枸杞中元素含量不存在顯著性差異，因此，品種差異并不影響產(chǎn)地溯源的研究。枸杞中26種元素之間存在一定的相關(guān)性和依存關(guān)系，對枸杞中26種元素進(jìn)行主成分分析提取出了6個(gè)主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82.672%，因此，可篩選出Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba作為枸杞的特征元素。

本試驗(yàn)采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法探討了寧夏不同地區(qū)枸杞中元素的分布規(guī)律，為枸杞在產(chǎn)地溯源研究方面提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。