宁夏不同地区、不同品种枸杞中元素含量差异分析

开建荣，李彩虹，赵丹青，王彩艳*

1(宁夏农产品质量标准与检测技术研究所，宁夏 银川，750002)2(宁夏农林科学院，宁夏 银川，750002)

宁夏枸杞是唯一载入《2010年版中国药典》的枸杞品种。据报道，世界上枸杞的品种约有80种，其中，南美洲南部约30种，北美洲南部和非州南部各有20种左右，欧亚大陆约有10种，中国有7个种和3个变种[1-3]，我国枸杞的几大产区的绝大多数栽培品种均引自宁夏枸杞(Lyciumbarbarum)系列品种[4-5],截止2018年，我国已有13个省区种植。枸杞是我国西部特色优势产业，已成为西部地区生态治理、劳动力就业、脱贫富民的支柱产业，其产量、消费量和出口量均居世界首位。宁夏枸杞种植面积及产量占到全国的40%左右，我区选育出多用途枸杞新品系50个，其中“宁杞5号”和“宁杞7号”对枸杞产业的发展具有重要的支撑作用。枸杞果实含有多糖、黄酮类化合物以及甜菜碱、类胡萝卜素等多种功能营养成分[6]，具有增强免疫力、抗衰老、抗肿瘤、抗疲劳、调节血脂、降血糖、降血压等多重功效[7-14]，枸杞在我国保健行业和医药行业发挥着重要作用。目前，枸杞中功能成分的研究主要集中在多糖、甜菜碱等有机成分和不同产区枸杞中功能营养成分的研究[13-15]。

目前，国内外开展了不同的检测方法研究来验证原产地保护各种产品的真实性，如COETZEE等[16]通过对葡萄酒中40种元素进行筛选分析发现，20种元素存在地区差异，最终筛选出Al、Mn、Rb、Ba、W、Ti作为产地溯源的指标；JAROSLAVA等[17]也发现 Al、Ba、Ca、Co、K、Li、Mg、Mn、Mo、Rb、Sr、V 及 Sr/Ba、Sr/Ga、Sr/Mg对葡萄酒地域的判别效果比较好；吴浩等[18]研究发现通过分析葡萄酒中C、N稳定同位素以及元素含量，可以实现对有机和非有机葡萄酒的精确区分；也有研究表明元素指纹技术能很好地判别茶叶的产地来源[19-21]。目前，产地溯源研究主要集中在葡萄酒[16-18]、茶叶[19-21]、谷物[22-24]、蜂蜜[25-26]等。

枸杞中含有丰富的无机元素，这些无机元素能够反映枸杞生长的土壤环境、元素的种类和含量差异，具有一定地理标志特征，在枸杞产地溯源中应用较多。近年来，我国也开始关注枸杞原产地保护和鉴别，并开展相关研究[27-28]。我区作为枸杞种植大省，为了避免越来越多的外来枸杞品牌对宁夏枸杞的冲击，枸杞产地溯源研究势在必行。但是农产品的品种和小区内不同地域差异是否会影响产地溯源结果。因此，本试验以宁夏主要种植的枸杞品种(宁杞1号、宁杞5号、宁杞7号和宁杞9号)和不同种植区域(固原市、中卫市、中宁县和银川市)枸杞为研究对象，检测分析枸杞中26种(Al、As、B、Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、La、Li、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Se、Sr、Th、Ti、Fe、Zn、P、Ca和Pb)较为稳定的元素含量，阐明不同品种枸杞及不同产地枸杞中元素的含量差异，以期为枸杞产地溯源提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的4个不同枸杞品种(采于同一产区)，分别为宁杞1号(n=8)、宁杞5号(n=4)、宁杞7号(n=8)和宁杞9号(n=6)，不同地区枸杞材料来源于宁夏固原(n=8)、中卫(n=8)、中宁(n=10)及银川(n=8)的枸杞基地。于2018年7月采集鲜果，自然晒干，在50 ℃烘箱中烘干，烘干后的枸杞样品进行充分研磨，过100目筛后，放置在-20℃冰箱中保存备用。

