电感耦合等离子体质谱法测定超微粉碎对苦荞代餐粉中矿质元素的影响

李文秀,王 丽,张 萍,许青莲,*,邢亚阁,李 鹤,杨 华,曾晓君,周光朝

(1.西华大学食品与生物工程学院,四川成都 610039; 2.四川环太生物生物科技有限责任公司,四川成都 610000)

超微粉碎技术是当今国内外食品加工的关键技术,物质经过超微粉碎后具备了良好的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应及量子隧道效应等显著特性,提高了生物活性物质溶出率,有利于机体对有效成分的吸收[1-2]。作为一项高新技术,超微粉碎技术已被广泛应用于食品、农业、医药、化工、建筑等领域[3]。但是,食品在超微粉碎过程中可能因机械损伤而造成部分营养成分的流失。苦荞即苦荞麦,学名鞑靼荞麦,是自然界中甚少的药食两用的优良作物,被誉为“五谷之王”,是一种集营养、保健、医疗于一体的天然绿色功能食品[4-7]。苦荞中的膳食纤维含量比较高,而膳食纤维成分可以刺激小肠上皮黏膜细胞分泌胆囊收缩素,抑制胃排空,增加饱腹感,对肥胖症有良好的控制作用[8]。因此,苦荞是一种制备代餐粉的理想原料。消费者在减肥的同时也比较关注代餐粉的营养元素及食用安全性。

常用于测定五谷杂粮及其制品中矿质元素的方法主要有原子荧光光谱法[15]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[16]、X射线荧光光谱法[17]、火焰原子吸收光谱法[18]和电感耦合等离子体质谱法[19]。其中,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是一种分析速度快、线形范围宽、灵敏度高、检出限低、可进行多种元素及同位素同时测定的分析技术[9-11],已广泛应用于材料、环保、生物医学、食品等领域[12-13],是目前国内外最先进的元素测定方法之一,非常适合分析谷物类食品的矿质元素[14]。但是,目前对于谷物类食品中矿质元素的研究大部分都集中在测定谷物本身的矿质元素以及在种植过程中矿质元素的迁移,测定加工处理对谷物类食品中矿质元素影响的研究较少。Jiang等[15]通过原子荧光光谱法研究了水稻中锗的定量。Yang等[16]采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定了马铃薯,燕麦,荞麦,高粱和紫米中的19种矿物元素。Teixeira等[17]使用能量色散X射线荧光光谱法开发了一种简单、快速且廉价的方法来确定大米样品颗粒中的必需元素。Erdogan等[18]通过火焰原子吸收光谱法测定了三种土耳其豆科植物,菜豆,小扁豆和鹰嘴豆中的Fe,Zn,Mn和Cu水平。Voica等[19]通过电感耦合等离子体质谱法测定了37个咖啡样品包括有毒和必需元素的16种元素。

实验室以苦荞为主要原料,采用超微粉碎技术制备了一种超微苦荞代餐粉。经过加工后的超微苦荞代餐粉口感细腻,香气浓郁,冲调性较好,感官品质明显优于普通苦荞代餐粉,但其营养成分情况尚不明确。为了明确超微粉碎过程中苦荞代餐粉中矿质元素的损失情况,本实验建立测定苦荞代餐粉中部分矿质元素含量的ICP-MS分析方法。采用ICP-MS法同时测定苦荞代餐粉中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13种矿质元素的含量。探究超微粉碎后苦荞代餐粉中矿质元素的损失情况,以明确超微粉碎在苦荞代餐粉中的应用价值。从元素的角度考察超微粉碎对苦荞代餐粉营养成分的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苦荞 四川环太生物生物科技有限责任公司;大米、薏仁、燕麦、黑麦、魔芋粉 郫县百盛源超市;Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As等多元素混合标准溶液(100 μg/mL),Sc、In、Bi混合内标溶液(1000 μg/mL) 国家标准物质中心;超纯水(电阻率>18.2 MΩ·cm)由超纯水制备仪制得;硝酸(优级纯)、30%过氧化氢(分析纯) 成都市科龙化学品有限公司。

SLG65-III双螺杆挤压机 济南希诺机械有限公司;YQ50-1气流粉碎机 上海赛山粉体机械制造有限公司;FW-100型高速粉碎机 天津市华鑫仪器厂;MDS-6G微波消解仪 上海新仪微波化学科技有限公司;NexION350X电感耦合等离子体质谱仪 美国PerkinElmer仪器有限公司;Milli-Q Biocel超纯水仪(电阻率>18.2 MΩ·cm) Millipore;IKA C-MAG HP7控温数显电热板 北京莱伯泰科仪器股份有限公司;万分之一分析天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 电感耦合等离子体质谱法的建立

