电感耦合等离子体质谱法测定普洱生茶中10种矿质元素并结合化学计量法用于溯源茶产地

朱红玉,李云飞,张 薇,张 银,殷 红,王 英

(昆明海关技术中心,昆明 650228)

作为全球三大天然饮料之一的茶叶,不仅富含茶多酚、氨基酸、维生素、多糖、咖啡因等多种成分,还含有多种对人体有益的矿质元素[1-2],在抗肿瘤、抗氧化、降血脂、抗衰老等方面具有一定功效[3-4]。云南作为世界茶树的原产地中心,自然条件优越,制茶历史悠久,普洱生茶是云南特有的地理标志保护产品,具有暖胃、减肥、降血脂等功效。近年来,普洱生茶市场中存在以次充好、假冒名牌等诸多欺骗消费者的现象,普洱生茶产业的发展受到极大影响。目前对于普洱生茶的鉴别和评审主要依靠理化分析和感官评审,这种方法很容易受外界因素的干扰,且受评审者的主观影响较大,因此建立一种科学有效地鉴别普洱生茶产地的方法尤为重要。由于不同地域来源的普洱生茶中矿质元素的含量存在差异,因此可根据普洱生茶中矿质元素含量信息对其进行产地溯源。

目前,国内外茶叶产地溯源技术主要采用矿质元素定量分析方法结合化学计量法[5-10],相较于同位素指纹溯源技术、化学成分分析溯源技术,该方法具有分析成本低、准确度高等优势。并且电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)灵敏度高、干扰小、检出限低、分析快速,可同时测定多种元素,被广泛应用于食品和环境等检测领域。本工作以云南普洱生茶为研究对象,采用微波消解-ICP-MS对普洱生茶中铅、镉、镁、铝、钾、钙、锰、铁、铜、锌等10种矿质元素进行测定,并采用聚类分析、主成分分析、线性判别分析探讨以矿质元素判别同一省份不同茶区茶叶产地的可行性,筛选出有效的判别指标,以期为普洱生茶的产地溯源、质量安全监管提供新的依据。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

8800 型三重四极杆-电感耦合等离子体质谱仪;GM200型刀式混合研磨仪;BHW-09C-20 型高处理量高压微波消化-恒温消解仪;MARS6 Xpress型高处理量高压微波消化器;MARS Xpress 40 位微波消解罐;AB204 型电子天平;Milli-Q 型纯水系统。

铝、砷、硼、钡、铍、铋、镉、钴、铬、铜、铁、镓、锂、镁、锰、镍、铅、锑、锡、锶、钛、铊、钒、锌24种元素混合标准溶液:0.01 g·L－1。

钙、铁、钾、镁、钠混合标准储备溶液:1 g·L－1。使用时,用2%(体积分数,下同)硝酸溶液稀释至所需质量浓度。

铋、锗、铟、锂、镥、铑、钪、铽混合内标溶液:0.1 g·L－1。

铈、钴、锂、镁、钛、钇调谐液:0.01 g·L－1。

90个普洱生茶样品,其中云南省临沧市沧源县的普洱生茶样品30个(1S～30S),云南省普洱市景谷县普洱生茶样品30 个(31S～60S),云南省西双版纳州勐腊县普洱生茶样品30个(61S～90S);茶叶标准物质GBW 10083。

硝酸为优级纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 微波消解

微波消解程序如下:0～5 min,升温至120 ℃,保持5 min;10～15 min,升温至150℃,保持5 min;20～30 min,升温至195 ℃,保持30 min。

1.2.2 ICP-MS

射频功率1 550 W;蠕动泵提升转速0.3 r·s－1,蠕动泵采集转速0.1 r·s－1;雾化室温度2 ℃;等离子体气流量15.0 L·min－1,载气流量1.07 L·min－1,辅助气流量1.0 L·min－1;重复测定3次;积分时间0.100 0 s;采样深度8.2 mm;驻留时间30 ms。

待测元素同 位素选 择24Mg、27Al、39K、43Cd、55Mn、56Fe、63Cu、66Zn、111Cd、208Pb,内标元素同位素选择45Sc(用于校正镁、铝、钾、钙、锰和铁)、72Ge(用于校正铜和锌)、115In(用于校正镉)、209Bi(用于校正铅)。

