不同颜色蚕豆的红外光谱分析及元素含量测定

徐娟 刘刚 欧全宏 赵帅群 任静 胡见飞

摘要：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）对白色蚕豆和绿色蚕豆进行研究。结果显示，蚕豆子叶的红外光谱主要由蛋白质、多糖等振动吸收谱带组成。两种蚕豆的红外光谱相似，但在一些特征峰上的吸光度比值存在差异。对1 700～1 600 cm-1波段内的原始光谱进行拟合，绿色蚕豆的蛋白质二级结构中α螺旋、 β转角和无规则卷曲结构的含量均比白色蚕豆高，而β折叠含量低于白色蚕豆。ICP-MS测试结果表明，蚕豆中富含P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn等多种矿质元素，其中元素P、K的含量最高，Ca、Mg、Na、Fe、Zn和Mn含量丰富；Cu含量相对较低。其中，白色蚕豆的矿质元素K、Ca、Cu和Na含量比绿色蚕豆略高，而其他矿质元素P、Mg、Fe、Zn、Mn含量低于绿色蚕豆。研究表明，FTIR结合ICP-MS方法可以快速简便区分两种蚕豆。

关键词：蚕豆；傅里叶变换红外光谱；电感耦合等离子体质谱；元素

中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）13-3244-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.045

Infrared Spectrum Analysis and Elements Determination of

Broad Bean of Different Colors

XU Juan， LIU Gang， OU Quan-hong， ZHAO Shuai-qun， REN Jing， HU Jian-fei

（School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR） and inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） were used to study two kinds of broad bean. The FTIR results showed that the infrared spectra of broad bean were mainly composed of the absorption bands of protein and polysaccharide. The spectrum of samples were similar，only with minor differences in absorbance ratios of several peaks. The amide I band （1 700～1 600 cm-1） in the original spectra was used for curve fitting to evaluate the contents of secondary structure of protein. The results showed the contents of α-helix， β-turn and unordered structure in green beans were higher than that in white beans，while the content of β-sheet in green beans less than that in white beans. ICP-MS results showed that the P，K，Ca，Mg，Cu，Fe，Zn and Mn were found in the broad bean，and the contents of P，K were the highest， followed by Ca，Mg，Na，Fe，Zn and Mn，and the lowest was Cu. The contents of K，Ca，Cu and Na in white beans were slightly higher than that in green beans，while the contents of P，Mg，Fe，Zn and Mn in white beans less than that in green beans. It was proved that FTIR spectroscopy combined with ICP-MS could be used to discriminate two kinds of broad bean fast and accurately.

Key words： broad bean； FTIR； ICP-MS； element

蚕豆（Vicia faba L.），又名胡豆、佛豆、罗汉豆，豆科野豌豆族巢菜属。蚕豆是世界上第六大食用作物，具有较高的营养价值和药用价值[1]。新鲜的蚕豆可以作为蔬菜，干燥后可做粮食或饲料。根据蚕豆子叶颜色差异，可以分为白色蚕豆和绿色蚕豆两种，食用时口感稍有差别，这不仅与蚕豆有机成分有关，而且与所含丰富的微量元素有关。同时其经济价值也有差异，绿色蚕豆在交易时，价格要比白色蚕豆高。

目前对于蚕豆的研究主要集中在蚕豆的理化性状方面，如李雪琴等[2]优化了蚕豆蛋白的制备工艺，对蚕豆蛋白的溶解性、吸水性、吸油性和凝胶性等部分功能性质进行了比较研究。谭洪卓等[3]对中国20种蚕豆的化学组成、物理性质间相互关系进行了研究。而传统的化学分析、色谱、质谱等仪器分析方法需对样品进行分离提取，由于这些方法存在着分析时间长，仪器较昂贵，不宜普及推广，限制了其广泛使用[4]。傅里叶变换红外光谱（FTIR）不仅能够综合地反映蚕豆的物质组成，还具有操作简单、无损、样品需求量少、快捷等优点，已大量应用于食品、医药、生物、环境等领域[5，6]。电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是一种多元素分析技术，具有极好的灵敏度和高效的样品分析能力，检出限低，可以同时测量多种元素，已在多种领域广泛应用[7，8]。

