铜藻中无机元素的含量分析与食用安全评价

赵艳芳，尚德荣，康绪明，翟毓秀，王联珠，盛晓风，丁海燕

(中国水产科学研究院 黄海水产研究所，农业农村部水产品质量安全检测 与评价重点实验室，山东 青岛 266071 )

铜藻(Sargassumhorneri)，属褐藻门、圆子纲、墨角藻目、马尾藻科、马尾藻属，为暖温带大型褐藻，我国浙江、福建、山东、辽宁等沿海地区均有分布。铜藻藻体高大、气囊圆柱形，单棵铜藻长度可达10 m、质量可超过5 kg，具有较高的经济价值。铜藻是褐藻胶、褐藻糖胶及褐藻淀粉的重要原料[1]，且含有蛋白质、纤维素、甾醇类、萜类化合物等[2-3]。《中华本草》记载了铜藻可作为中药治疗水肿、咳嗽、甲状腺肿大等疾病[4]。因此，铜藻不仅是海藻工业的优质原料，在医药、食品、饲料和有机肥料中也具有较高的应用价值[5-7]。同时，铜藻又是近海海藻场及海底森林的主要组成部分，为多种海洋动物提供了庇护、索饵、栖息及产卵的场所，被誉为“生态型鱼礁”，还可吸附海水中的富营养化物质和重金属等，具有很高的生态价值[8-10]。

目前，国内外有关铜藻研究的热点主要包括其生态学[11]、遗传学[12-13]、生物活性物质[7]、营养评价[1]等，研究表明，海藻具有富集海水中重金属的特性，不同海藻对特定重金属吸附能力存在差异，且选择性富集重金属[14]，但目前有关铜藻中无机元素分布特征研究还很少。因此，笔者以我国不同海域采集的铜藻为研究对象，综合分析铜藻中包括常量元素、微量元素以及稀土元素等共35种无机元素的含量，同时对铜藻中的As进行形态分析，阐明铜藻中砷的主要存在形态及分布特征，对铜藻中有害元素进行食用安全评价分析，以期为铜藻的综合开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

铜藻样品于2018年10月—12月采集于浙江、山东和辽宁沿海海域，每个样品约取2 kg，用采样点海水清洗去除海藻表面附着物，冷藏低温运至实验室。超纯水冲洗数次，真空冷冻干燥，粉碎均匀，用于无机元素总量测定和无机砷形态分析。

1.2 仪器与试剂

Optima 5300DV电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP，美国PE公司)，Elan DRC Ⅱ 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国PE公司)，HPLC-ICP-MS联用分析仪(美国PE公司)，Mars 6 密闭微波消解仪(美国CEM公司)。

硝酸(国药集团化学试剂有限公司)，优级纯。多元素混合标准溶液包括铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、硒(Se)、铝(Al)、钒(V)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、砷(As)、锶(Sr)、铅(Pb)、镉(Cd)，质量浓度为1 μg/mL；钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)、镁(Mg)、磷(P)各单元素标准溶液(国家标准物质中心)，质量浓度为1000 μg/mL；稀土元素标准品为铈(Ce)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)多元素混合标准溶液(国家标准物质中心)，质量浓度为100 μg/mL；GBW10023紫菜(Porphyra)成分分析标准物质(国家标准物质中心)。

1.3 分析方法

1.3.1 无机元素检测方法

称取0.2 g 粉碎均匀的海藻样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL HNO3，密闭后放入微波消解仪消解，待消解完全后，将消解液赶酸至1 mL。待消解罐冷却后，将消化液用二级水定容至25 mL。微波消解与赶酸程序为：(1)温度爬升5 min，保持5 min，温度120 ℃，功率1200 W；(2)温度爬升10 min，保持20 min，温度180 ℃，功率1200 W；(3)温度爬升10 min，保持25 min，温度200 ℃，功率1200 W；赶酸程序为：温度爬升8 min，保持10 min，温度140 ℃，功率1200 W。同时做试剂空白试验。每个样品平行测定3次。

参照食品安全国家标准GB 5009.268—2016《食品中多元素的测定》[15]，铜藻样品消化液中K、Na、Ca、Mg、P用电感耦合等离子体发射光谱仪检测；Fe、Mn、Cu、Zn、Se、Al、V、Cr、Co、Ni、As、Sr、Pb、Cd微量元素用电感耦合等离子体质谱仪检测；参照国家标准GB 5009.94—2012《植物性食品中稀土元素的测定》[16]测定铜藻样品中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc 16种稀土元素的含量。选择国家标准物质—紫菜成分分析标准物质(GBW10023)为质控样品，以检验检测结果的准确性。质控样品中无机元素含量的消解方法、测定方法与铜藻样品完全相同。