1.2 仪器与试剂

Mars6 Xpress微波消解仪(内置双光路温度控制系统和全罐异常压力监控系统)，美国CEM公司；电子天平，梅特勒-托利多公司；ELAN DRC-e型ICP-MS仪，美国Perkin Elmer公司；Milli Plus 2150超纯水处理器，美国MILLIPORE公司。

多元素混合标准溶液(1 0 mg/L),美国Perkin Elmer公司;Hg元素标准溶液(1 000 mg/L)，中国计量科学研究院；硝酸(优级纯)，德国默克；去离子水，实验室制备。

1.3 试验方法

枸杞中元素测定参考GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》[29]，称取0.5 g(精确到0.000 1 g)枸杞样品，加入10 mL HNO3，浸泡过夜，使用微波消解法进行样品前处理，用电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)测定枸杞样品中元素含量。仪器的具体工作参数如下,

微波消解仪：选择温度控制，5 min爬升至120 ℃，保持10 min；5 min爬升至150 ℃，保持20 min；5 min爬升至180 ℃，保持30 min进行消解，消解完毕后冷却，冷却后置于赶酸仪上120 ℃赶酸2 h，然后冷却至室温;用超纯水洗至50 mL刻度试管中，并用超纯水定容，摇匀；同时做试剂空白。

ICP-MS工作前进行仪器调谐，调节灵敏度、氧化性、双电荷、分辨率。仪器的具体工作参数：发生器功率1 300 W；雾化器流量0.95 L/min；等离子炬冷却气流量17.0 L/min；辅助器流量1.20 L/min；检测器模拟阶电压-2 350 V；离子透镜电压6.00 V。

1.4 数据分析

用SPSS 17.0 统计学软件对数据进行方差分析、Duncan多重比较分析、主成分分析。

2 结果与分析

2.1 枸杞中矿物元素含量

枸杞中26种元素含量如表1所示：枸杞中元素的含量存在明显差异；P、Mg、Ca、Al、Fe的含量较高，其平均含量分别达到2 528、1 182、578、182.5和56.1 mg/kg，其次是Zn、Mn、B、Sr、Cu、Rb、Ti、Li、Ba、Ni，这15种元素含量均大于1 mg/kg，Mo和Pb的含量介于0.1～1.0 mg/kg，而As、Cd、Co、La、Sc、Se、Th、Hg的含量为μg/kg级。2015版《中华人民共和国药典》对Pb、Hg、As、Cu、Cd的含量做出了明确限定。虽然试验枸杞样品中重金属的含量均低于国标限量要求，但还存在一定的差别，因此应当重视对重金属含量的监控，特别是施用杀虫剂、肥料等环节，避免引起重金属残留和超标[30]。

2.2 不同地区枸杞中矿物元素含量

受地质、水和土壤环境因素的影响，不同地域土壤中矿物元素的组成和含量存在差异，导致在不同地域生长的生物体有其各自的矿物元素指纹特征[31]。对宁夏4个地区枸杞的26种元素进行方差分析(表2)，结果表明，4个地区枸杞样品中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca在地域之间存在极显著差异(P<0.01)，Se、Li、Cd、Pb和B含量存在显著差异(P<0.05)，Cr、Hg、Zn、P含量差异不显著。多重比较分析的结果显示，不同地域枸杞样品中的元素含量有其各自的特征。中卫枸杞中Al、B、Co、Cr、La、Mn、Mo、Sc、Se、Sr、Ti、Fe和Ca含量普遍较高；固原枸杞中Rb、Ni、Pb、Zn、Ba、Cu、Li和Mg含量较高；银川枸杞样品中的Cd含量较高；而中宁地区枸杞中的Al、As、B、Ba、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Se、Sr、Ti、Fe、Zn、Ca和Pb的含量均低于其他地区。多元素的含量差异表明多元素分析对枸杞产地溯源是可行的。刘毅等[32]研究发现，宁夏中卫和中宁枸杞中的Zn、Mn、Cu、Fe含量接近，Fe可以作为判断枸杞品质和道地性的指标；张莉等[27]采用ICP-MS测定了宁夏、甘肃、新疆的122份枸杞中矿物元素，结果表明除了K元素，其他元素在不同地域间均有显著性差异；史秀红等[33]通过原子吸收分光光度计，测定了宁夏、河北、山东、内蒙古、青海等地枸杞中各矿物元素，并进行聚类分析和主成分分析，发现宁夏与其他产地的枸杞有明显不同。

