紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中49種無機元素比較研究

開建榮，王彩艷，趙丹青，李彩虹，王曉靜*

1(寧夏農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，寧夏 銀川,750002) 2(寧夏農(nóng)林科學院，寧夏 銀川,750002)

寧夏全區(qū)枸杞種植面積由2013年的85萬畝增加到了2018年100萬畝，年產(chǎn)量達18萬t，產(chǎn)值150億，種植面積和產(chǎn)量占到全國的40%左右，但主要種植紅枸杞。紅枸杞果實呈紅橘黃色，因為它的色素以脂溶性的類胡蘿卜素為主，紅枸杞果實的功能性成分[1]及其增強免疫力，抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞、調(diào)節(jié)血脂、降血糖、降血壓等[2-6]多重功效已有諸多報道。除了紅枸杞之外，還有黑枸杞和黃枸杞，均為茄科，枸杞屬。黑枸杞分布于中國陜西北部、寧夏、甘肅、青海、新疆和西藏等地，果實成熟后呈紫黑色，因為其色素主要為水溶性的花色苷，黑枸杞富含蛋白質(zhì)、氨基酸、枸杞多糖、維生素、微量元素、礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分，還有天然原花青素，被譽為“軟黃金”[7-8]。黃枸杞屬于寧夏枸杞的一個變種，主要分布于寧夏，被稱為“黃金枸杞”，種植面積較小。目前，對枸杞中無機元素的研究主要集中在微量元素[9-11]和重金屬[12-13]上，對枸杞中其他礦質(zhì)元素的研究較少。關(guān)于黑枸杞的研究主要集中在微量元素[9,11]等無機成分和色素[14]、花青素等有機成分[15-19]上。黃枸杞的研究鮮有報道。隨著人們對健康需求的增加，我國農(nóng)產(chǎn)品功能性營養(yǎng)成分的檢測分析也越來越多地被人們所關(guān)注，到底哪種枸杞的營養(yǎng)價值更高、對人體更有益，具有更高的藥用價值，有待于進一步研究。本試驗采集同一基地的紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞為研究對象，檢測分析三者中無機元素含量的差異性，以期為中藥材功能篩選提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ELAN DRC-e 型 ICP- MS 儀，美國 Perkin Elmer公司；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；Milli Plus 2150 超純水處理器 ，美國 MILLIPORE公司；梅特勒-托利多電子天平(AL104)。

本項目選擇4組混合標準溶液及Hg標準溶液。包括Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Eu、Gd、Ge、Hg、Ho、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、La、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Sm、Sn、Sr、Tb、Ti、Th、Tl、Tm、U、V、Y、Yb、Fe、Zn、P、Ca，共計49種元素?；旌蠘藴嗜芤?美國 Perkin Elmer公司；Hg標準溶液(1 000 mg/L)，中國計量科學研究院；HNO3為優(yōu)級純，德國Merck公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理

紅果枸杞(樣本數(shù)n=10)、黑果枸杞(樣本數(shù)n=7)和黃果枸杞(樣本數(shù)n=3)樣品均采自寧夏中寧地區(qū)的同一基地，鮮品曬干，置于50 ℃烘箱中烘干，然后進行充分研磨，過100目篩后備用。

稱取0.5 g (精確到0.000 1 g) 枸杞樣品，采用微波消解法消解樣品，具體操作步驟如下：置于微波消解管中，加入HNO310 mL，常溫靜置3 h后，放入微波消解儀中進行樣品消煮，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190 ℃，保持30 min，消解完畢后冷卻，輕輕擰開蓋子，將微波消解管置于趕酸儀上，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；同時做試劑空白。

1.2.2 元素含量的測定

采用電感耦合等離子體-質(zhì)譜法(inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS)測定枸杞中元素含量。具體工作條件為：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。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 進行數(shù)據(jù)初步整理，采用SPSS 25.0進行單因素方差分析及主成分分析。結(jié)果以“平均值±標準差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞樣品中49種元素含量的測定