1.3.2 铜藻样品中As形态分析

铜藻样品中As的形态分析方法参考国家标准GB/T 23372—2009[17]，取粉碎均匀的真空冻干铜藻样品约0.5 g于50 mL离心管中，加入20 mL超纯水，涡旋混匀后，超声提取40 min，以8000 r/min转速于4 ℃离心10 min，吸取上清液过0.45 μm滤膜，滤液注入HPLC-ICP-MS联用仪对亚砷酸盐As(Ⅲ)、砷酸盐As(Ⅴ)、一甲基砷酸MMA和二甲基砷酸DMA 4种形态的砷进行定性和定量分析。每个样品重复测定3次。

所用的液相色谱柱为阴离子保护柱IonPac AG 19和阴离子分析柱 IonPac AS 19。流动相组成为：10 mmol/L无水乙酸钠，3 mmol/L硝酸钾，2 mmol/L磷酸二氢钠，0.2 mmol/L乙二胺四乙酸二钠(pH调至10.7)。流速为1.0 mL/min，进样量为20 μL。

1.4 数据统计

结果用平均值±标准差表示，采用SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 质控样品无机元素含量

紫菜标准物质样品经电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法分析，显示其所含各元素测量值的平均回收率为87.5%～106.2%，表明所用方法能满足海藻样品中无机元素含量分析要求。

2.2 铜藻中常量元素含量

铜藻中Ca、K、Na、Mg、P常量元素含量较高(表1)，其中K的含量最高，且不同地区采集样品的含量显著不同，其中荣成地区采集的样品含量最高，大连地区采集的样品含量最低，含量为4.25×104mg/kg。其次分别为Na、Mg、Ca和P。比较5个地区采集的样品发现，荣成地区采集的铜藻中5种元素含量均最高，大连地区采集的样品中5种常量元素含量最低。

2.3 铜藻中微量元素含量

铜藻中Mn、Fe、Cu、Zn等微量元素的含量见表2。铜藻富含Fe，最高含量达1164.17 mg/kg(山东桑沟湾海区)，其次为Mn，含量最高为57.46 mg/kg(山东桑沟湾海区)。与以往研究结果相比，本试验采集的铜藻样品中Fe和Mn的含量远高于从南麂列岛采集的铜藻样品中的含量(分别为286 mg/kg和6.49 mg/kg)[14]。本试验铜藻样品中Cu的平均含量为4.74 mg/kg，Zn的平均含量为13.19 mg/kg，与南麂列岛采集的铜藻中含量相似(分别为4.89 mg/kg和16.13 mg/kg)。Cr的平均含量为5.92 mg/kg，远高于南麂列岛铜藻样品的含量(0.50 mg/kg)[14]。另外，试验发现，铜藻中含有丰富的Sr，含量为1001.76～2010.13 mg/kg。铜藻还含有一定量的V、Ni、Se和Co，其中前三者含量相似，Co的含量较低。铜藻Al的含量较高，平均含量为821 mg/kg，其中含量最低的为采自大连海区的样品(467.55 mg/kg)，含量最高的为采集自桑沟湾海区的样品(1116.80 mg/kg)。铜藻富含微量元素As，结果表明，总As的含量为86.77～126.76 mg/kg。Cd的含量较低，且不同地区铜藻的Cd含量相似，为0.27～0.36 mg/kg。Pb的含量稍高于Cd，为0.60～0.88 mg/kg。其中，总As和Cd的含量与文献[14]中报道相似，而有关铜藻中Sr、V、Ni、Se、Co、Pb、Al等元素的含量尚未见报道。

表1 铜藻中常量元素的含量(干质量) ×104 mg/kg

表2 铜藻中微量元素的含量(干质量) mg/kg

2.4 铜藻中As形态分析

采用HPLC-ICP-MS联用分析方法对铜藻中的As进行形态分析(图1)，铜藻中的As主要以As(Ⅴ)形态存在，其次为二甲基砷酸，以及小部分有机砷糖，未发现As(Ⅲ)。对As(Ⅴ)和二甲基砷酸进行定量分析，数据见表3。铜藻中的As主要以As(Ⅴ)的形态存在，其含量约占总砷的70%以上。二甲基砷酸的含量较低(1.0 mg/kg)，不足总砷含

