超声浸提结合电感耦合等离子体质谱同时测定青稞中7种矿质元素

陈佳悦 李春梅 范 蓓 王丽丽 郑佳欢 崔 莹 刘贵巧 王凤忠

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；2.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193）

青稞（Highland barley）直属大麦，因具有耐寒、耐瘠薄、生长期短、适应性广等特性[1]，成为青藏高原主要的农作物之一，也是青藏地区人民主要的食物来源。青稞也同时应用于食品、药品、饲料、酿造等方面，富有“三高两低”（高蛋白、高纤维、高维生素和低脂肪、低糖）的美誉，是谷类作物中的佳品[2～3]。 另外， 青稞富含铁 （Fe）、 镁（Mg）、钾（K）等多种矿质元素，它们直接或间接参与机体正常的生理代谢功能，如铁增强血红蛋白与氧结合的能力；镁激活多种酶反应；钾维持细胞渗透压平衡等[4～6]。然而，有关青稞组成成分分析目前主要集中于蛋白质、脂肪等理化品质的研究，对矿质元素组成与含量分析的报道甚少[7～8]。而因矿质元素缺乏导致的隐形饥饿已成为威胁我国国民健康的重要因素[9]。因此，对青稞中矿质元素组成及含量开展分析检测具有重要意义。

目前，测定矿质元素的仪器方法主要有原子吸收分光光度法、分光光度法、电感耦合等离子体质谱法（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）等，其中ICP-MS方法因具有检出限低、动态线性范围宽、可同时检测多元素等优点，成为近年来普遍采用的矿质元素测定方法[10～14]。样品前处理方法通常采用微波消解、干法消解、湿法消解等，然而，干法消解需要超高温将样品完全碳化，耗时相对较长且可能造成矿质元素流失[15]；微波消解虽然速度较快耗时短，全程密闭环境受干扰较小，但需要用到微波消解密闭罐，价格较为昂贵[16]；湿法消解是在加热板上进行消解，可以同时处理大批量样品，但是消解过程中会产生大量有毒有害气体，对环境污染严重[17]。因此，有必要建立一种更为简便快速的青稞中矿质元素测定的样品前处理方法。

超声提取技术是一种使用简单、提取效率高的样品提取技术，目前已广泛应用于植物中天然产物及食品和环境中污染物的提取和分析[18～22]。因此，本研究以青稞为研究对象，通过优化超声提取时间、温度、提取剂用量等因素，去除青稞基质干扰，建立同时测定青稞中7种矿质元素的超声浸提结合ICP-MS分析方法，并对不同产区和不同品种青稞中的矿质元素含量进行分析，以期为青稞中矿质元素的分析提供有效的技术支撑。

一、材料与方法

（一）材料与试剂青稞由青海省农林科学院提供。钙 （Ca）、镁、钾标准储备溶液 （10 000 μg/mL，北京有色金属研究院）；锌 （Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）、铁标准储备溶液（1 000 μg/mL，北京有色金属研究院）；浓硝酸（优级纯，国药集团化学试剂有限公司）；浓盐酸（优级纯，国药集团化学试剂有限公司）；72Ge内标溶液（500 μg/L，北京有色金属研究院）。

（二）仪器与设备Agilent Technologies 7700 Series电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦公司）；HEAL FORCE NW台式超纯水制备仪（香港力康生物医疗科技控股集团）；GZX-9030 MBE电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；KQ 5200 DV超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；FW 80高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）。

（三）实验方法

1.样品制备。称量50 g青稞，在烘箱内60℃烘干24 h。将干燥的样品用高速万能粉碎机粉碎均匀，过100目筛，收集筛过物（青稞粉），并再次研磨筛余物，重复上述操作直至筛过物中无明显的青稞粒。收集青稞粉，将所有样品储存在-20℃冰箱中。

2.样品前处理。称取青稞粉末样品0.2 g（精确至0.000 1 g）于离心管中，加入9 mL浓硝酸-浓盐酸（2∶1，V/V），在超声浴中（最大功率40 kHz）70℃超 声15 min，以4 500 r/min离 心10 min，过0.22 μm的水系滤膜。取1 mL滤液加入超纯水定容至50 mL，每组3个平行，上机测定。

3.ICP-MS条件。本研究采用安捷伦7700型ICP-MS仪器进行矿质元素含量测定，用1 μg/mL的调谐液进行调谐，根据GB 5009.268-2016标准稍作调整，仪器操作条件详见表1。

表1 ICP-MS仪器操作条件

4.统计分析。本研究采用SPSS 26.0进行单因素试验数据处理、分析，采用Origin 2019软件对测定数据进行整理统计和画图分析。

二、结果与分析

（一）前处理方法优化

1.超声时间的选择。按照上文“（三）实验方法”，其他条件不变，分别比较了不同超声时间（15、20、25、30 min）对青稞中7种矿质元素提取率的影响，结果见图1。由图1可知，随着超声时间的增加，除Fe元素外，其余6种矿质元素的提取率无显著差异（P＞0.05），Fe元素的提取率在15 min时达到了最大值。考虑到分析时间和提取率，进一步比较了超声5 min和10 min的效果，结果发现超声时间过短，浸提液会析出，表明未完全消解，因此，最终选择超声提取时间为15 min。

图1 超声时间对矿质元素提取率的影响

2.超声温度的选择。按照上文“（三）实验方法”，其他条件不变，考察不同超声温度（50、60、70、80℃）对青稞中7种矿质元素提取率的影响，结果见图2。由图2可知，随着超声温度的升高，7种矿质元素的提取率均有所升高，其中Fe和Zn元素的提取率显著升高（P＜0.05），这可能是由于在较高温度下，超声波的空化作用增大了青稞中矿质元素进入提取溶剂的速度[23]。当超声浴温度为70℃时，除Fe元素外，其余6种元素的提取率均达到了最大值，因此，最终选择超声温度为70℃。

