三角帆蚌外套膜有核珍珠与Akoya珍珠理化特征比较鉴定

高金平，李家乐，白志毅*

1.上海海洋大学农业农村部淡水水产种质资源重点实验室，上海 201306

2.上海海洋大学上海市水产动物良种创制与绿色养殖协同创新中心，上海 201306

3.无锡金珍珠科技有限公司，无锡 214000

前言

三角帆蚌（Hyriopsis cumingii）外套膜有核珍珠是新兴的珍珠培育技术，与传统的无核珍珠养殖相比，具有育珠周期短和珍珠品质高（如圆度好、光泽强）等优势[1-2]。由于其外观酷似日本产海水马氏珠母贝（Pinctadasp.）内脏团有核珍珠―Akoya珍珠[3]，在市场上又被广泛称为“淡水Akoya”[2,4]，深受消费者青睐。然而，如何有效鉴别“淡水Akoya”和Akoya 珍珠成为目前检测的难题[5]。鉴于此，陈彩云飞和李立平[5]探究了“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的光致发光光谱特征；Gao 等[2]分析了“淡水Akoya”中Mn 等微量元素的分布特征；赵雪娇等[4]报道了“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的表面结构、荧光光谱及化学成分特点。尽管如此，鉴别“淡水Akoya”和Akoya 珍珠所需的理化特征尚未全面认知。

通过挖掘谱学、微结构和元素组成等规律，能够有效建立珍珠的关键理化特征，也是鉴定不同类型珍珠的重要依据[4-10]。例如，贾楠等[6]利用紫外―可见光谱分析了Akoya 灰珍珠的颜色特征，并发现Akoya 灰珍珠表面呈现出紧密排列的等高线特征，而淡水珍珠表面是排列较稀疏的等高线及层状生长结构；Habermann 等[7]证实了淡水珍珠中Mn 含量显著高于海水珍珠。

鉴于此，本研究拟利用傅里叶变换红外光谱仪、紫外―可见光光谱仪、光学显微镜、扫描电镜技术及电感耦合质谱仪离子测定等技术，比较分析“淡水Akoya”与Akoya 珍珠的谱学、微结构和元素组成差异。从而为建立“淡水Akoya”的关键理化特征及其与Akoya 珍珠的鉴别区分提供珍珠市场和珍珠产业急需的参考依据。

1 样品与测试方法

1.1 珍珠来源与处理

“淡水Akoya”由上海海洋大学培育的三角帆蚌“申浙3 号”新品种插核培育的外套膜有核珍珠，取自学校崇明养殖基地。Akoya 珍珠来自于日本国际珠宝展，经日本真珠综合研究所鉴定为Akoya 珍珠。“淡水Akoya”（图1a）和Akoya 珍珠（图1b）各取25 颗规格一致的（表1），其中5 颗经珍珠清洁布擦拭后用于谱学特征分析；10 颗经蒸馏水超声波清洗5 min后于38°C 烘干，用于微结构观察；10 颗经蒸馏水超声波清洗5 min 后于80°C 烘干，用于元素组成测定。

表1 “淡水Akoya”与Akoya珍珠性状（n=25）Table 1 Traits of ＂freshwater Akoya＂ and Akoya pearls (n=25)

图1 “淡水Akoya”(a)与Akoya珍珠(b)Fig.1 ＂Freshwater Akoya＂ (a) and Akoya pearls (b)

1.2 谱学分析

为了明确“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的谱学特征，首先用BRUKER Tensor 27 傅里叶变换红外光谱仪检测珍珠物相[11]，扫描范围为4000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。之后，应用GEM-3000 紫外―可见光光谱仪分析珍珠的紫外―可见吸收光谱[6,11]，波长范围为220～1000 nm。

1.3 微结构观察

用OLYMPUS BX 53 光学显微镜放大100 倍观察“淡水Akoya”和Akoya 珍珠表面结构。然后，将珍珠从中央部位切割，在放大500 倍下观察横截面结构。进而，对珍珠表面和横截面镀碳膜，用ZEISS Supra 55 扫描电子显微镜放大5000 倍观察珍珠表面结构，放大30000 倍观察横截面结构。