本研究利用傅里叶变换红外光谱和电感耦合等离子体质谱法对两种颜色的蚕豆样品进行了分析，探讨所含的化学信息，以期为蚕豆的快速鉴别及开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品来源

样品收集于云南陆良，共采集2种样品，分别为绿色蚕豆（编号a）和白色蚕豆（编号b），样品经自然晾干备用。

1.2 仪器设备及试验方法

1.2.1 红外光谱 红外光谱仪为Frontier型傅里叶变换红外光谱仪（Perkin Elmer公司），扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次。

将待测的蚕豆样品的种皮与子叶分开，对所有子叶取相同部位进行测试，样品放入玛瑙研钵中研磨，加入适量溴化钾后混合搅磨均匀，压片测试，采用纯溴化钾片作为背景。光谱数据用Omnic 8.0基线校正、9点平滑和归一化预处理。

1.2.2 蚕豆矿物元素的测定 ELAN DRC-e型电感耦合等离子体-质谱仪（ICP-MS，Perkin Elmer公司），仪器参数见表1。

准确称取样品0.100 0 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL HNO3和1 mL HClO4，静置过夜，在电热板上加热消解至溶液呈透明清亮，赶酸，冷却，用2%的HNO3溶液定容至100 mL，待测，同时作样品空白处理。

2 结果与分析

2.1 红外光谱分析

2.1.1 蚕豆子叶的红外光谱特征 图1为两种颜色蚕豆的傅里叶变换红外光谱图，其中a是绿色蚕豆，b是白色蚕豆。从图1可以看出两种颜色蚕豆的红外光谱在整体上比较相似，都具有一些典型的特征峰。其谱峰归属：3 300 cm-1附近有一宽且强的吸收峰，主要是O-H和N-H伸缩振动吸收[9]。2 925 cm-1附近为亚甲基中C-H反对称伸缩振动吸收[5]；1 652 cm-1附近的吸收峰主要是蛋白质酰胺Ⅰ带的振动吸收，归属为C=O伸缩振动[9]；1 544 cm-1附近的吸收峰是酰胺Ⅱ带吸收，为N-H的面内弯曲振动和部分C-N的伸缩振动耦合[9]；1 449、1 397 cm-1分别归属于亚甲基、甲基的对称弯曲振动 [10]，1 241 cm-1附近的吸收峰为蛋白质酰胺Ⅲ振伸缩动[9]；1 200～700 cm-1范围内主要是多糖及糖类异构体的吸收区；1 155、1 078 cm-1附近的吸收峰归属于碳水化合物中C-O和C-O-C伸缩振动[11]，856 cm-1附近的峰可以归属于α-构型多糖的特征峰[12]。

由上述特征可以看出，蚕豆子叶的红外光谱主要有蛋白质、多糖构成。两种蚕豆种子的峰形峰位相似，为便于比较，计算A1536 /A1656、A1050 /A1656吸光度比值。对于比值A1536 /A1653，绿色蚕豆和白色蚕豆都小于1，且绿色蚕豆大于白色蚕豆。对于比值A1050 /A1653，绿色蚕豆和白色蚕豆都小于1，绿色蚕豆大于白色蚕豆。根据吸光度的比值可对绿色蚕豆和白色蚕豆样品进行鉴别。

2.1.2 曲线拟合 为了进一步鉴别两种颜色蚕豆，对绿色蚕豆和白色蚕豆的平均红外谱图中1 700～ 1 600 cm-1内进行曲线拟合（见图2），来研究蛋白质二级结构的相对含量。由图2可以看出两种蚕豆在1 600～1 700 cm-1内都出现了9个子峰。吸收频率的位置依次是1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648、1 639、1 629和1 618 cm-1。其中，1 610～1 640 cm-1归属于β折叠，1 650～1 660 cm-1归属于α螺旋，1 660～1 700 cm-1归属于β转角[12-14]。