图2 超声温度对矿质元素提取率的影响

3.提取剂用量的选择。目前，矿质元素提取常用的提取剂为浓硝酸、浓盐酸、双氧水等以及它们的混合液。顾佳丽等[24]通过比较不同提取剂对矿质元素提取率的影响，发现单一硝酸对元素的提取率较低，而硝酸-盐酸和硝酸-盐酸-双氧水混合液对元素的提取率基本一致。因此，本研究选择较为简单的硝酸-盐酸混合液作为提取剂，并在此基础上对提取剂体积进行优化。按照上文“（三）实验方法”，其他条件不变，考察由浓硝酸-浓盐酸（2∶1，V/V）配制的提取剂在不同体积（5、6、7、8、9 mL）下对青稞中7种矿质元素提取率的影响，结果见图3。由图3可知，随着提取剂体积的增加，7种矿质元素的提取率呈现先升高后降低再升高趋势，且当提取剂体积为9 mL时，7种矿质元素的提取率显著升高（P＜0.05），达到了最大值。因此，最终选择提取剂体积为9 mL。

图3 提取剂用量对矿质元素提取率的影响

（二）方法学评价

1.线性范围和检出限。将7种矿质元素标准储备溶液用5%硝酸溶液逐级稀释为系列混合标准溶液，按照仪器工作条件，由低到高依次测试各混合标准溶液，绘制标准曲线并计算出回归方程及相关系数，结果见表2。由表2可知，在线性范围内，7种矿质元素的线性关系良好，相关系数为0.999 2～0.999 9。对空白溶液进行11次平行测定，计算标准偏差，以3倍标准偏差值除以标准曲线斜率计算各元素的检出限。结果显示，Ca元素的检出限为140 μg/kg，Mg、K、Mn、Fe、Cu、Zn 6种矿质元素的检出限在0.01～3.21 μg/kg之间（见表2），均显著低于GB 5009.268-2016中ICPMS方法检出限，说明该方法可以满足我国青稞中7种矿质元素的检测要求。

表2 各元素线性范围、线性方程、相关系数及检出限

2.方法准确度和精密度。采用加标回收率试验进一步验证该方法的准确度和精密度。在青稞样品中分别添加3个不同浓度水平的7种矿质元素混合标准溶液，每个水平重复3次，按照优化后的方法对样品进行提取并检测，得到各添加水平下的平均回收率为84.2%～115.6%，相对标准偏差（RSD）为2.76%～6.22%，结果见表3。

表3 青稞样品中7种矿质元素加标回收率试验结果

在此基础上，进一步采用大米标物对方法的准确度进行了验证，结果见表4。由表4得出，本研究所建立的超声浸提法对矿质元素的测定值与标物参考值无显著差异，均在大米标物矿质元素的误差范围内，且与GB 5009.268-2016湿法消解结果基本一致，表明方法具有准确性。

表4 大米标物中7种矿质元素参考值及其测定值比较 （mg/kg）

3.实际样品分析。采用本研究所建立的方法，分别对不同产区和不同品种的青稞样品进行检测，结果见表5。由表5可知，8个青稞样品中K含量最高，为4 077～5 717 mg/kg，该结果与已有文献报道的青稞中富含K元素的结果一致[25～26]。相比其他主要食用谷物，青稞中K含量相当于玉米中的3.3倍[27]。在8个青稞样品中，含量其次高的矿质元素是Mg、Ca和Fe元素，其含量分别为881～1 641、321～1 374、60.9～393 mg/kg，其中Mg元素是人体必需的微量元素，它对心脏血管起着重要的保护作用，其在青稞中的含量约是水稻中的6倍[28]；Fe元素是人体运送氧和利用氧的核心物质，它在人体内主要参与氧的转运、交换和组织呼吸过程[29]，其在青稞中的含量约是糙米中的2倍[30]。Zn（45.0～73.1 mg/kg）、Cu（2.30～6.01 mg/kg）和Mn（12.5～24.1 mg/kg）元素在青稞样品中的含量相对较低，但是与其他谷物相比，青稞中Mn含量约是小麦中的4倍[27]。

表5 不同产区和不同品种青稞样品中7种矿质元素含量测定结果 （mg/kg）

由表5可见，不同产地的青稞中7种矿质元素含量存在一定差异，如西宁昆仑14号青稞中Ca、Fe含量相对较高，分别是门源昆仑14号青稞的1.6倍多和2倍多；海南柴青1号青稞中Zn含量为海西柴青1号青稞的1.5倍多。不同产地青稞间矿质元素的含量差异可能与种植环境不同有关，以门源和西宁为例，门源地理环境恶劣[31～32]，而西宁日照充足且拥有丰富的Fe、Ca等矿质资源[33～34]。同时，由表5还可以得出，不同品种的青稞中7种矿质元素含量亦存在一定差异，如北青9号青稞中Mg、K、Ca元素含量较其他品种相对较高；柴青1号、昆仑15号青稞中Fe含量相对较低；昆仑18号青稞中K含量相对较低。

三、结论

本研究建立了超声浸提结合ICP-MS测定青稞中7种矿质元素的检测方法，优化了样品前处理方法，缩短了提取时间，减少了溶剂用量，提高了工作效率，研究结果表明，该方法简便快速、重现性好、灵敏度高，适用于青稞中7种矿质元素的同时测定。且该方法成功应用于青稞实际样品分析，结果显示，青稞中含有丰富的矿质元素，其中K、Mg、Ca和Fe元素含量较高，K、Mg、Fe含量是一般粮谷类食物的2～6倍。