电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定传统发酵白酸汤中矿物质元素及主要营养成分分析

刘国华 谢小林 李永霞 李冰晶 罗丽平 贺红早

(1.贵州省生物研究所,贵阳 550009;2.贵州省植物园 贵阳 550004)

苗族白酸汤,流行于中国贵州省,是利用糯米或籼米作为发酵基质,以米汤为原料发酵的最古老酸汤,在酵母、醋杆菌、乳杆菌、明串珠杆菌等微生物的共同参与下发酵获得的一类液态发酵食品,可配制成饮品,也可当调料制作佳肴[1-2]。近年来,随着植物基质发酵产品的营养及生物活性物质被不断报道,酸汤及其产品的热度也逐年上升。酸汤中谷物基质发酵被分解为有机酸、氨基酸等物质,形成独特的风味及口感,同时还含有多种矿物质元素及维生素等成分[3],深受广大消费者的喜爱,具有广阔的市场前景。

目前对白酸汤的研究主要集中于微生物菌群的筛选及鉴定、酸味的形成机制、挥发性物质和特征风味成分等方面[4-5],对于传统发酵的白酸汤营养成分,尤其是矿物质元素的报道较少[6]。电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法作为在发射光谱法基础上发展起来的一种新技术,在矿物质元素测定方面具有测定速度快、线性范围宽、灵敏度高、检出限低、稳定性好、干扰小及多元素同时测定等优点,已成为准确测定金属元素和部分非金属元素的重要检测工具[7-9]。基于此,本文探索了电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定传统发酵白酸汤中矿物质元素的相关参数,通过样品预处理方法筛选,并考察测定方法的检出限、精密度和回收率,确定了快速、灵敏、准确的酸汤中矿物质元素的检测方法。最后运用该方法测定了白酸汤样品中10种矿物质元素含量,并进一步对其常规营养物质进行测定,借此更深入研究白酸汤中对人体有益的成分,为开发白酸汤新产品提供理论基础。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

实验样品取自贵州省麻江县明洋食品有限公司,主要发酵基质为大米及糯米,发酵时间8 d,取样时搅拌均匀整个发酵液;硝酸、过氧化氢为优级纯,成都市科龙化工试剂厂;没食子酸、谷氨酸、葡萄糖标准品,天津市科密欧化学试剂有限公司;矿物质元素标准品,购自国家标准物质中心;其他化学试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

E1468电感耦合等离子体发射光谱仪(澳大利亚GBC公司),恒温培养箱,优普UPR-II-15TNZP型超纯水机,L5S 紫外可见分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司),Testo205 便携式pH计(雷磁 PHS-3C),电子分析天平(德国赛多利斯公司)等。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

由于传统发酵白酸汤样品发酵基质主要为米浆,样品浑浊伴有少量的沉淀物,直接过滤可能会损失部分矿物质,因此需对原样品进行消解处理,加入不同体积的浓硝酸、过氧化氢进行消解效果对比。考察6种不同处理方法,分别为5%过氧化氢(加入的过氧化氢体积∶总反应液的体积=5∶100,以下同)、10%过氧化氢、10%过氧化氢+5%浓硝酸(体积比1∶1)、5%浓硝酸、10%浓硝酸、15%浓硝酸。按如下程序进行消解:准确移取45 mL白酸汤样品置于耐高温带刻度的离心管中,加入对应体积的消解溶液,放入50 ℃恒温培养箱20 min(每隔5 min拿出均匀摇动),再放入65 ℃恒温培养箱中,10 min后自然冷却至常温,用0.45 μm过滤膜进行过滤,制得样品待用。

1.3.2 工作标准溶液配制

用电子天平精确称取10种矿物质元素标准物质,并用质量分数2%硝酸配成不同浓度的标准溶液,配制浓度见表1。

表1 矿物质元素标准溶液Table 1 Mineral element standard solutions /(mg·L-1)

