新疆精河枸杞中10种常量与微量元素含量及形态分析

骆建敏，胡容博

(1.新疆大学理化测试中心，乌鲁木齐 830046；2.慕尼黑工业大学，德国慕尼黑 80333)

0 引 言

【研究意义】枸杞，又称枸杞子、红耳坠，是茄科小灌木枸杞的成熟子实，枸杞子药食同源的历史悠久，是驰名中外的名贵中药材。早在《神农本草经》和《本草纲目》中，就记载了枸杞的药用价值和栽培的方法。枸杞在南美洲、北美洲到澳洲、欧亚大陆和南非等地域均有分布，在中国主要分布于宁夏、新疆和云南等地[1-2]。枸杞子中含有多种氨基酸，并含有甜菜碱、玉蜀黍黄素、酸浆果红素及多种微量元素等营养成分，具有增强免疫力、抗癌、抗氧化[3]、防衰老、 增强造血功能等功效[4]。微量元素不但以络合物的形式存在于药材内，而且以络合物的形式在人体内产生作用[5-6]。在进行中药中微量元素作用的研究时，不但要考察其含量的多少和比例，更关键的是分析其存在形态。【前人研究进展】枸杞对生长环境适应性较强，全国各地均有栽培，但药材枸杞品质参差不齐。决定药物疗效的物质基础是其所含的化学成分，其中微量元素对其临床疗效也具有一定的作用。研究证实：Zn、Cu对蛋白质合成有积极作用，Zn具有能促进儿童脑发育，增强记忆力等作用，Mn元素具有强壮及抗衰老作用，Pb、As的含量是重金属污染的指标。准确快速分析枸杞中的元素含量非常的重要，以便对枸杞药材的质量评价及选药用药提供参考。王彩艳等[7]采用微波消解—电感耦合等离子体质谱法对宁夏产的枸杞中12种微量元素进行了测试，发现该方法具有样品处理简单快速、测定准确快速、分析重现性好的特点。【本研究切入点】目前还未发现对新疆精河枸杞微量元素含量及形态进行分析研究。采用微波消解样品，利用电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)的检出限低、精密度高、线性范围宽、分析迅速和可以同时测定多种元素等优点[7-11]，对新疆精河枸杞的多种常量、微量元素的含量及元素初级形态进行了分析。【拟解决的关键问题】为枸杞的合理使用及品质给予指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 精河枸杞

新疆精河枸杞，购买于新疆维吾尔医院；生物成分分析标准物质-茶叶GBW10016 (地球物理地球化学勘查研究所)。

1.1.2 仪器与试剂

X Series 2电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermo Fisher Scientific公司)，碰撞反应池模式(CCT)；Mars高压微波消解仪(美国CEM公司)；振荡器(上海精密仪器仪表有限公司)；ER-182A电光天平(日本日立公司)；0.45 μm滤膜(天津致远化学试剂有限公司)；D101型大孔吸附树脂 (天津市光复精细化工研究所)； 1 000 μg/mL 10种元素的储备液(国家钢铁材料测试、冶金部钢铁研究总院)；硝酸、过氧化氢、盐酸均为优级纯(西安化学试剂厂)；乙醇、甲醇、丙酮、氢氧化钠为分析纯(西安化学试剂厂)；实验用水为高纯水。

1.2 方 法

1.2.1 混合标准工作液及内标溶液配制

将 Mg、Zn、Ca、Fe、Cu、Mn各元素标准液稀释为 5.0、10.0、50.0、100.0、500.0 μg/L；As、Se、Cd、Pb各元素标准液稀释为 0.5、1.0、10.0、50.0、100.0 μg/L的标准溶液。Cu元素采用Ge作为内标元素进行校正，Mn元素采用Sc作为内标元素进行校正，Cd元素采用In作为内标元素进行校正，Pb元素采用Bi作为内标元素进行校正。

1.2.2 仪器工作条件

对10 ng/mL浓度的In、Bi、Sc、Mg元素的混合标准溶液作为内标调谐液对仪器进行最优化选择，采用CCT技术，优化碰撞池的混合气比例、氢氦混合气组成和气流速来消除原子、离子干扰比例获得满足灵敏度、双电荷、稳定性、背景等各项指标的 ICP-MS仪器工作参数。表1