1.2.1.1 ICP-MS仪器工作参数 采用调谐液对仪器进行优化后,其仪器工作参数见表1。

表1 ICP-MS仪器工作参数Table 1 ICP-MS instrumental parameters

1.2.1.2 待测元素同位素和内标元素的选择 待测元素按照干扰小、丰度大的原则来选择同位素的质量数。由于苦荞代餐粉基体复杂,存在一定的基体干扰,通常选择内标元素来消除基体干扰和分析信号的漂移[20]。内标元素的选择遵循所选内标元素质量数与待测元素质量数相近的原则[21]。待测元素的同位素质量数和所用内标元素如表2所示。

表2 同位素和内标元素的选择Table 2 Selection of isotopes and internal standard elements

1.2.1.3 标准曲线的建立 准确移取100 mg/L的多元素溶液标准物质1.00 mL于100 mL容量瓶中,并用体积分数为5%的硝酸稀释并定容至刻度,配制成质量浓度为1.0 μg/mL标准中间液。再用体积分数为5%的硝酸将标准中间液稀释成质量浓度分别为0.00、1.00、5.00、10.00、30.00、50.00 ng/mL的混合标准液,用于测定Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr和As元素的标准曲线。同时,取100 mg/L的多元素混合标准溶液,加体积分数5%硝酸溶液配制成0.00、0.20、2.00、4.00、12.00、20.00 μg/mL的混合标准液,用于测定Mg、Fe和Ca元素的标准曲线。

1.2.2 样品的制备 参照李丹[22]麦麸代餐粉制备工艺,并有一定改进。实验室以苦荞作为主要原料,以大米粉、薏仁粉、燕麦粉、黑麦粉、魔芋粉等为辅料,将苦荞和大米粉碎、膨化(1.5 MPa,150 ℃)、再粉碎,薏仁、燕麦、黑麦用小火炒熟后用高速粉碎机粉碎,然后取苦荞粉、大米粉、燕麦粉、薏仁粉、黑麦粉、魔芋粉、玫瑰粉、木糖醇按照16∶5∶5∶4∶2∶2∶1∶4 (w∶w)的比例均匀混合,最后过80目筛,得到普通的苦荞代餐粉。将普通的苦荞代餐粉经过气流粉碎(频率200 Hz)后过500目筛,即得到超微苦荞代餐粉。

1.2.3 测定样品前处理 准确称取苦荞代餐粉样品0.2～0.3 g(精确至0.1 mg)于消解罐内,加入硝酸溶液(优级纯)5 mL,盖上消解罐罐盖并旋紧,放置过夜,再加过氧化氢(H2O2)溶液2 mL,而后放入微波消解仪中消解,消解条件见表3。消解完全后,待温度降至60 ℃以下后取出,在通风橱中缓慢打开罐盖排气,再将消解罐置于控温电热板上,150 ℃赶酸近干。冷却后,将消化液转移至50 mL容量瓶中,用少量体积分数为5%的稀硝酸(以浓硝酸为基准)溶液分3次洗涤消解罐,洗涤液同样转移至容量瓶中并定容至刻度,混匀备用,同时做不含样品的空白实验。所有空白、标准、待测液均通过三通进样管在线加入4.0 μg/mL的Sc、In、Bi混合内标溶液[23]。

表3 微波消解条件Table 3 Microwave digestion conditions

1.2.4 样品的测定 样品前处理后使用ICP-MS进行测定,测定参数见表1。测定时,先确立标准曲线,再测定1.2.3中得到的样品空白液和待测液,自动得到所测溶液中各元素的质量浓度,通过计算得到样品中各元素相应的含量[24]。试样中待测元素的含量按式(1)进行计算:

式(1)

式中:X为试样中待测元素含量(mg/kg);ρ为试样溶液中被测元素质量浓度(μg/L);ρ0为试样空白液中被测元素质量浓度(μg/L);V为试样消化液定容体积(mL);f为试样稀释倍数;m为试样称取质量或移取体积,单位为克(g);1000为换算系数。

1.2.5 加标回收率 取两份相同的样品,其中一份加入一定量(本实验的加入量见表6)的含有待测成分的标准物质;然后两份试样采取相同的分析步骤分析,最后,加标试样所得的结果减去未加标试样所得的结果,其差值与加入标准物质的理论值之比即为样品加标回收率。即:

回收率加标(%)=(加标试样测定值-试样测定值)÷加标量×100

式(2)