2.3 不同品种枸杞中矿物元素含量

对4个地区采集的4个品种枸杞中26种元素进行方差分析及多重比较(表3)。结果显示，7号与9号枸杞中的B元素、1号与5号枸杞中的Li元素、5号与1号和9号枸杞中的Co元素、7号与5号枸杞中的La元素存在显著性差异(P<0.05)，而其他元素在不同品种枸杞中没有显著性差异。因此，产地溯源研究中可不考虑枸杞品种的影响。

2.4 元素含量间的相关性分析

对枸杞样品中的26种元素含量进行Pearson相关性分析，结果见表4。显著性分析发现，枸杞中有些元素之间呈极显著正相关(P<0.01)，如Rb和Cu、Ni，Ca和Al、As、B、Ba、Co、Cr、La、Li、Mg、Mn、Sc、Sr、P间均呈正相关关系，表明这些元素间具有相互协同、促进吸收的关系，同时说明枸杞在富集这些元素时具有较强的协同作用，但其差异与枸杞品种、栽培环境等因素相关。负相关表明元素间具有相互拮抗的关系，枸杞中具有负相关关系的元素较少，如Ni和Cd、Cd和Rb、Cu和Cd、Th和Ni之间均存在显著负相关关系(P<0.05)。Hg、Rb与其他元素的相关性较差，说明Hg、Rb元素差异可能主要源于环境土壤差异，且Rb与Al、B、Cd、Co、Cr、Hg、La、Mo、Th、Fe等元素呈负相关关系，这可能与元素性质有关。由此可知，枸杞中26种元素之间存在一定的相关性和依存关系，而元素间的相关性是枸杞吸收和转运元素交互作用的综合反映，也是土壤中元素间相互作用的综合反映。不同产地枸杞的无机元素存在较大差异，与其产地的土壤、气候等因素息息相关，但在枸杞的生长过程中这些元素之间的相互影响有待进一步研究。

表1 枸杞中矿物元素含量

表2 不同地区枸杞中矿物元素含量及方差分析 单位：mg/kg

注：同列中不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著，同列不同大写字母表示在P<0.01水平上差异极显著(下同)

表3 不同品种中矿物元素含量及方差分析 单位：mg/kg

表4 枸杞中矿物元素的Pearson相关性分析

注：*和**分别表示P<0.05和P<0.01水平上的显著相关。

2.5 26种元素的主成分分析

矿物元素指纹分析技术是产地溯源的主要手段之一，其关键是从种类繁多的元素中筛选出与食品生长地域密切相关的、稳定的元素指纹信息[34]。主成分分析是通过降维的方式用少量因素反映原始数据所提供的大部分信息的技术。由表4可以看出，枸杞中元素两两之间有较大的相关系数，因此适宜用主成分分析法来研究元素之间的关系。

对宁夏4个地区枸杞中26种元素进行主成分(PC)分析(表5)，结果表明,前6个主成分累计方差贡献率为82.672%，用这6个主成分可以较好的替代上述26种元素的全部信息。

表5 元素主成分分析

表6是经方差最大正交旋转后的因子载荷矩阵，用于鉴别有实际意义的因子。从表6中可以看出，第1主成分主要综合了枸杞样品中Ni、Li元素的含量信息；第2主成分综合了Al、As元素的含量信息；第3主成分综合了Mo、P元素的含量信息；第4主成分主要表示Th的含量信息；第5主成分综合了Zn、Pb的含量信息；第6主成分和Hg呈高度负相关，和Ba呈高度正相关，综合了Hg和Ba元素的含量信息。因为总方差82%以上的贡献来自于前6个主成分，所以，根据各无机元素在前6个主要主成分上的载荷，可以认为Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba是枸杞的特征元素。吴有锋等[35]对柴达木枸杞中24种元素采用主成分分析，提取了Cu、Zn、Na、Mg、Fe、P、K、Mn等特征元素，与本研究结果不同，原因可能是不同产地土壤元素含量存在差异。