1.4 元素组成测定

珍珠中元素组成测定参照Kawahata 等[12]应用的方法。将珍珠进行机械破碎，分离出珍珠质。称取0.1 g 珍珠质，放入消解罐中，加入5 mL 优纯级硝酸，进行微波消解。待自然冷却至室温后，将消化液用超纯水定容至100 mL。应用AGILENT 7800 电感耦合质谱仪（ICP-MS），同步分析珍珠中16 种元素（Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Mn、Zn、Cu、Cr、Sr、Pb、As、Cd、Tl 和Ba）含量。通过添加标准样品确认ICP-MS的测量精度，16 种元素的回收率为(100±10)%。

1.5 统计分析

应用SPSS 24.0 软件进行统计分析。对于“淡水Akoya”和Akoya 珍珠中的元素含量，首先进行正态分布检验，然后用独立样本t测验进行比较分析。P＜0.05 表示差异水平显著。

2 结果

2.1 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的比较谱学特征分析

2.1.1 红外光谱比较分析

“淡水Akoya”与Akoya 珍珠的红外光谱见图2。“淡水Akoya”平均在1480.38 cm-1处表现出宽且强吸收峰，在1793.78 cm-1、890.76 cm-1、807.95 cm-1和679.28 cm-1处具有尖锐但弱吸收峰（表2）。Akoya珍珠平均在1482.44 cm-1处表现出宽且强吸收峰，在1792.23 cm-1、880.94 cm-1、803.29 cm-1和675.38 cm-1处具有尖锐但弱吸收峰（表2）。经与CaCO3的3种同质多象变体―文石、方解石和球文石的红外光谱特征对比可知（表2），“淡水Akoya”与Akoya珍珠主要由文石构成。

表2 “淡水Akoya”与Akoya珍珠红外光谱峰位（cm-1）Table 2 Infrared spectral peaks of ＂freshwater Akoya＂ and Akoya pearls (cm-1)

图2 “淡水Akoya”与Akoya珍珠红外光谱Fig.2 Infrared spectroscopy of ＂freshwater Akoya＂ and Akoya pearls

2.1.2 紫外—可见光光谱比较分析

“淡水Akoya”在250～300 nm（以280 nm 为中心）有一个窄的吸收带，此外，在425～550 nm 有一个宽的吸收带，然而不同珍珠之间波动较大，没有明显的中心波长（图3a）。Akoya 珍珠在250～300 nm（以280 nm 为中心）有一个窄的吸收带，且在450～600 nm（以525 nm 为中心）有一个宽的吸收带（图3b）。“淡水Akoya”与Akoya 珍珠的紫外―可见光谱相比较，两者总体具有相似性。

图3 “淡水Akoya”（a）与Akoya珍珠（b）的紫外可见光谱Fig.3 UV-Vis spectroscopy of ＂freshwater Akoya＂ (a) and Akoya pearls (b)

2.2 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的微结构差异分析

2.2.1 光学显微镜观察

“淡水Akoya”与Akoya 珍珠表面均呈现紧密排列的等高线特征（图4a、b），不过Akoya 珍珠表面的等高线排列方向一致（图4b），而“淡水Akoya”珍珠表面的等高线排列方向散乱（图4a）。至于横截面，即使放大500 倍亦看不清“淡水Akoya”与Akoya珍珠的微结构（图4c、d），因此，有必要应用扫描电镜进一步观察。

图4 光学显微镜下的“淡水Akoya”表面结构（a）与横截面结构（c）和Akoya珍珠表面结构（b）与横截面结构（d）Fig.4 Surface structure (a) and cross-sectional structure (c) of ＂freshwater Akoya＂ and surface structure (b) and cross-sectional structure (d) of Akoya pearls under optical microscope