绿色蚕豆和白色蚕豆相应的子峰面积、子峰所占的峰面积比和归属见表2。结合图2和表2可以看出，两种蚕豆在1 600～1700 cm-1内出现子峰的频率位置基本没有差异。但各个子峰面积的百分比却存在着明显不同。差异最大的主要是β转角（1 668 cm-1）和α螺旋结构（1 658 cm-1）的振动吸收。在1 668 cm-1和1 658 cm-1吸收带上，绿色蚕豆吸收峰的面积百分比分别是16.300 4%和12.901 3%；白色蚕豆吸收峰的面积百分比分别是11.601 6%和15.820 4%。在1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648和1 629 cm-1吸收峰上，绿色蚕豆吸收峰面积百分比明显大于白色蚕豆。另外，在1 618、1 674和1 639 cm-1吸收峰上，白色蚕豆吸收峰面积百分比大于绿色蚕豆。所以绿色蚕豆的α螺旋、β转角和无规则卷曲结构均比白色蚕豆多，而β折叠少于白色蚕豆。结果表明，绿色蚕豆的蛋白质含量高于白色蚕豆，也就是说绿蚕豆的营养成分高于白蚕豆。

2.2 矿物元素分析

按照选定仪器工作参数，测定样品中的9种矿质元素含量，测定结果见表3。从表3可知，蚕豆中含有人体必需的磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、锰（Mn）、钠（Na）等多种矿质元素，其元素含量由高到低顺序为K、P、Mg、Ca、Na、Fe、Zn、Cu、Mn。其中K、P的含量最高，分别达到1.080%和0.444%；Ca、Mg、Na含量较高，平均含量均高于200 mg/kg；Fe、Zn、Cu含量次之，平均含量元素为10～80 mg/kg；Mn元素含量相对较低。

这些元素对人体具有重要的生物功效作用，如，K作为主要的碱性物质存在于组织和血细胞中，对神系统、体液平衡起着十分重要的作用[15]。P存在于人体所有细胞中，是维持骨骼和牙齿的必要物质，几乎参与所有生理上的化学反应[16]。Na是维持机体新陈代谢、体内酸碱平衡的电解质[15]。Ca是构成骨骼和牙齿的主要原料，当机体缺钙时，主要影响骨、牙齿的发育，婴幼儿会患佝偻病，成年人表现为骨质软化，老年人表现为骨质疏松[17]。

此外，蚕豆中也含有较高的Mg、 Fe、 Zn、 Cu、Mn等人体必需微量元素。Mg是细胞新陈代谢过程中各种酶的活化剂，对人体正常生理功能有重要作用。Fe则是红细胞中血红蛋白的重要组成部分，缺铁能导致人体疲乏、面色苍白、记忆力减退及从事耗氧运动能力降低[16]。Zn是人体中上百种酶的组成成分和激活剂，它参与蛋白质和核酸合成，影响细胞的分裂和再生[18]。Cu在人体中通过含铜酶或蛋白参与各种代谢，在维护皮肤、骨骼、心血管系统的结缔组织完善中起重要作用[16]。Mn是参与人体糖、脂肪代谢的一种重要的元素[18]，如果人体缺乏这几种微量元素，将会出现不同的生理症状。

矿质元素含量显示了两种蚕豆间存在差异，元素K、Ca、Cu和Na的含量：白色蚕豆大于绿色蚕豆，其他矿质元素P、Mg、Fe、Zn、Mn等含量：绿色蚕豆大于白色蚕豆。可见，两种颜色的蚕豆都具有较高的营养价值，经常食用可补充人体所需的矿质元素。