根据表6中的因子得分系数矩阵，通过得分系数将各个变量进行线性组合，建立关于6个主成分与26个元素变量得分系数模型。以各个主成分对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和相应的权重线性加权求和得到综合评价函数。综合得分按公式(1)计算：

zF=42.266%×F1+15.512%×F2+8.476%×F3+7.965%×F4+5.538%×F5+4.914%×F6

(1)

式中：F1-F6分别为各主成分得分，按表6得分系数矩阵计算。

利用第1主成分和第2主成分的标准化得分作散点图(图1)，结果表明，通过第1和第2主成分可区分不同地区枸杞样品。中卫和固原第1主成分得分均为正值，中宁第1主成分得分均为负值，银川第1主成分得分既有正值，又有负值；中卫的第2主成分均值为正值，中宁的第2主成分均值为负值，而银川和固原的第2主成分既有正值，又有负值。银川和固原处于中卫和中宁之间，这与元素含量差异分析的规律一致。可见，主成分分析可以把样品中多元素的信息通过综合的方式更直观地表现出来。

表6 主成分载荷矩阵

续表6

元素旋转成分载荷矩阵PC1PC2PC3PC4PC5PC6元素旋转成分载荷矩阵PC1PC2PC3PC4PC5PC6Mo0.4320.2370.797-0.0220.099-0.135Ni0.1950.026-0.102-0.131-0.0320.010P0.2640.2050.6920.2970.2710.367Rb0.1230.119-0.310-0.1890.0750.239Fe0.3470.6080.610-0.0420.036-0.178Sc0.0660.141-0.1160.042-0.0620.035Rb0.3580.023-0.566-0.4240.2710.381Se-0.0050.0340.157-0.085-0.085-0.004Se0.3280.2970.522-0.117-0.076-0.032Sr0.197-0.009-0.0350.038-0.2050.036Th-0.1450.163-0.1350.8800.171-0.046Ti0.0990.047-0.0880.228-0.094-0.178Ti0.4020.5080.1420.637-0.029-0.195Th-0.008-0.054-0.0770.3470.109-0.113Cd-0.1270.0860.1140.631-0.1380.247Fe-0.0480.1250.148-0.085-0.056-0.075Zn0.270-0.0070.284-0.1260.831-0.078Zn-0.043-0.1640.151-0.0060.453-0.025Pb0.0420.378-0.0980.1220.8190.048P-0.070-0.1190.2810.0600.1560.168Hg0.2200.238-0.0050.1480.458-0.727Ca0.1230.064-0.1190.131-0.0580.048Ba0.2560.042-0.0930.4000.1690.685Pb-0.0960.068-0.0720.0110.4110.040

图1 第1和第2主成分得分散点图

3 结论

本试验对宁夏4个地区枸杞中26种元素含量分析显示，元素含量存在明显差异，且元素含量变异系数较大。宁夏不同种植地区枸杞中的Al、As、Ba、Co、Cu、La、Mg、Mn、Mo、Ni、Rb、Sc、Sr、Ti、Th、Fe和Ca的含量差异达到了极显著水平，这说明来自宁夏固原、中卫、中宁和银川4个产区的枸杞样品中元素有其各自的特征，多元素分析对枸杞产地判别是可行的。但对不同品种枸杞元素的含量进行分析发现，不同品种枸杞中元素含量不存在显著性差异，因此，品种差异并不影响产地溯源的研究。枸杞中26种元素之间存在一定的相关性和依存关系，对枸杞中26种元素进行主成分分析提取出了6个主成分，其累积方差贡献率达到82.672%，因此，可筛选出Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba作为枸杞的特征元素。

本试验采用化学计量学方法探讨了宁夏不同地区枸杞中元素的分布规律，为枸杞在产地溯源研究方面提供了重要的数据支撑。