如表1可知，枸杞中含有多種無機元素，除了黑枸杞中Mo元素未檢出外，紅枸杞、黃枸杞和黑枸杞中49種元素均有檢出，且含量差別較大，如Mg的含量在1 055～1 911 mg/kg范圍內(nèi)，K和P的含量同Mg均在同一數(shù)量級；Fe和Zn的含量在同一數(shù)量級；B、Ba、Cu、Rb、Sr、Li、Mn、Ti含量在同一數(shù)量級；As、Cd、Cs、Eu、Gd、Ge、Hg、Lu、Sb、Pr、Sm、Tb、Tm的含量數(shù)量級類似。與前人報道的黑果枸杞[20]結(jié)果相比，本試驗中Cu(4.4 mg/kg)、Zn(13.6 mg/kg)、Fe(75.8 mg/kg)含量低于報道黑枸杞Cu(10 mg/kg)、Zn(17 m/kg)、Fe(128 mg/kg)含量，Mn的含量(13.0 mg/kg)稍高于報道中黑枸杞Mn含量(11 mg/kg)，Ca(1 957 mg/kg)、Mg(1 911 mg/kg)含量遠遠高于報道中黑枸杞中Ca(136 mg/kg)、Mg(205 mg/kg)含量，因文獻報道中枸杞為新疆枸杞，可能是地域差異造成枸杞中元素含量差異；紅枸杞中Cu、Pb含量低于趙麗莉等[21]的測定結(jié)果，而K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cr 的含量較高。

表1 樣品測定結(jié)果 單位：mg/kg

注：同一行中不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著；“-”為未檢出

從表1可以看出，紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞49種元素中，Al、B、Ba、Bi、Cd、Co、Cu、Dy、Hg、Ho、Lu、Mn、Ni、Rb、Se、Sm、Tb、Tl、Tm、U、Y、Yb、Zn 22種元素含量不存在顯著差異(P>0.05)；Mo元素在黑果枸杞中未檢出，其含量在紅枸杞和黃枸杞中差異不顯著(P>0.05)，說明紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞對這些元素的吸收能力不存在顯著差異；As、Eu、Li、Sb、Sc、Ti、Th、Fe、P、Ca 10種元素的含量在紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞存在顯著差異(P<0.05)，在這10種元素中，As、Eu、Li的含量依次是黑枸杞>黃枸杞>紅枸杞，Sb、Sc、Ti、Fe的含量依次是黃枸杞>黑枸杞>紅枸杞，Th的含量為黃枸杞>紅枸杞>黑枸杞，P的含量為黑枸杞>紅枸杞>黃枸杞；黑枸杞和黃枸杞中Be、Ce、Cs、Nd、Pr、V、La含量顯著高于紅枸杞，但其Gd含量低于紅枸杞，黃枸杞中的Ge、Nb、Sn含量高于紅枸杞和黑枸杞，黑枸杞中的Mg、Pb、Sr高于紅枸杞和黃枸杞。本試驗測定的紅枸杞中Fe含量低于黑枸杞，這與葉琦等[22]的研究結(jié)果相同；且本試驗黑枸杞中Ge、Sb、Tl的含量分別為紅枸杞的1.5倍、1.5倍和2倍，這與何艷等[23]的研究結(jié)果有所不同，但在整體上，黑果枸杞和黃果枸杞中大部分元素含量均高于紅果枸杞。

Al、As、Hg、Pb、Cd、Cr、Ni、Sn、Mo、V、Tl、Sb、Ba 13種元素均為有害元素，《食品安全地方標準 枸杞》(DBS 64/001—2017)中僅對Pb、Cd做出了限量要求，限量值分別為1.0和0.3 mg/kg，上述樣品中Pb、Cd的含量遠低于標準限量值；同時也低于《食品國家安全標準 食品中污染物限量》中小粒水果的限量值(Pb、Cd的限量值分別為0.2和0.05 mg/kg)；根據(jù)2015年版《中國藥典》[24]和《藥用植物及制劑進出口綠色行業(yè)標準》[25]對中藥材中的 5 種重金屬元素的限量值(ω(As)≤2 mg/kg，ω(Hg)≤0.2 mg/kg，ω(Pb)≤5 mg/kg，ω(Cd)≤0.3 mg/kg，ω(Cu)≤20 mg/kg)，在我國，中藥材除以上5種重金屬元素外，其余重金屬元素限量均未制定國家標準[26]，枸杞中5種重金屬元素含量也低于限量標準。因此，該基地的枸杞質(zhì)量安全，可放心食用。

2.2 49種元素的主成分分析

主成分分析是一種將原來有很多變量的數(shù)據(jù)縮減成較少維度，用少量因素反應原始數(shù)據(jù)提供的大部分信息[27-28]。對紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中49種元素進行主成分分析(表2、表3)，以特征值大于1作為選擇主成分的依據(jù)，結(jié)果表明，可篩選出8個主成分。第一主成分特征值為23.158，代表了49種元素的47.260%信息，以此類推，前8個主成分累計方差貢獻率為94.323%，用這8個主成分可以較好的替代上述49種元素的全部信息，因此，構(gòu)成枸杞元素組分特征的物質(zhì)由49個降到了8個不相關(guān)的主成分，成功達到了評價不同產(chǎn)地無機元素含量指標降維的目的。