1.3 试验方法

1.3.1 样品测定

参照国家标准GB 5009.268－2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》。称取粉碎并混合均匀的茶叶样品0.2 g(精确至0.000 1 g),置于聚四氟乙烯微波消解罐中,加入5 mL 硝酸,加盖放置1 h,旋紧罐盖,按照1.2.1 节微波消解程序进行消解,得到澄清消解液。消解结束后,冷却至室温,缓慢打开旋盖排气,用少量水冲洗内盖,将微波消解罐放在恒温加热消解仪上,于100 ℃加热15 min,再用水定容至50 mL 容量瓶中,混匀备用,按仪器工作条件测定样品中铅、镉、镁、铝、钾、钙、锰、铁、铜、锌等10种矿质元素的含量,随同做空白试验。根据实际情况,可将样品溶液稀释至线性范围内进行测定。

1.3.2 数据分析

由于普洱生茶中各矿质元素的含量差异较大,直接进行模式识别分析,会造成结果的偏差,因此需要对普洱生茶的测定数据进行标准化预处理。

将每个元素的测定值分别减去该元素的平均值,然后再除以该元素的标准差,使得变量平均值为0,均方差为1[11]。原始测定数据经标准化处理后得到一个新的90×10的数据矩阵。对茶叶样品进行方差分析和邓肯多重比较分析,采用SPSS 18.0统计软件对普洱生茶样品进行聚类分析、主成分分析和线性判别分析,评估以矿质元素含量溯源普洱生茶产地的可行性,并通过初始检验、交叉检验和外部检验对不同产地的普洱生茶样品进行分析,以验证方法的可靠性、特异性。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线和检出限

移取适量的0.01 g·L－1铝、砷、硼等24种元素混合标准溶液和0.01 g·L－1钙、铁、钾等5种元素混合标准溶液于棕色试剂瓶中,用2%硝酸溶液逐级稀释,配制成各待测元素质量浓度为1.0,5.0,10.0,20.0,50.0,100.0μg·L－1的混合标准溶液系列,于4 ℃保存备用。按照仪器工作条件对上述混合标准溶液系列进行测定,以各待测元素的质量浓度为横坐标,其对应的响应值与内标响应值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,镉、铅、铜、锌、铁、锰、铝、镁、钙、钾标准曲线的线性范围均为1.0～100.0μg·L－1,线性参数见表1。

对空白样品溶液连续测定11次,以3倍标准偏差(s)计算检出限(3s),结果见表1。

表1 线性参数和检出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

2.2 茶叶标准物质的测定

按照试验方法对茶叶标准物质GBW 10083中10种矿质元素进行测定,计算测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

由表2可知,10种矿质元素的测定值与认定值基本一致,测定值的RSD 均小于5.0%,说明本方法的准确度和精密度较高。

表2 茶叶标准物质中矿质元素的测定结果(n=6)Tab.2 Determination results of mineral elements in the certified reference tea(n=6)

2.3 普洱生茶样品的测定

按照试验方法对不同产地的90个普洱生茶样品(1S～90S)中10种矿质元素进行测定,并且根据方差分析和邓肯多重比较分析判断测定结果的差异性,结果见表3。其中,“a,b,c”为差异显著标记(P＜0.05)。

表3 普洱生茶中矿质元素含量分析Tab.3 Contents analysis of mineral elements in Pu-erh raw tea

结果表明,3个产地普洱生茶中10种矿质元素含量从大到小依次为钾、钙、镁、锰、铝、铁、锌、铜、铅、镉,其中常量元素主要包括钾、钙、镁,微量元素主要包括铁、锌、铜、铅、镉。普洱生茶中钾元素含量最高,由于钾元素可调节细胞内渗透压和体液的酸碱平衡,减少心血管疾病,参与碳水化合物、蛋白质的正常代谢[12],是维持生命不可或缺的元素,因此普洱生茶具有作为钾营养补充物的潜在价值。另外,同种元素含量在不同产地的普洱生茶中也有一定差异,如铅、铁和锌在3大产区均存在显著差异;临沧和普洱产区的镉和钙不存在显著差异,而与西双版纳产区的存在显著差异;临沧和西双版纳的镁、钾和铜不存在显著差异,而与普洱产区的存在显著差异;普洱和西双版纳的铝不存在显著差异,而与临沧产区的存在显著差异;普洱和西双版纳的锰不存在显著差异,而与临沧产区的存在显著差异。