1.3.3 仪器工作参数

E1468电感耦合等离子体发射光谱工作相关参数,参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》中的ICP-OES法进行测定,并对一些参数进行微调见表2。

表2 ICP-OES 工作参数Table 2 ICP-OES working parameters

1.3.4 其他成分测定

有益成分蛋白质含量采用GB 5009.5—2016分光光度法,脂肪含量采用索氏提取法,氨基酸含量参考王玉霞等[10]的方法,多酚含量参考田欢等[11]的方法,常规理化指标pH值采用pH计法,总糖参考詹梦涛等[12]的方法及总酸采用电位滴定仪法,有害物质亚硝酸盐含量参考SINDELAR等[13]的方法。

2 结果与讨论

2.1 消解试剂选择

传统发酵白酸汤样品浑浊并伴有少量的沉淀物,直接过滤会损失部分矿物质,为了提高测定结果准确度,需要对样品进行消解。使用过氧化氢、浓硝酸溶液的6种不同溶液对白酸汤样品进行消解处理后,得到如图1所示的结果。由图1可知,过氧化氢溶液消解后的样品均有明显的沉淀,10%过氧化氢+5%浓硝酸处理的样品中沉淀明显减少,说明过氧化氢溶液的消解效果不明显。使用浓硝酸进行消解时,随着溶液浓度的增加沉淀逐渐减少消失,当使用10%浓硝酸(浓硝酸∶样品体积比为1∶9)时未观察到有沉淀,进一步加大浓度样品无明显变化,说明10%浓硝酸已经彻底消解完全。

图1 不同溶液消解样品结果对比Figure 1 Comparison of sample digestion results with different solutions.

2.2 消解温度和时间选择

在消解过程中升高温度有助于消解速度,参考文献[14]中梯度升温方式及考虑实际样品属性并进行调整,另外温度过高会让溶液沸腾并产生大量气泡[15],增加安全隐患。实验表明,当直接升温温度达到70 ℃的时候,溶液开始沸腾,不利于消解的进行,故本实验采用梯度升温的方式,消解时间根据实际消解情况进行调整,最终选择将样品放入50 ℃恒温培养箱20 min(每隔5 min拿出均匀摇动),再放入65 ℃恒温培养箱10 min,可以使样品消解更彻底并节省时间,减少样品带来的误差,使结果更加可靠准确。

2.3 矿物质标准工作曲线

以超纯水作为空白,运用ICP-OES法测定K、Na、Fe、Ca、Si、Mn等10种元素;以浓度为横坐标,信号值为纵坐标,得线性回归方程,相关系数见表3。

表3 标准物质的线性回归方程Table 3 Linear regression equations of standard substances

从表3可以看出,10种元素线性方程相关系数在0.999 1～0.999 8,说明这10种元素线性关系良好,方法适合用于检测白酸汤样品中10种矿物质元素;结合检测机器自身的检出限,得到各金属元素的检出限为0.000 02～0.18 μg/L,定量限为0.000 064～0.60 μg/L。

2.4 方法学考察

为考察ICP-OES法测定白酸汤中矿物质元素的可靠性,做精密度实验,样品平行做6次,结果见表4,10种元素相对标准偏差(RSD)为0.26%～2.7%,表明该方法精密度较好。为验证方法的准确性,分别加入10种被测矿物质元素的标准溶液,测定其加标回收率。从表5可以看到,10种元素平均加标回收率在96.5%～114%,表明该方法准确可靠。

表5 样品测定及回收实验Table 5 Sample determination and recovery test /(mg·L-1)

2.5 传统发酵酸汤中矿物质含量分析

从表6可知,传统白酸汤中含有比较丰富的矿物质元素,单位体积中矿物质元素均低于成人每日适宜摄入量所需(AI),可以作为日常食品补充人体所需的矿物质[16]。其中常量元素钙、镁含量相对较高,分别达51.4、37.7 mg/L;钙、镁不仅是人体硬组织骨骼和牙齿的主要成分,还可以有效降低肥胖大鼠的高血糖及高血脂,也有研究发现,钙、镁离子参与机体多种酶促反应及能量代谢[17]。传统白酸汤相较红酸汤等其他类型的酸汤而言,Na的含量极低[18],非常适宜作为高血压等特殊人群的日常调味品。