3 小结与讨论

利用傅里叶变换红外光谱和电感耦合等离子体质谱对绿色、白色蚕豆子叶样品进行了分析研究。FTIR研究表明，蚕豆子叶红外光谱主要由蛋白质、多糖等吸收带组成。绿色蚕豆和白色蚕豆的红外光谱峰整体相似，仅在一些特征吸收峰上的吸光强有一些微小差异。两种蚕豆的蛋白质二级结构中α螺旋、 β折叠、 β转角和无序结构分别在酰胺I带出现的吸收位置十分接近、但同一个二级结构在不同物种的蛋白质中所占的比例明显不同。其中，绿色蚕豆α螺旋、 β转角和无规则卷曲结构的含量均比白色蚕豆多，而β折叠的含量少于白色蚕豆。ICP-MS测试结果表明，蚕豆富含P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn等多种营养元素，这些元素对人体具有重要的功效作用。结果表明，傅里叶变换红外光谱结合电感耦合等离子体质谱能准确、灵敏的反映蚕豆所含的化学信息，有望为蚕豆的研究提供一种方便快捷的方法。

参考文献：

[1] 郑开斌，李爱萍，臧春荣，等.绿色豆类蔬菜—蚕豆现代园艺[J].2006（1）：38-39.

[2] 李雪琴，苗笑亮，裘爱泳.蚕豆分离蛋白的制备及其功能性质研究[J].粮食与饲料工业，2003（5）：41-43.

[3] 谭洪卓，谭 斌，田晓红，等.20种中国蚕豆的化学组成、物理性质及其相互关系[J].中国粮油学报，2009，24（12）：153-166.

[4] 孙素琴，梁曦云，杨显荣.六色灵芝的FTIR快速无损鉴别[J].光谱学与光谱分析，2002，22（2）：226-228.

[5] ROHMAN A，SISMINDAR I，ERWANTO Y，et al. Analysis of pork adulteration in beef meatball using Fourier transform infrared （FTIR） spectroscopy [J].Meat Science，2011，88：91-95.

[6] 张争艳，刘 鹏，陈微微，等.不同品种大豆耐铝性的FTIR分析研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（2）：372-377.

[7] 刘 明，谭洪卓，田晓红，等.20种代表性主产区蚕豆样品矿物元素含量及其与烹煮品质的相关性分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（8）：2269-2273.

[8] 刘宏伟，谢华林，聂西度，等.ICP-MS法测定苦杏仁中微量元素的研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（5）：1354-1356.

[9] 孙素琴，周 群，陈建波.中药红外光谱分析与鉴定[M].北京：化学工业出版社，2010.

[10] 翁诗甫.傅里叶变换红外光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2010.

[11] 周在进，刘 刚，任先培.不同产地双色牛肝菌FTIR光谱鉴别研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30（4）：911-914.

[12] CHEN X Y，RU Y，CHEN F L，et al.FTIR spectroscopic characterization of soy proteins obtained through AOT reverse micelles[J]. Food Hydrocolloids，2013，31：435-437.

[13] SAKUDO A，KURATSUNE H， KATO Y H，et al.Secondary structural changes of proteins in fingernails of chronic fatigue syndrome patients from Fourier-transform infrared spectra[J]. Clinica Chimica Acta，2009，402：74-78.

[14] JURANOVIC I，CINDRI C，ZEINER I，et al.ICP-AES determination of minor-and major elements in apples after microwave assisted digestion[J]. Food Chemistry，2012，135：2675-2680.

[15] 梅文泉，汪禄祥，黎其万，等.云南青刺果仁、叶微量元素成分分析[J].广东微量元素科学，2002，9（7）：53-55.

[16] 汪禄祥，董宝生，张云倩.云南食用玫瑰的微量元素的研究[J].广东微量元素科学，2006，13（9）：42-44.

[17] 葛伊莉，肖述文.火焰原子吸收光谱法测定大豆豆渣中微量金属含量的研究[J].安徽化工，2011，37（1）：79-80.

[18] 肖忠峰，赵西梅.原子吸收光谱法测定冬枣叶茶中的8种金属元素[J].广东微量元素科学，2011，18（2）：57-60.