1.2.6 检出限 以样品空白溶液测定11次所得标准偏差的3倍所对应的质量浓度为各元素的检出限[25]。

1.3 数据处理

所有数据均使用SPSS 20.0系统进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 质谱干扰的消除

质谱干扰主要来源于多原子或同质异位素重叠所产生的干扰,消除质谱干扰最有效的方法就是ORS技术[26]。本实验采用碰撞-反应池技术,使用氦气作为碰撞气、氢气作为反应气以及无气模式,结合屏蔽炬技术限制强质谱峰在低质量端的拖尾现象,从而达到消除干扰的目的[23]。各待测元素所选择的质谱工作模式见表4。

表4 质谱干扰及模式的选择Table 4 Spectral interferences and ORS mode selection

2.2 标准曲线和检出限

根据苦荞代餐粉中不同元素的含量,选择合适的质量浓度范围配制标准液并进行测定,得到元素的标准曲线方程,如表5所示。从表5中可以看出,13种元素的线性回归方程相关系数r均不小于0.9990,线性关系良好。样品空白测量11次所得测定值的标准偏差的3倍所对应的质量浓度为各元素的检出限,结果显示检出限(LOD)在0.0105～0.9678 μg/L范围内。

表5 元素线性回归方程、相关系数及LODTable 5 Linear regression equations,correlation coefficients,and LODs of the elements

2.3 加标回收试验

对苦荞代餐粉的一个样品中每个元素进行2个梯度(每个梯度平行量取3次)的加标,经微波消解处理后,进行加标回收率的测定,测定结果见表6。从表6可以看出,各元素加标回收率在82.8%～111.0%之间,相对标准偏差(RSD)在1.0%～7.1%之间,表明该实验方法的精密度良好,采用ICP-MS测定苦荞代餐粉样品中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13种元素的结果是令人满意的。

表6 加标回收试验结果(n=3)Table 6 Test results of spike recovery(n=3)

2.4 苦荞代餐粉中矿质元素测定

采用以上建立的方法对普通苦荞代餐粉和超微苦荞代餐粉样品进行了测定,每个样品平行称量10次,测定结果如表7所示。从表7中可以看出,苦荞代餐粉含有丰富的矿质元素,且有毒重金属元素的含量没有超过GB 2762-2017《食品中污染物限量》中规定的谷物及其制品中Pb(以Pb计)、Cd(以Cd计)、As(以总As计)、Cr(以Cr计)的限量标准,其限量分别为Pb 0.2 mg/kg,Cd 0.1 mg/kg,As 0.5 mg/kg,Cr 1.0 mg/kg[27]。同时,将普通苦荞代餐粉与超微苦荞代餐粉中各元素的含量进行比较,除元素Ca、Mn、Co、Cu和Zn的含量经超微粉碎后显著降低(p<0.05),其他8种元素测定的结果差异不显著(p>0.05)。结果表明,普通苦荞代餐粉中的Ca、Mn、Co、Cu和Zn元素的含量明显高于超微苦荞代餐粉,但各元素的损失量不超过7%,超微粉碎对苦荞代餐粉中其他矿质元素含量的影响不显著(p>0.05)。总的来说,超微粉碎对苦荞代餐粉中矿质元素的影响较小。本实验结果与陈爱华[28]等研究结果基本一致,证明了手工手磨碎和机械粉碎制样对柑桔叶片金属元素无显著性差异。

表7 超微粉碎对苦荞代餐粉中矿质元素含量的影响Table 7 Effect of ultrafine pulverization on the content of mineral elements in buckwheat meal replacement powder

3 结论

本实验以硝酸和双氧水为消解液,采用ICP-MS测定苦荞代餐粉中Ca、Fe、Mg、Zn、Mn、Se、Cu、Mo、Co、Pb、Cd、Cr、As 13种矿质元素。利用ORS技术消除了分析中的质谱干扰,通过加入内标元素有效地克服了基体效应并补偿了信号漂移,提高分析结果的准确性。在所测线性范围内,13种元素的相关系数均不小于0.9990,其检出限在0.0105～0.9678 μg/L之间,加标回收率在82.80%～111.0%之间,相对标准偏差RSD在1.0%～7.1%之间。因此,该方法的精密度好,可用于同时测定苦荞代餐粉中的多种矿质元素。通过对普通苦荞代餐粉和超微苦荞代餐粉中13种矿质元素的含量进行分析,结果表明,该苦荞代餐粉中含有丰富的矿质元素,有毒重金属As、Pb、Cd、Cr的含量均未超出GB 2762-2017《食品中污染物限量》标准的限量,食用安全。同时,超微粉碎对苦荞代餐粉中矿质元素的含量的影响较小,所以,超微粉碎在苦荞代餐粉中是有一定应用价值的。实验为超微粉类功能食品的开发提供了参考依据。