中江丹参植株中镉、铅、铜的初级和次级形态分析

周 莉，邱 倩，何德聪，胡晓荣

（成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059）

中江丹参植株中镉、铅、铜的初级和次级形态分析

周 莉，邱 倩，何德聪，胡晓荣

（成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059）

为了解丹参植株根、茎、叶中镉、铅、铜的初级和次级形态分布，该文测定丹参植株3种金属离子的含量，采用水煎提取分离初级形态，大孔吸附树脂、强酸性阳离子交换树脂、螯合树脂分别对水溶性金属离子及其结合物进行吸附分离，区分水溶有机态和无机态、游离态和非游离态、稳定态和不稳定态等次级形态。结果显示：3种金属在植株中的含量分布均为叶＞茎＞根，镉和铅溶出率超过50%，根中铜的溶出率为66%，但茎和叶中铜的溶出率仅为10%左右。对比植株的物质总溶出率20%～27%，3种重金属的溶出比例很高，因此丹参作为药材使用必须严格控制重金属的含量。镉的水溶无机态在50%左右、铅＞50%、铜＜50%。茎和叶中3种金属离子的游离态都超过50%。镉和铅的水溶不稳定态＞50%，而铜＜50%。丹参地上部分3种重金属含量都高于根中的含量，如果要利用地上部分，需要考虑在有效成分提取过程中降低重金属含量。从形态分析数据可知，离子交换法可有效去除地上部分提取物中的重金属。

中江丹参；重金属；初级形态；次级形态

0 引 言

丹参（Salvia miltiorrhiza）是唇形科鼠尾草属多年生草本植物，由于其干燥根所含的二萜醌类及丹酚酸、丹参酮具有抗菌消炎、抗氧化活性等药理作用[1]，其药材和制剂被广泛用于心脑血管疾病的治疗，市场需求量巨大。四川省中江县是我国丹参的主要产地，中江丹参因丹参酮和丹酚酸含量高于其他产地，一直是我国丹参的主源优质品种。研究显示丹参中占到全草生物量67%的茎和叶含有丰富的水溶性酚类物质，具有良好的抗氧化活性[2-5]，如能将丹参茎和叶利用起来可扩大药材来源，充分发挥全株的药用价值。但研究显示[6-7]，丹参植株地上部分积累了较多的重金属元素，尤其是铅、镉、铜的含量接近甚至是超过国家限量标准。丹参地上部分因重金属含量高而被随意丢弃，造成资源的浪费。然而重金属总量并不能提供其生物活性及多样的结合状态信息[8]，综合利用丹参地上部分需要有效控制重金属在提取物中的浓度，对丹参植株重金属溶解形态和赋存形态的稳定性的了解很有必要。本文采用文献[9]方法对中江丹参植株根、茎、叶中的镉、铅、铜初级和次级形态进行提取分离，采用原子吸收方法测定金属离子含量，以期为重金属的去除方法选择提供基础和理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

石墨炉原子吸收光谱仪（TAS-990G，北京普析通用仪器有限责任公司）；火焰原子吸收仪（AA7000w，北京三雄科技公司，北京东西分析仪器有限公司）；旋转蒸发仪（RE-52CS，上海雅荣生化仪器设备有限公司）。

0.45 μm水性滤膜；大孔吸附树脂（Amberlite XAD-2，北京北实纵横科技发展有限公司）；强酸性阳离子交换树脂（50WX2，西亚试剂研究中心）；螯合树脂（Chelex-100，Sigma公司）。3种树脂在使用前均经过溶胀和洗涤处理。

MOS级硝酸（上海阿拉丁生化科技公司）；优级纯高氯酸、无水乙醇、盐酸（成都科隆公司）。实验用水为二次去离子水。所有玻璃器皿用10%的分析纯硝酸浸泡24h，自来水洗净后去离子水清洗干净后使用。

1 000 μg/mL Cd、Pb、Cu 标准溶液（GBW（E）080215、GBW08612、GBW（E）080122）；标准物质菠菜（GBW10015）和茶叶（GBW10016）。

丹参植株来源于四川省中江县合兴乡丹参种植基地，采用S型5点法采集田间丹参全株。植株全部带回实验室分拣根、茎、叶，自来水冲洗干净泥沙后用二次去离子水洗2～3次，经60℃烘干后粉碎过60目筛，袋装密封备用。

1.2 镉铅铜总量的测定

准确称取0.500 0 g丹参根、茎、叶粉末样品各3份于50mL烧杯中，加入10mL HNO3+HClO4混合酸（体积比2∶1），盖上表面皿，浸泡12 h后置于200℃恒温电热板上加热消解。其间适当补充混合酸至样品消解完全，继续加热至白烟冒尽，约剩3mL液体时取下冷却，加入0.5%的硝酸溶解定容至50mL。随带试剂空白。石墨炉原子吸收法（GFAAS）测定Cd和Pb含量，火焰原子吸收法（FAAS）测定Cu含量。