2.2.2 扫描电镜观察

“淡水Akoya”与Akoya 珍珠表面均呈层状生长结构，层状结构边缘形成了等高线（图5a、b）。“淡水Akoya”层状结构主要由五边形、四边形和六边形文石片构成，占比分别为35.29%、21.57%和21.57%；偶见七边形文石片，占比为1.96%（图5a）。Akoya 珍珠层状结构主要由六边形、五边形和四边形文石片构成，占比分别为41.18%、33.33%和25.49%（图5b）。“淡水Akoya”等高线边缘文石片结构疏松，多成游离状态分布（图5a），而Akoya 珍珠等高线边缘排列紧密，未见游离分布的文石片（图5b）。横截面扫描电镜观察显示，“淡水Akoya”与Akoya 珍珠层均主要由文石板块紧密排列而成，文石板块厚度都约为0.3 μm，两者之间没有明显差别（图5c、d）。

图5 扫描电镜观察“淡水Akoya”表面结构（a）与横截面结构（c）和Akoya珍珠表面结构（b）与横截面结构（d）红、黄、绿和蓝色箭头分别标出四、五、六与七边形文石片Fig.5 Surface structure (a) and cross-sectional structure (c) of ＂freshwater Akoya＂ and surface structure (b) and cross-sectional structure (d) of Akoya pearls observed by scanning electron microscopy Red,yellow,green,and blue arrows mark the four,five,six,and seven-sided aragonite tablets,respectively

2.3 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的元素含量差异分析

2.3.1 元素含量

“淡水Akoya”和Akoya 珍珠中Na、Ca、Mn、Co、Sr 和Ba均有检出，而K、Cr、Fe、Cu、As、Cd、Tl 和Pb 均未检出（表3）；“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的特有元素分别为Mg 和Zn。“淡水Akoya”珍珠中Ca 含量最高，Na 含量次之；Akoya 珍珠中Ca 含量最高，Na 和Sr 含量次之。“淡水Akoya”与Akoya 珍珠中Ca 和Co 含量相当（P＞0.05；）；“淡水Akoya”中Mn、Zn 和Ba含量显著高于Akoya 珍珠（P＜0.05），而Na、Mg和Sr 含量显著低于Akoya 珍珠（P＜0.05；）。

表3 “淡水Akoya”与Akoya珍珠的元素含量（μg/g；n=10）Table 3 Element concontrations of ＂freshwater Akoya＂ and Akoya pearls (μg/g;n=10)

2.3.2 元素含量比值

从元素与含量最高的Ca 的比值来看，Na/Ca、Mn/Ca、Sr/Ca 及Ba/Ca 在“淡水Akoya”与Akoya珍珠之间没有交集（表4）。其中，Na/Ca 在两者中的变异系数最低（2.39%～6.25%），Sr/Ca 的变异系数次之（6.98%～26.07%），而Mn/Ca 和Ba/Ca 的变异系数较大（32.21%～264.58%）。

表4 “淡水Akoya”与Akoya珍珠元素比率及变异系数（%；n=10）Table 4 Element ratios and variation coefficients for ＂freshwater Akoya＂ and Akoya pearls (%;n=10)

3 讨论

3.1 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的谱学特征

红外光谱分析是鉴定珍珠谱学特征的最有效方法之一[14-15]。张莲等[15]分析三角帆蚌内脏团有核珍珠（又称“爱迪生”珍珠）和无核珍珠的红外吸收光谱，发现“爱迪生”珍珠在1490 cm-1处表现出宽且强吸收峰，在1776 cm-1、877 cm-1、711 cm-1和698 cm-1处具有尖锐但弱吸收峰；无核珍珠在1485 cm-1处表现出宽且强吸收峰，在1782 cm-1、875 cm-1、711 cm-1和698 cm-1处具有尖锐但弱吸收峰；揭示它们都主要由文石构成。邵惠萍等[11]研究显示Akoy 灰珍珠在1082.98～1468.76 cm-1处表现出宽且强吸收峰，在3432.66～3447.86 cm-1处具有宽但偏弱吸收峰，在861.17 cm-1处具有尖锐但弱吸收峰，表明Akoy 灰珍珠主要由文石构成。本研究中，“淡水Akoya”与Akoya 白珍珠的红外光谱特征与标准文石相吻合，提示“淡水Akoya”与Akoya 白珍珠主要由文石构成。