表1 ICP-MS的仪器工作参数
Table 1 Instrumental conditions and data acquisition parameters of ICP-MS

仪器参数Instrument parameter设定值Set value仪器参数Instrument parameter设定值Set value射频功Radiofrequency power(W)1200截取锥径(mm)0.8扫描次数Number of scanning55重复次数3辅助气体流量Auxiliary gas flow rate (L/min)0.80采样深度(mm)11.0雾化气流量Atomizing gas flow(L/min)0.80驻留时间(ms)20冷却水流量The flow of cooling water (L/min)13样品提升速度(mL/min)1.0采样锥孔径和类型Sampling cone aperture and type(mm)0.9, 镍锥扫描方式跳峰

1.2.3 样品预处理

把购买的精河枸杞用高纯水清洗干净，置于烘箱中以60℃烘干至恒重，用研磨机将样品粉碎，过60目筛，封存于干燥器中备用[12]。

1.2.4 精河枸杞中微量元素总量提取

精密称取预处理的0.200 0 g枸杞样品于50 mL聚四氟乙烯消解罐中，加硝酸5 mL浸泡过夜，次日再加2 mL H2O2置于微波消解仪中消解，消解完成，待烟气散尽后，转入50 mL容量瓶中，用去高纯水冲洗消解罐三次并转入容量瓶中。表2

表2 微波消解条件
Table 2 Microwave dissolving program

步骤Step功率Power (W)温度Temperature (℃)时间Time (min)17001401528001601539001801541 00020015

1.2.5 悬浮态和可溶态分离

取预处理后的精河枸杞30.00 g置于烧杯中，加250 mL高纯水浸泡约1 h，传统煎煮法煎煮2 h，多层纱布滤拧，少量高纯水冲洗3次，得到首次水煎液。以同样的方法煎煮3次，合并水煎液，将水煎液浓缩后转移到250 mL容量瓶。残渣经60℃恒温烘干、冷却、称重备用。取滤液100.00 mL，高速离心分离，将上清液过0.45 μm滤膜，得到可溶态滤液；离心沉淀物与滤膜上残渣合并为悬浮态，按1.2.4消解，同时做空白试验。悬浮态为水煎液中微量元素含量与可溶态样品液中微量元素含量之差。

1.2.6 可溶态中无机态和有机态分离

用稀HC1和NaOH溶液将可溶态的pH调至3.0，可溶态样品液3 mL/min通过D101型大孔吸附树脂(树脂预先经95%乙醇浸泡24 h，装柱，用高纯水冲干净后使用)，用高纯水淋洗直至流出液呈中性，收集得到可溶无机态。然后再甲醇脱树脂吸附物，蒸馏除去甲醇，按1.2.4消化定容至50 mL即得可溶有机态，同时做空白试验。

1.2.7 水煎渣中无机态和有机态提取

滤渣加丙酮50 mL，超声振荡30 min，滤出溶液，水浴挥去丙酮，按1.2.4消解，得水煎渣中有机态。残渣加6 mol/L HCl 50 mL重复以上过程，得水煎渣中无机态。

1.2.8 可靠性

通过重复性试验和添加回收试验及标准物质的测试验证方法的稳定性和准确性。重复性验证：取预处理的枸杞0.200 0 g，按照1.2.4方法处理，平行样品 3个，对各元素进行重复性实验，计算RSD；回收试验：根据重复性试验中枸杞各元素测定含量的不同，按比例作加标回收，根据测定结果计算回收率；准确度和精密度验证：测试标准物质茶叶(GBWl0016)中元素的含量来评价方法的准确度和精密度。

2 结果与分析

2.1 测试结果

2.1.1 线性关系、方法精密度及回收率

为了验证方法的可靠性，以标准物质对以下各元素进行加标回收，研究表明，各个元素的回收率在86.54%～108.9%，RSD值在0.20%～2.12%。该方法可靠。表3

表3 标准物质的元素含量及回收率
Table 3 Elements contents of standard substance and recovery experiment

元素茶叶参考物质Reference material for tea(Determination value μg/g)加入量Amount of addition (μg/g)测得量Rate of recovery (μg/g)回收率(%)RSD(%)Mg1 6805002 192100.50.22Ca4 3401 0005 32399.680.20Fe248.43250501.8100.70.32Zn25.801033.292.731.01Cu16.601024.592.101.57Mn12325001 71198.790.98As0.28611.11386.541.87Se0.07611.171108.92.12Cd0.056 111.052 699.670.29Pb3.9258.99100.80.35