用0.5%的硝酸逐级稀释单元素标准溶液，分别配制 0，0.50，1.00，2.00，4.00，6.00 μg/L 的 Cd 标准系列；2.00，4.00，8.00，10.00，20.00 μg/L 的 Pb 标准系列；0，0.50，1.00，2.00，4.00，6.00 mg/L 的 Cu 标准系列，在优化的仪器工作条件下测定吸光度并绘制工作曲线，3个元素的工作曲线方程相关系数大于0.999。样品溶液元素测定条件与工作曲线相同。

1.3 镉铅铜的形态分离与含量测定

1.3.1 可溶态与不可溶态的分离与含量测定

准确称取25 g（精确到0.000 2 g）丹参根、茎、叶粉末各3份于烧杯中，加去离子水250mL浸泡片刻，煮沸后文火保持40min，稍冷用中速定性滤纸抽滤，并用20mL热去离子水洗涤滤纸3次。重复以上操作两次，合并3次煎液。煎液过0.45μm滤膜，旋转蒸发浓缩并用去离子水定容于250mL容量瓶中，得到相当于原药0.1000g/mL的溶液备用。滤液中的金属定义为可溶态，0.45μm滤膜上的金属定义为悬浮态，滤纸上的金属定义为残渣态。残渣和悬浮物60℃烘干，以总质量减去残渣质量作为浸出物质总质量，浸出物质总质量除以总质量为丹参根、茎、叶的物质浸出率。

称取适量残渣和悬浮物消解后测定Cd、Pb、Cu含量；准确量取5.00mL滤液消解定容到25mL测定Cd、Pb、Cu 含量。

1.3.2 可溶态中有机态和无机态的分离与含量测定

准确量取5.00mL可溶态滤液，用1%HNO3调节pH为4.0，以2mL/min流量通过大孔吸附树脂柱（φ2.5cm×8cm），以 1%HNO340mL 淋洗树脂，收集淋洗液浓缩消解后测定，得可溶态中铅、镉、铜的无机态含量；用无水乙醇40mL洗脱吸附树脂，收集洗脱液浓缩消解后测定，得可溶态中各元素的有机态含量。

1.3.3 可溶态中游离态与非游离态的分离与含量测定

准确量取5.00mL可溶态溶液，用1%HNO3调节pH为5.5，以2mL/min流量通过强酸性阳离子交换树脂柱（φ2.5cm×8cm），用去离子水40mL淋洗树脂，收集淋洗液浓缩消解后测定，得可溶态中铅、镉、铜非游离态含量。用2mol/L HCl 40mL洗脱，收集洗脱液浓缩消解后测定，得可溶态中各元素的游离态含量。

1.3.4 可溶态中稳定态与不稳定态的分离与含量测定

准确量取5.00 mL可溶态溶液，用1%HNO3调节pH为6.0，以2 mL/min流量通过鳌合树脂柱（φ2.5 cm×8 cm），用去离子水 40 mL 淋洗树脂，收集淋洗液浓缩消解后测定，得可溶态中铅、镉、铜的稳定态含量。用5mol/L HCl 40mL洗脱螯合树脂，收集洗脱液浓缩消解后测定，得可溶态中各元素的不稳定态含量。

2 结果与讨论

2.1 分析方法评价

按样品消解方法得11个试剂空白，以11个试剂空白吸光度标准偏差的10倍对应浓度作为分析方法定量检测下限，3个元素定量检测下限分别为Cd 0.065μg/L、Pb 1.07μg/L，Cu 30μg/L。 样品分析中所有测定值均在定量检测下限以上。

平行称取同一个丹参叶样品6份消解测定，计算结果的相对标准偏差（RSD）镉为3.43%、铅为4.83%、铜为4.47%。在5份丹参叶样品中分别加入5个浓度水平的Cd、Pb、Cu标准溶液，测定结果显示3种元素回收率分别在91.3%～103%、95.6%～108%和97.3%～105%之间。分别称取3份成分分析国家标准物质菠菜和茶叶，按照实验方法消解和测定，结果见表1。镉、铅、铜测定结果均在相应的允许值范围内。以上指标显示，实验过程中镉、铅、铜含量测定结果可靠。

表1 标准物质分析结果（±s，n=3）

表1 标准物质分析结果（±s，n=3）

物质 元素 允许值/（mg·kg-1） 测定值/（mg·kg-1）茶叶 铅 1.50±0.20 1.53±0.18菠菜 镉 0.150±0.020 0.157±0.017铜8.90±0.40 8.80±0.36