量的1%。由于有机砷糖没有标准品无法进行准确定量，但根据峰面积比较可以发现，有机砷糖的含量低于二甲基砷酸。

2.5 铜藻中稀土元素含量

稀土元素为原子序数较小的“轻稀土元素”和原子序数较大的“重稀土元素”。研究表明，铜藻对轻稀土元素的富集能力远大于重稀土元素，轻稀土元素的含量约为重稀土元素的2.0～2.5

表3 铜藻中砷形态分析结果(干质量) mg/kg

倍。轻稀土元素中，Ce的含量最高，为0.73～1.98 mg/kg，La的含量次之，为0.40～0.98 mg/kg，Nd的含量为0.34～0.86 mg/kg，Eu的含量最低。重稀土元素中，Y的含量最高，含量为0.56～1.03 mg/kg，Sc的含量次之。不同地区采集的铜藻中总稀土元素含量不同，最高为6.49 mg/kg，最低为2.77 mg/kg，平均值为5.38 mg/kg(表4)。

3 讨 论

3.1 铜藻对有益元素的富集

因为海藻细胞壁主要由肽聚糖、磷脂和蛋白质组成，具有黏性，带负电荷，并可提供许多能与离子结合的官能团，所以海藻易从周围环境中富集各种离子。不同海域海藻重金属含量存在差异，一方面与选取海藻种类、采样时间有关，同时受海藻的生长发育、水体中营养盐、海水重金属含量等因素影响[14,18]。本试验结果表明，不同海域采集的铜藻中元素含量存在显著差异。铜藻中褐藻胶含量丰富，约为22%[19]，海藻酸的钾盐即海藻酸钾在胃酸的作用下可分解成褐藻酸及钾离子，褐藻酸能与使血管收缩、血压升高的钠离子结合排出体外，而钾离子被吸收可使血压下降。海藻酸的钠盐即海藻酸钠可使人体对胰岛素的敏感性提高，并减轻糖尿病患者的浮肿，使其血糖下降。因此富含K的铜藻具有天然降压、降糖的保健作用。

铜藻中富含的Fe、Mn、Zn、Cu等微量元素是维持人体新陈代谢的重要元素，参与多种酶的激活[20]。如Fe是血红蛋白的重要组成部分，是血液里输送氧和交换氧的重要元素，同时又是很多酶的组成成分与氧化还原反应酶的活化剂；Zn能增强机体免疫力，Zn的缺乏导致自身免疫性疾病；Mn是人体中超氧化物歧化酶等多种酶的组成成分，有拮抗化学致癌的作用。本试验结果表明，铜藻含有丰富的Sr，与严小军等[21]发现的Sr是褐藻特征元素的研究结论一致；另外还含有一定量的V、Cr、Co、Ni和Se等。已有研究证明，V是人体有益的元素，能降低血液中胆固醇的含量，Sr是人体骨骼及牙齿的组成部分，Ni能促进体内红细胞的增长和氨基酸合成等，Se具有抗衰老和抗癌的作用。因此，铜藻含有大量有益于人体健康的微量元素，具有较高的开发应用前景。

3.2 铜藻对有害元素的富集

除了有益的微量元素外，海藻也能富集许多有害元素，如Pb、Cd和As等[18]。本试验结果表明，铜藻中Cd和Pb等有害元素的含量较低，其中Pb的含量平均为0.73 mg/kg，高于Cd的平均含量(0.31 mg/kg)。目前我国国家标准中对海藻中Cd的限量没有规定，对Pb的限量标准为1.0 mg/kg[22]。国际上，欧盟委员会发布法规(EU)No 488/2014中指出，由于海藻会自然累积Cd，因此规定仅有或主要有干海藻、海藻制品组成的食品补充剂中Cd的限量为3.0 mg/kg[23]，结合本试验的分析数据可以得知，铜藻中Pb和Cd对其食用安全的风险较低。Cr的不同形态导致其既是一种人体必需的微量元素，也是一种高致癌的元素，其中Cr(Ⅲ)是人体必需的微量元素，而Cr(Ⅵ)因其氧化性和对皮肤的高渗透性，具有较强的致癌作用。我国食品安全国家标准中没有对海藻中铬的限量进行明确规定，美国NSF/ANSI 173—2016标准中规定：“膳食补充剂”的原材料中Cr(Ⅵ)含量不得超过2.0 mg/kg[24]。由于目前国内外仅有对海藻中总Cr的分析方法，因此本试验没有对铜藻中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行分析，仅依据总Cr的含量尚不能给出明确的食用安全评价结论。铜藻中总Al的含量较高，含量为467.55～1116.80 mg/kg。我国国家食品安全标准中尚没有制定对海藻中Al的标准限量。Al的生物毒性取决于其存在形态，不同形态Al的毒性相差甚远，其中自由态三价铝Al3+的毒性最大，而有机铝(Al-Org)的毒性则大为降低甚至消失。对海藻中Al的形态分析研究表明，海藻中毒性最高的Al3+的含量占总Al含量的百分比非常低(1.29%～6.24%)[25-26]。实验室内对动物和人类志愿者的研究结果显示，Al的吸收率小于1%，但由于目前Al的研究方法不同，对不同形态Al化合物的吸收速率与生物利用率尚没有确切的结论[27]。因此，有关铜藻中Al的食用风险需要进一步研究确证。铜藻中总As含量较高，由于海藻中As能以无机(亚砷酸盐、砷酸盐)和有机(一甲基砷酸、二甲基砷酸、砷糖)等多种形态存在，因此，若仅分析铜藻中总As的含量不能有效评估其食用安全性。