2.1.2 精河枸杞中金属元素总量及不同形态含量

按元素总量提取的方法及各种形态分析流程处理精河枸杞，运用ICP-MS 测定元素总量及7种不同形态中10种元素的质量[13-14]，研究表明，精河枸杞原样中各种金属元素的含量差异很大，其中Ca的含量最高，达到63.4 mg/g，其次是Mg为23.9 mg/g，说明精河枸杞中含有丰富的Ca、Mg等常量元素，另外，Fe、Zn等有益微量元素含量也很高。对人体健康产生危害的重金属元素如Pb、Cd、As等含量均很低，都在食品安全国家标准 (GB 2762-2017) 的限量范围之内，符合《中国药典》对植物源中药材重金属含量限量标的规定，精河枸杞样品中的3种有害重金属不存在质量安全风险。表4

表4 精河枸杞元素形态测定
Table 4 Determination results of speciation of trace elements in Jinghe Lycium

元素Element总含量Total content水煎液Water decoction可溶态Soluble state悬浮态Suspended state 可溶有机态Soluble organic state可溶无机态Soluble inorganic state有机态煎渣Organic state slag无机态煎渣Dregs of inorganic stateMg23.9013.716.636.954.991.244.113.27Ca63.422.4513.219.148.335.7417.207.89Fe201.399.254.2331.2343.8810.2340.4724.47Zn21.247.234.452.123.321.097.122.25Cu10.233.211.121.880.770.383.231.22Mn456.3299.236.2360.328.97.60279.376.78As0.012 40.003 10.001 10.001 40.000 40.000 10.000 10.006Se72.8954.2333.1219.784.4519.453.349.77Cd0.0230.009 10.003 10.004 90.000 90.001 90.002 10.003 7Pb0.210.067 40.025 30.033 40.007 20.018 70.003 30.005 2

注:Ca、Mg的单位为mg/g，其余元素为μg/g

Note: The units of Ca and Mg are mg/g, and the remaining elements are μg/g

2.2 形态参数

研究表明，精河枸杞原样及水煎液中均富含对人体有益的元素，水煎液中微量元素的提取率总体较低，除了Mg元素的提取率较高为 57.4%以外，其他元素的提取率均少于50%。提取率 (水煎液含量/总量×100%) 是表示中药材实际药效或毒副性的有效量，表示该药实际可服用部分。水煎液中的微量元素比原枸杞药中元素总含量降低很多，所以水煎液中的元素提取率是制定中药剂量和考察其毒副作用的关键参数。精河枸杞中微量元素的提取率低，说明在此过程中元素可能与枸杞中有些有机大分子结合，产生了较强的吸附力而难以溶出。此外，有害的重金属元素如As、Cd和Pb等的提取率基本都低于30%，说明这些有毒重金属元素主要残留在药渣中。图1，图2，表5

表5 精河枸杞中各元素形态参数
Table 5 The parameters of elemental speciation in Jinghe Lycium (%)

元素Element总提取率Total extraction rate(%)可溶态在水煎液中的比率The ratio of the soluble state to the Decoction (%)有机态在可溶态中的比率The ratio of organic states to soluble States (%)无机态在可溶态中的比率The ratio of inorganic states in the soluble state (%)Mg57.448.480.119.9Ca35.458.859.240.8Fe49.234.570.030.0Zn34.020.178.921.1Cu31.334.966.933.1Mn21.736.579.220.8As25.035.569.930.1Se39.633.672.527.5Cd30.815.581.718.3Pb22.620.765.934.1

图1 各元素总提取率
Fig.1 The total extraction rate of each element

图2 各元素可溶态在水煎液中比率
Fig.2 The proportion of soluble form of each element in decoction

2.3 可溶态中无机态与有机态

利用D101型大孔吸附树脂，可将枸杞可溶态溶液中的有机态和无机态进行分离。研究表明，在可溶态中除了Se、Cd和Pb中的无机态多于有机态，其余元素的有机态都远多于无机态。微量元素的形态含量比值变化对其功效发挥起着至关重要的作用。