2.2 植株中的总量

9个丹参植株根、茎、叶样品中镉、铅、铜的含量见文献[7]，用于形态分析的丹参植株样品3种重金属总量见表2。结果显示镉、铅、铜在所有丹参植株样品中的含量分布都为叶＞茎＞根，表现出从地上到地下逐渐减少的趋势。依照《中国药典2010》对药材中重金属含量的限制标准（Pb＜5.0mg/kg，Cd＜0.3mg/kg，Cu＜20.0mg/kg）3种重金属在丹参根中没有超标，但在茎和叶中接近或超过了该标准。大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而地上部含量较低，根系中，重金属主要分布在根系质外体，或形成磷酸盐和碳酸盐沉淀，或与细胞壁结合[10-11]。丹参表现出对重金属较高的转移能力，这或许与丹参叶中丰富的酚酸类物质与重金属之间的螯合作用相关。

表2 丹参植株镉、铅、铜的总量和各形态含量（±s，n=3）

表2 丹参植株镉、铅、铜的总量和各形态含量（±s，n=3）

mg/kg

2.3 可溶态与不可溶态

25.00 g丹参根、茎、叶经3次水煎后，残渣质量分别为 19.18，19.95，18.15g，由此计算根、茎、叶的总物质浸出率分别为23.28%，20.20%，27.40%。水煎提取丹参植株3种金属的可溶态、悬浮态和残渣态含量见表2，形态百分率（各形态质量除以总质量）及形态百分率加和如图1所示。3种元素形态百分率加和在90%～102%之间，说明形态分离和测定结果准确。

图1 丹参植株3种重金属可溶态、悬浮态和残渣态百分率累积

镉在根、茎、叶中各形态百分率分别为可溶态：37.5%，54.5%，39.4%，悬浮态：7.74%，1.35%，17.4%，残渣态：51.3%，44.9%，45.1%。铅在根、茎、叶中各形态百分率分别为可溶态：35.9%，25.8%，38.4%，悬浮态：8.93%，21.5%，5.72%，残渣态：45.1%，54.9%，56.3%。铜在根、茎、叶中各形态百分率分别为可溶态：42.4%，9.66%，6.78%，悬浮态：23.7%，4.68%，2.71%，残渣态：33.4%，85.9%，87.0%。3种元素在根、茎、叶中形态分布规律不同，这种不同与植株不同部位植物成分含量以及植物成分结合金属离子能力不同相关。

将可溶态百分率加上悬浮态百分率定义为浸出率，铜在茎和叶中浸出率较低，分别为14.34%和9.49%，表明铜主要存留在残渣中。铜在根中、镉和铅在整个植株中浸出率在50%左右，对比植株总物质浸出率（20%～27%），重金属浸出率是总物质浸出率的2倍。该结果表明重金属易与可溶性植物成分结合，随着植物成分一起溶出。因此丹参作为药材使用需要严格控制重金属的总量。丹参以根入药，根中重金属总量相对较低，按传统的水煎服来看，水煎液带入人体的重金属含量相对较少。茎和叶重金属总含量较高，是其药用所面临的问题，一种可能的解决方法是对其提取物进行重金属去除处理。

2.4 可溶有机态和无机态

有机态是金属离子与植物有机成分结合的部分，实验分离中有机物可被大孔吸附树脂吸附，不被吸附的部分定义为无机态。与金属离子结合的主要植物成分包括蛋白质、多糖、酚酸、鞣质、生物碱等，这些成分中的氧原子、氮原子与金属离子形成配位键。丹参植株3种金属可溶有机态和无机态含量见表2，形态百分率（两种形态质量除以可溶态总量）及形态百分率加和如图2所示。根、茎、叶中镉的可溶有机态百分率依次为53.4%，54.6%，46.0%，无机态百分率依次为37.0%，41.2%，42.7%；铅的可溶有机态百分率依次31.9%，11.1%，20.3%，无机态百分率依次为64.1%，80.6%，81.5%；铜的可溶有机态百分率依次为45.4%，58.8%、51.8%，无机态百分率依次为40.1%，26.7%，32.5%。可溶性镉和铜的有机态在50%左右，可溶性铅主要以无机态存在。结合茎和叶中铜的浸出率很低来看，茎和叶中铜的主要存在形式为有机物结合态，尤其是以不溶性有机物结合形态存在。另外，可溶有机态和无机态百分率加和多数低于95%，可能是大孔吸附树脂吸附的有机物有少量不能被无水乙醇洗脱下来。