本试验结果表明，铜藻与海带(Saccharinajaponica)、紫菜等大部分海藻中As的形态分布完全不同，大部分海藻中As主要以有机砷形态存在，其中有机砷糖的含量约占总As的90%以上，无机砷含量非常低[28]。铜藻中As的形态分布与羊栖菜(Hizikiafusiforme)相似，但羊栖菜因其高含量的无机砷而成为被加拿大、英国、欧盟、澳大利亚、新西兰等许多国家和地区政府建议消费者禁止食用的海藻产品[29]，因此铜藻中由无机砷导致的食用风险需要同样引起重视。海洋中As无处不在，海水中的As主要以As(Ⅴ)形态存在，当海水中的砷酸盐被海藻摄取进入细胞后，会被快速还原和甲基化，最后主要以砷糖及少量二甲基砷酸和其他甲基化的砷化合物形态存在[30]。本试验表明，铜藻中的As主要以砷酸盐形态存在，而砷糖含量非常低，原因可能是铜藻细胞中缺乏或未启动对砷酸盐发生还原、甲基化等的关键作用因子，另一方面，由于海藻中砷酸盐转化成砷糖的过程是一种解毒过程，因此可能是铜藻细胞对砷酸盐具有较高的耐受机制，在砷酸盐的剂量尚未对藻细胞产生毒性的情况下，未启动还原、甲基化等过程。遗憾的是，目前并未查阅到阐明铜藻的这一特性的文献资料或研究，因此有关铜藻对高含量砷酸盐的富集及其耐受机制成为进一步研究的方向之一。

3.3 铜藻对稀土元素的富集

海藻中含有比陆地植物丰富得多的稀土元素，石莼(Ulvalactuca)、刺松藻(Codiumfragile)中La、Sm、Ce、Eu、Lu、Nd、Sc和Yb共8种稀土元素的含量丰富，鲜质量达6.75～7.46 mg/kg[31]，另有研究表明[32]，浒苔(Enteromorphaprolifera)中15种稀土元素的总量为16.01 mg/kg，其中Ce、La、Nd的含量分别为6.01、2.90、2.60 mg/kg，均远高于本试验中铜藻的含量；而海带和紫菜中稀土元素的含量分别为3.89、4.32 mg/kg，略低于本试验中铜藻的含量。海带、紫菜和浒苔对轻稀土元素的富集能力较高，轻稀土元素分别占总稀土含量的90.9%、87.3%和91.1%。由试验结果可知，铜藻中轻稀土元素约占总稀土含量的70%，说明不同海藻对不同种类稀土元素的富集能力存在差异。

目前有关海藻中稀土元素的药用及保健作用研究还很少。稀土元素在植物体内能与生物大分子结合，并且这种稀土元素结合的大分子有诸多活性。如稀土元素结合的茶多糖活性随其稀土元素含量增加而增加，海藻糖胶铈配合物具有抗氧化活性，中药田基黄中富含的稀土元素可能是其具有显著肝病治疗效果的重要因素[32]。因此，铜藻富含的稀土元素可能与其具有的药用作用与保健作用密切相关。

4 结 论

综上，铜藻具有丰富的人体必需和具有重要药用与保健作用的无机营养元素。2016年6月韩国食品药品安全处将包括铜藻在内的6种马尾藻类载入新食品原料目录，并在《食品卫生法》公布。通过本试验得出，铜藻中高含量的无机砷和铝对其食用安全性的风险较高，因此亟需进一步开展铜藻中有害元素的生物利用率及生物毒性研究，以期在促进铜藻在食品、医药保健品、饲料等领域综合开发利用的同时确保其食用安全性。