中药有效化学成分是微量元素与有机成分组成的络合物。当中药中的微量元素与有机成分形成络合物进入人体后，原来的分子大小、脂溶性、电荷性、特别是分子的立体构型等都发生了改变，使得其容易与一定受体、载体和酶相结合，从而使药物在体内的吸收、分布和代谢的过程发生改变，使靶细胞和受体的选择性增加，使得疗效增强、耐药性和毒副作用降低。表4，表5， 图3

图3 各元素的有机态与无机态在可溶态中比例
Fig.3 The proportion of organic and inorganic form of each element in soluble form

2.4 可溶态中元素的醇溶态与水溶态分布

正辛醇(C8H18O)是一种直链脂肪醇，其结构上与人体内的脂肪和碳水化合物类似，药理学药物鉴定中常以正辛醇-水萃取体系测定K0W(元素在正辛醇相平衡浓度/元素在水相中的平衡浓度) 参数以考察药物的生物活性和亲脂性[16]。正辛醇中醇溶态微量元素具有较强的生物活性和亲脂性，如果药物的主要有效成分为微量元素，则正辛醇中醇溶性微量元素含量与药性、药效必然存在密切的联系。研究表明，Fe和Cu 在pH =1.3(类似胃、肠液酸度)下K0W均大于1，其余元素的K0W值均小于1。在可溶态中Fe和Cu的亲脂性及生物活性较强；Cu、Zn两种元素受pH的变化的影响很大，说明这两种元素的生物活性与pH值有着紧密的关系[17]。Fe和Cu两种有害元素的累积受生长环境的影响较大，仅依据试验的数据，并不能说明其食用的安全性。元素在酸性和弱碱性的条件下，K0W都大于1，在这两种条件下两种元素其生物活性都较强。绝大多数的元素受pH值的影响都较低。表6

表6 不同pH值下水溶态和醇溶态中金属元素含量
Table 6 Analytical results of water-soluble and n-Octanol soluble elements at different pH values

MgCaFeZnCuMnAsSeCdPbpH=1.3c01.243.1152.672.380.954.660.000 21.210.000 90.001 2cw5.9912.4545.884.420.4826.230.000 816.210.003 20.021 3K0W0.2070.2501.1480.5381.9790.1780.2500.0750.2810.056pH=7.6c01.673.7851.230.291.104.670.000 21.280.000 90.001 2cw5.4512.1144.213.100.5126.120.000 915.970.003 10.021 6K0W0.3060.3121.1590.0942.1570.1790.2220.0800.2900.056

3 讨 论

结合枸杞的药用价值，采用电感耦合等离子体-质谱仪(ICP-MS)对新疆精河枸杞中10种常量与微量元素的含量和初级形态进行了分析。实验表明，精河枸杞中10种元素Mg、Zn、Ca、Fe、Cu、Mn、As、Se、Cd、Pb各个元素的提取率在20.5%～47.8%，10种常量与微量元素的相对标准偏差在0.12%～1.25%；回收率在84.60%～106.1%。新疆精河枸杞中富含Ca、Mg等常量元素和Fe、Zn等有益元素，而对人体健康有害的重金属元素如Pb、Cd、As等含量很低，是一种有益于人体健康的优质中药材。此外，采用ICP-MS对新疆精河枸杞中的10种元素的含量进行了分析，测定方法快速、简便、准确、灵敏度高，测定结果较为准确。同时，研究考察了精河枸杞中微量元素各种形态之间的相关性，应用了相关分析手段[18]，这种中药质量研究方法具有较强的优势。研究表明，中药中微量元素的存在形态较为复杂，它们和有机成分之间会结合形成各种形态的、相互之间既有协同作用也有抑制作用的配位化合物，因此，在进行中药材质量及药效评价的研究时，不仅要充分考虑微量元素的含量，而且更要考虑其存在形态以及各种形态之间的比例[19-20]。

4 结 论

实验采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对新疆精河枸杞中10种元素的含量和初级形态进行了分析。同时对精河枸杞中十种元素进行了形态分析，分析表明新疆精河枸杞中富含Ca、Mg等常量元素和Fe、Zn等有益元素，而对人体健康有害的重金属元素如Pb、Cd、As等含量很低。该工作的研究对于建立检测方法及确立精河枸杞中微量元素的存在形态和药用价值的研究具有一定的意义。

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