紫外―可见光谱能够有效反映出淡、海水珍珠对不同波长光的吸收特征，从而反映在视觉上的颜色特征[6,11,16]。本研究显示“淡水Akoya”与Akoya珍珠均在250～300 nm（以280 nm 为中心）有一个窄的吸收带。在280 nm 处具有谱峰被认为是文石珍珠层结构的特征吸收峰[17]。此外，“淡水Akoya”和与Akoya 珍珠分别在425～550 nm 和450～600 nm 有一个宽的吸收带。研究表明，淡水珍珠多在499～550 nm有宽吸收带[17]，海水珍珠在400～600 nm 具有宽吸收带[5]，这与本研究结果相一致。

3.2 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的微结构特征

不同养殖环境（如淡水、海水）、培育方式（如无核、有核）都可能造成珍珠表面结构差异。贾楠等[6]通过光学显微镜观察发现淡水珍珠表面呈疏松的等高线及层状生长结构，而海水Akoya 灰珍珠表面呈紧密排列的等高线表征特征。张莲等[15]用扫描电镜观察三角帆蚌培育的无核珍珠及有核“爱迪生”珍珠的表面结构，发现虽然两者均呈现“梯田状”或“似海滩线”状的层生长结构特征，但是无核珍珠的生长纹呈规则的逐层堆叠、纹理大致沿一个方向平行堆叠，而有核“爱迪生”珍珠生长纹堆叠方向表现为无规律性、沿任意方向延展，还带有少许文石碎屑。本研究显示“淡水Akoya”表面微结构特征与赵雪娇等[4]观察结果非常接近。而Akoya 珍珠表面不仅呈现紧密排列的等高线，还具有层状生长结构，这与贾楠等[6]和赵雪娇等[4]观察结果有差异，应该是由于本研究应用了分辨率更高的扫描电镜观察的新发现。“淡水Akoya”与Akoya 珍珠表面的等高线排列疏密程度及层状结构的组成特征应该是影响珍珠光泽的重要因素。因此，根据“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的表面微结构差异特异性（如通过珠宝显微镜直接观察）应该能够作为有效、无损鉴别这两类珍珠的方法之一。

淡水（如无核珍珠、有核“爱迪生”珍珠）和海水（如Akoya 珍珠）珍珠横截面/内部珍珠层主要由文石板块构成[15,18-19]，只是不同类型珍珠的文石板块厚度和（或）排列方式可能存在差别[15]。例如，三角帆蚌培育的橙色有核“爱迪生”珍珠横截面可见六边形的文石板块边缘，而无核珍珠仅见到呈簇状排列的文石板块，且前者文石板块厚度（约2 μm）要明显大于后者（约0.4 μm）[15]。本研究发现“淡水Akoya”与Akoya 珍珠横截面均主要由文石板块（每片文石板块的厚度约为0.3 μm）紧密排列而成，两者之间没有明显差别。