图2 丹参植株3种重金属可溶有机态和无机态百分率累积

2.5 可溶游离态和非游离态

游离态和非游离态以能否被强酸性阳离子交换树脂交换来区分，游离态是可以交换到树脂上的部分，应包括无机态以及与有机物结合较弱的部分，因此游离态的百分比大于无机态。丹参植株3种金属可溶游离态和非游离态含量见表2，形态百分率及形态百分率加和如图3所示。根、茎、叶中镉的游离态百分率依次为68.0%，80.8%，79.6%，非游离态百分率依次为53.5%，9.51%，12.9%；铅的游离态百分率依次为55.3%，88.9%，89.6%，非游离态百分率依次为40.9%，2.39%，13.3%；铜的游离态百分率依次为37.5%，69.4%，69.2%，非游离态百分率依次为52.0%，27.7%，24.2%。茎和叶中3种可溶金属离子都主要以游离态存在，表明丹参茎和叶的水提物经过阳离子交换树脂可有效去除大部分的重金属，阳离子交换可成为去除重金属的一种有效方法。

图3 丹参植株3种重金属可溶游离态和非游离态百分率累积

2.6 可溶态中稳定态与不稳定态

稳定态和不稳定态以金属离子是否与螯合树脂配位吸附来进行区分，Chelex-100型螯合树脂是氨羧型树脂，能够与之结合的金属离子称为不稳定态。不稳定态金属离子同样包括无机态以及与有机物结合较弱的部分。丹参植株3种金属可溶稳定态和不稳定态含量见表2，形态百分率及形态百分率加和如图4所示。根、茎、叶中镉的稳定态百分率依次为24.9%，30.7%，39.2%，不稳定态百分率依次为70.6%，54.9%，53.1%；铅的稳定态百分率依次为45.0%，53.1%，30.4%，不稳定态百分率依次为52.2%，56.7%，60.7%；铜的稳定态百分率依次为48.3%，60.7%，73.7%，不稳定态百分率依次为33.8%，37.3%，37.4%。镉和铅的不稳定态百分率超过50%，表明镉和铅更容易与氨羧络合剂形成络合物，螯合吸附可有效去除提取液中的镉和铅。

对比文献[12-15]，本文对丹参植株镉、铅、铜的初级和次级形态分布结果与其他中草药不同，铜的结果与文献[16]中丹参相似。植物中金属的溶出特性和结合态的稳定性与植物成分种类和含量相关，不同植物中与金属离子结合的有机化合物种类及含量不同，使得结合态金属的溶出率和稳定性产生差别。

图4 丹参植株3种重金属可溶稳定态和不稳定态百分率累积

3 结束语

丹参植株地上部分虽然含有较高浓度的抗氧化活性物质，但因积累了数倍于根的重金属，其含量接近或超过国家药典对药材的限量标准。重金属含量过高给丹参地上部分的综合利用造成阻碍。依据本文初级和次级形态分析数据，茎和叶的水溶物中镉、铅、铜游离态百分率很高，因此采用离子树脂交换法可有效去除茎和叶提取物中的重金属。另外，本文仅给出丹参植株水溶部分重金属的初级和次级形态，对于其他溶剂提取的化学形态和植物成分赋存形态的分布将另文报道。

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（编辑：莫婕）

Primary and secondary speciation analysis of cadmium，lead and copper in Zhongjiang Danshen plant

ZHOU Li，QIU Qian，HE Decong，HU Xiaorong
（College of Materials and Chemistry&Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

In order to understand the primary and secondary speciation distribution of cadmium，lead and copper in roots，stems and leaves of Danshen plant，the contents of three kinds of metal ions in Danshen plant were determined.And then，the primary speciation of the metals were separated by water decoction and the secondary speciation，water-soluble organic and inorganic states， free and bound states， stable and unstable states， were differentiated by macroporous adsorption resin，cation exchange resin and chelating resin.The results showed thatthe concentration distribution of the three metals in the plants was leaf＞ stem＞ root.The dissolution percentage of cadmium and lead was more than 50%in all parts of plants，while the dissolution percentage of copper in the roots was 66%and in the stems and leaves was only about 10%.Compared with the total matter dissolution rate of Danshen being 20%-27%，the dissolution rate of the three heavy metals was very high.Therefore，the content of heavy metals in Danshen must be strictly controlled when the plant was used as the medicinal materials.The water-soluble inorganicspeciation of cadmium was about 50%，and lead was greater than 50%，while copper was less than 50%.The water soluble free state of the three metal ions in stem and leaf was more than 50%.The water soluble unstable state of cadmium and lead was greater than 50%，while copper was less than 50%.The contents of the three heavy metals in the aerial parts of Danshen were higher than those in the roots.If the aerial parts were to be used，it was necessary to consider the reduction of heavy metal content during the extraction of active ingredients.From the speciation analysis data，ion exchange removal was an effective method.

Zhongjiang Danshen；heavy metals；primary speciation；secondary speciation

A

：1674-5124（2017）07-0066-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.013

2017-04-10；

：2017-05-15

四川省科技厅应用基础项目（2014JY0161）

周 莉（1965-），女，四川成都市人，实验师，主要从事分析化学实验教学与研究。

胡晓荣（1965-），女，四川西昌市人，教授，主要从事微量元素形态与生理作用研究。