表2 49種元素主成分分析Table 2 Princple component analysis of mineral element content

表3是經(jīng)方差最大正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，用于鑒別有實際意義的因子。從表3中可以看到，第1主成分主要綜合了枸杞樣品中Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、Lu和Ca元素的含量信息；第2主綜合了Sn、Nb元素的含量信息；第3主成分綜合了Lu、Tm和Yb元素的含量信息；第4主成分主要表示Pb的含量信息；第5主成分綜合了Zn的含量信息；第6主成分主要表示Mn的含量信息；第7主成分主要表示Bi的含量信息；第8主成分主要表示P的含量信息。因為總方差94%以上的貢獻來自于前8個主成分，所以，根據(jù)各無機元素在前8個主要主成分上的載荷，可以認為Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、La、Ca、Sn、Nb、Lu、Tm、Yb、Pb、Zn、Mn、Bi和P是區(qū)分紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞的特征元素。

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Component matrix

利用第1主成分和第2主成分的標準化得分作散點圖(圖1)，結(jié)果表明，通過第1和第2主成分可區(qū)分紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞樣品。黃枸杞第1主成分、第2主成分得分均為正值，黑枸杞第1主成分得分為正值，第2主成分為負值，紅枸杞的第1主成分和第2主成分得分均為負值?？梢姡鞒煞址治隹梢园褬悠分卸嘣氐男畔⑼ㄟ^綜合的方式更直觀地表現(xiàn)出來。

圖1 第1和第2主成分得分散點圖Fig.1 Scatter plot PC1 and PC2

2.3 紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中元素指紋圖譜的建立

參考文獻[29-30]的方法，篩選出紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中共有的48種元素，為了繪圖方便，將一些含量懸殊的元素同時擴大或縮小相同倍數(shù)使其含量在同一數(shù)量級(Al、Fe、Ca縮小100倍，K、Mg、P縮小1 000倍，Ni、V擴大10倍，As、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Dy、Nd、Nb、Pr、Sn、Th、Tl、U、Y、Yb、La擴大100倍，Cs、Eu、Gd、Ge、Hg、Ho、Lu、Sb、Sc、Sm、Tb、Tm擴大1 000倍)得到各元素的相對含量，以元素為橫坐標，以元素含量的對數(shù)值為縱坐標，繪制指紋圖譜，見圖2。

圖2 紅果枸杞、黑果枸杞和黃果枸杞元素含量分布曲線Fig.2 Distribution curves of inorganic in red L. barbarum,black L. barbarum and yellow L. barbarum

結(jié)果顯示，黑枸杞和黃枸杞的峰形基本保持一致，紅枸杞曲線走勢差異較大，如As、Be、Gd、Li、Sc、V等元素，體現(xiàn)出紅枸杞和黑枸杞、黃枸杞在元素含量上存在顯著性差異。紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞的無機元素特征圖譜見圖3，枸杞中常量元素以K、Fe、Mg、Al、P、Ca等較為豐富，微量元素以Zn、Cu、Mn、Sn、Ti、Ni等較為豐富；同時，從圖2可以明顯地看出不同品種枸杞對元素的吸收富集能力，研究結(jié)果可以為后期中藥材功能篩選、產(chǎn)地溯源等方面提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 紅果枸杞、黑果枸杞和黃果枸杞元素特征譜圖Fig.3 Characteristic spectrum of elements in red L.barbarum,black L. barbarum and yellow L. barbarum

3 結(jié)論

紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中元素含量有其各自的特征，其對元素的吸收能力有明顯差異，As、Eu、Li、Sb、Sc、Ti、Th、Fe、P、Ca十種元素在紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中有顯著差異；紅枸杞對Gd具有較強的吸收作用；黑枸杞對As、K、Mg、Pb、Sr、Eu和Li具有較強的吸收作用；而黃枸杞對Ge、Nb、Sn、Sc、Sb、Ti、Fe具有較強的吸收作用；通過主成分分析可篩選出Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、La、Ca、Sn、Nb、Lu、Tm、Yb、Pb、Zn、Mn、Bi和P作為區(qū)分紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞的特征元素。建立了紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞的無機元素特征譜。

該試驗采用統(tǒng)計學方法探討了紅枸杞、黑枸杞和黃枸杞中無機元素含量差異，為后期中藥材功能篩選等方面提供數(shù)據(jù)支撐，也可為醫(yī)藥用枸杞中礦物資源提供了參考。