表6 人体所需矿物质含量Table 6 Mineral contents required by human body

微量元素在人体内含量甚微,但对人体细胞代谢、生物合成和生命功能的维持起重要作用。传统白酸汤中铜的含量为0.42 mg/L,每日适量食用就能满足人体所需的五分之一(AI为2 mg),适量的铜有利于机体红细胞的生产、激素分泌和抗氧化等生物过程[19]。锌、铁含量分别为0.21、0.12 mg/L,锌是超过300多种酶的结构成分,且可能参与催化和调节酶活性的关键因素,在抗氧化防御功能中发挥重要作用[20];铁是生活在富氧环境中有机生命的生物基础,在哺乳动物中,铁是细胞呼吸、异物解毒和DNA合成所必需的物质,在许多生化反应中发挥重要作用[21]。硅在人体结缔组织、软骨形成中是必须的,能维持该结构的完整性[22],样品中硅的含量为2.5 mg/L,高于萝卜、辣椒、番茄等蔬菜[23]。

2.6 白酸汤中主要营养成分分析

表7中给出了传统白酸汤中主要营养成分测定结果。

表7 传统白酸汤中主要营养成分测定结果Table 7 Determination results of main nutrient components in traditional white sour soup

从表7可以看出,传统白酸汤中含有蛋白质、脂肪、氨基酸、多酚对人体有益的成分。蛋白质是构成人体的组织结构的重要成分,脂肪能为人体提供能量,样品中蛋白质、脂肪含量分别为(6.4±0.02)g/L、(4.52±0.24)%;氨基酸是人体生存必需的一种物质,不仅有提高人体免疫力的作用,还有加强肠胃吸收的功效,此外,氨基酸在调味品等食品中还作为呈味物质[24],传统白酸汤样品中氨基酸含量为(2.77±0.04)mg/L,是田亚[24]测定结果的2倍以上,原因可能是所选样品发酵基质与发酵阶段不同所导致。功能性物质多酚具有一定的抗衰老防癌功效,王猛等[25]发现多酚含量在发酵的48 h内呈现缓慢上升趋势,之后呈明显下降趋势,说明发酵过程会影响多酚类成分的含量,本样品中多酚的含量为(11.8±0.05)mg/L。

传统白酸汤中基本理化指标总酸含量较高为(5.16±0.042)mL/L,pH值较低,总糖含量较低(9.7±0.44)mg/L,说明发酵比较彻底[26]。亚硝酸盐是发酵食品中主要的有毒有害成分,过量的亚硝酸盐摄入有头晕、中毒或患癌的风险[27],国标中酱腌菜限量标准为20 mg/kg,本样品中亚硝酸盐含量为0.6 mg/L,远远低于以上标准,说明白酸汤属于比较安全的发酵类食品。

3 结论

通过对样品前处理方法的对比,结合ICP-OES自身工作条件及样品属性,建立了简便、灵敏测定白酸汤样品中矿物质成分的方法。其中10种矿物质元素线性方程相关系数在0.999 1～0.999 8,即线性关系良好,检测结果具有较高的准确度和精密度。样品检测结果得到传统白酸汤中含有丰富的常量元素钙、镁、钾、钠及少量的微量元素铜、铁、锌、锰及硅,铝元素未检测出。该方法可为测定浑浊样品中的矿物质提供实验参考。

传统白酸汤理化、营养、有害物质的测定结果表明,酸汤中含有人体所需的一些营养物质,亚硝酸盐类含量较少,相对比较安全,同时含有多酚等功能性成分,适量食用白酸汤是十分有益的。综上,白酸汤不管作为调料还是饮料等其他产品开发均有一定的优势,具有良好的发展前景。