3.3 “淡水Akoya”与Akoya 珍珠的元素组成特征

珍珠元素组成受到内因（如育珠蚌对元素的调控）和外因（如水环境中元素含量）的共同影响[8,20-21]。由于“淡水Akoya”与Akoya 珍珠的主要矿物成分为文石，文石的主要化学成分是碳酸钙，因此，两者中Ca 含量均最高，且无明显含量差异。值得高度关注的是，本研究发现Na 在“淡水Akoya”与Akoya 珍珠中含量均仅次于Ca，这与赵雪娇等[4]研究结果相一致，表明Na 是珍珠构成的重要组分。然而，Akoya 珍珠中Na 含量显著高于“淡水Akoya”。赵雪娇等[4]研究结果也显示Akoya 珍珠中Na 含量（5471.17×10-6-5776.16×10-6）明显高于“淡水Akoya”的Na 含量（2097.96×10-6-2314.71×10-6）。此外，王存等[22]研究结果也显示海水珍珠（2470～2700 μg/g）中Na 含量明显高于淡水珍珠（3530～5160 μg/g）。这是由于海水的Na 含量显著高于淡水造成的。前人对淡、海水珍珠元素组成的鉴别主要集中在Mn 和Sr，认为淡水珍珠“富Mn 贫Sr”，而海水珍珠“贫Mn 富Sr”[6-7,23]，本研究结果总体与之吻合。值得注意的是，Akoya 珍珠中Mn 含量波动较大，变异系数高达264.58%，提示利用Mn 含量来鉴别“淡水Akoya”与Akoya 珍珠不是非常稳定的方法。此外，“淡水Akoya”中Zn 和Ba 含量显著高于Akoya 珍珠。赵雪娇等[4]发现“淡水Akoya”和Akoya 珍珠中Zn 含量分别为0.40×10-6-0.83×10-6和0.30×10-6-5.80×10-6，前者总体Zn 含量总体低于后者，可存在一定交集。然而，“淡水Akoya”中Ba 含量（43.28×10-6-66.38×10-6）明显高于Akoya 珍珠的Ba含量（0.18×10-6-0.63×10-6）[4]，这与本研究结果相一致。Gao 等[2]研究结果显示“淡水Akoya”中Ba 含量较为丰富。相反，除了Na 和Sr 之外，Akoya 珍珠中Mg 含量显著高于“淡水Akoya”。赵雪娇等[4]研究结果也显示Akoya 珍珠中Mg 含量（70.25×10-6-96.63×10-6）明显高于“淡水Akoya”的Mg含量（18.78×10-6-37.54×10-6）。姜琦等[24]研究认为Mg含量与三角帆蚌内脏团有核珍珠紫色程度正相关，本研究“淡水Akoya”中未检出Mg，可能是由于“淡水Akoya”呈亮白色而非紫色的缘故。

在元素绝对含量的基础上，通过对比元素与珍珠中含量最高、最稳定的Ca 的比值大小被认为是建立和鉴别不同类型珍珠理化特征的重要手段之一[4,6,12]。本研究显示“淡水Akoya”与Akoya珍珠的Na/Ca、Mn/Ca、Sr/Ca及Ba/Ca没有交集。赵雪娇等[4]揭示少部分“淡水Akoya”和Akoya珍珠难以通过Mn/Ca进行有效区分。而Sr/Ca在淡（0.31%～0.49%）、海水珍珠（0.82%～1.11%）中没有交集，且变异系数较小[25]。本研究中“淡水Akoya”与Akoya珍珠Sr/Ca趋势与王巨安等[25]研究结果一致。此外，本研究还显示Na/Ca变异系数较Sr/Ca更低。因此，Na/Ca及Sr/Ca很有潜力应用于“淡水Akoya”和Akoya珍珠鉴别。

4 结论

“淡水Akoya”和Akoya 珍珠均主要由文石构成，分别在425～550 nm 和450～600 nm 有一个宽吸收带；表面主要由四边形、五边形和六边形文石片构成，形成紧密排列的等高线层状生长结构特征，横截面主要由文石板块排列而成；“淡水Akoya”中Mn、Zn 和Ba 含量显著高于Akoya 珍珠，而Na、Mg 和Sr 含量显著低于Akoya 珍珠，且Na/Ca 和Sr/Ca 在两者中没有交集、变异系数小。研究结果表明，“淡水Akoya”和Akoya 珍珠的谱学特征、内部结构及元素K、Ca、Fe、Co、Cu、Cr、Pb、As、Cd、Tl 含量没有明显差异，而珍珠表面微结构特征和Na（或Na/Ca）及Sr（或Sr/Ca）很有潜力应用于“淡水Akoya”和Akoya 珍珠鉴别。