2.4 聚类分析

聚类分析是指在无任何先验知识时,根据样本间的距离与相似程度,对一组数据的群聚结构进行分类,进而体现数据内在的规律性[13]。聚类分析可以粗略地寻找不同产地普洱生茶的亲缘接近程度。通过SPSS 18.0软件对90个普洱生茶样品进行系统聚类分析,选用类间平均链锁法和欧式距离平方测量技术,得到90个茶叶样品的聚类树状图,结果见图1。

图1 普洱生茶聚类树状图Fig.1 Cluster tree of Pu-erh raw tea

由图1可知,当临界值λ为10时,普洱生茶样品可被分为三大类,1S～30S样品聚为一类,对应临沧市沧源县的30 个样品;31S～60S 样品中,除40S、50S、60S样品外,剩余27个样品聚为一类,对应普洱市景谷县的27个样品;其余30个样品聚为一类,对应西双版纳州勐腊县普洱生茶样品。聚类分析结果比较清晰,与实际分类的结果基本一致,仅有个别少数样品出现归类错误,可能是由于样品本身来源的不确定性造成的。

2.5 主成分分析

主成分分析是一种通过对数据降维来排除重叠或相关化学信息的多元线性统计分析方法,是处理多维数据不可缺少的重要工具[14]。通过SPSS 18.0软件的主成分分析功能,对3个不同产地的普洱生茶样品中10种矿质元素含量进行分析,各成分特征值及方差贡献率见表4。

表4 主成分分析结果Tab.4 Results of principal component analysis

结果表明,成分1和成分2的方差贡献率分别为60.126%和20.255%,这两个成分的累积贡献率达到80.381%,且特征值均大于1,说明用这两个成分便可显示茶叶中矿质元素80.381%的信息[15]。因此,在损失较少信息的前提下,可以用这两个成分数据来描述茶叶中10种矿质元素含量的大部分数据,达到了对不同产地普洱生茶矿质元素含量指标降维的目的。各元素的载荷矩阵得分见表5。

表5 主成分载荷矩阵Tab.5 Component matrix

结果表明,主成分1反映了铅、镁、铝、钾、铁、铜和锌含量的综合指标,主成分2反映了钙、镉和锰含量的综合指标。再结合主成分1的贡献率,可以判断铅、镁、铝、钾、铁、铜、锌这7种元素的含量对于茶叶产地分类的贡献较其他元素大。3个产地的普洱生茶样品的主成分得分图见图2。

由图2可知,临沧、普洱和西双版纳90个普洱生茶样品在主成分1和主成分2构成的象限中得到较好的区分,但是存在一定程度的重叠,因此需要结合线性判别分析进一步区分。

图2 普洱生茶样品的主成分得分图Fig.2 Principal component score diagram of Pu-erh raw tea samples

2.6 线性判别分析

对铅、镉、镁、铝、钾、钙、锰、铁、铜、锌等10种矿质元素进行线性判别分析,筛选出对产地判别有效的变量。结果显示,铅、镉、钙、锰、铁、铜、锌等7种元素被引入到判别模型中,构建了3个产地的判别模型:

式中:w为各元素的质量分数,μg·g－1。

利用上述模型,对临沧、普洱和西双版纳各30个普洱生茶样品进行初始检验和交互检验,并对27个保山普洱生茶样品进行外部检验,结果见表6。

表6 不同产地普洱生茶样品的线性判别分析结果Tab.6 Linear discrimination results for different producing areas of Pu-erh tea

结果显示:临沧、普洱、西双版纳普洱生茶的初始检验、交叉检验识别率均为100%,说明模型能够有效鉴别这3个产地的普洱生茶样品;对来自保山的27个普洱生茶样品进行外部验证,识别率为0,说明线性判别分析所建立的3个模型具有良好的特异性。

本工作采用微波消解-ICP-MS测定了不同产地普洱生茶中10种矿质元素的含量,结果准确度高。对数据进行标准化处理,结合聚类分析、主成分分析和线性判别分析,对90个普洱生茶的产地进行了区分,结果令人满意,表明普洱生茶中的矿质元素含量可以作为其产地判别的指标之一,在普洱生茶产地溯源以及特色地理标志性产品的保护、鉴别中具有广泛的发展前景。但是本工作仅进行了初步探索,今后需扩大采样量和采样地进行分析研究,筛选并建立更有效的指标体系,并进一步研究各判别指标的适用范围。