红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中49种无机元素比较研究

开建荣，王彩艳，赵丹青，李彩虹，王晓静*

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)

宁夏全区枸杞种植面积由2013年的85万亩增加到了2018年100万亩，年产量达18万t，产值150亿，种植面积和产量占到全国的40%左右，但主要种植红枸杞。红枸杞果实呈红橘黄色，因为它的色素以脂溶性的类胡萝卜素为主，红枸杞果实的功能性成分[1]及其增强免疫力，抗衰老、抗肿瘤、抗疲劳、调节血脂、降血糖、降血压等[2-6]多重功效已有诸多报道。除了红枸杞之外，还有黑枸杞和黄枸杞，均为茄科，枸杞属。黑枸杞分布于中国陕西北部、宁夏、甘肃、青海、新疆和西藏等地，果实成熟后呈紫黑色，因为其色素主要为水溶性的花色苷，黑枸杞富含蛋白质、氨基酸、枸杞多糖、维生素、微量元素、矿物质等多种营养成分，还有天然原花青素，被誉为“软黄金”[7-8]。黄枸杞属于宁夏枸杞的一个变种，主要分布于宁夏，被称为“黄金枸杞”，种植面积较小。目前，对枸杞中无机元素的研究主要集中在微量元素[9-11]和重金属[12-13]上，对枸杞中其他矿质元素的研究较少。关于黑枸杞的研究主要集中在微量元素[9,11]等无机成分和色素[14]、花青素等有机成分[15-19]上。黄枸杞的研究鲜有报道。随着人们对健康需求的增加，我国农产品功能性营养成分的检测分析也越来越多地被人们所关注，到底哪种枸杞的营养价值更高、对人体更有益，具有更高的药用价值，有待于进一步研究。本试验采集同一基地的红枸杞、黑枸杞和黄枸杞为研究对象，检测分析三者中无机元素含量的差异性，以期为中药材功能筛选提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

ELAN DRC-e 型 ICP- MS 仪，美国 Perkin Elmer公司；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；Milli Plus 2150 超纯水处理器 ，美国 MILLIPORE公司；梅特勒-托利多电子天平(AL104)。

本项目选择4组混合标准溶液及Hg标准溶液。包括Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Eu、Gd、Ge、Hg、Ho、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、La、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Sm、Sn、Sr、Tb、Ti、Th、Tl、Tm、U、V、Y、Yb、Fe、Zn、P、Ca，共计49种元素。混合标准溶液,美国 Perkin Elmer公司；Hg标准溶液(1 000 mg/L)，中国计量科学研究院；HNO3为优级纯，德国Merck公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

红果枸杞(样本数n=10)、黑果枸杞(样本数n=7)和黄果枸杞(样本数n=3)样品均采自宁夏中宁地区的同一基地，鲜品晒干，置于50 ℃烘箱中烘干，然后进行充分研磨，过100目筛后备用。

称取0.5 g (精确到0.000 1 g) 枸杞样品，采用微波消解法消解样品，具体操作步骤如下：置于微波消解管中，加入HNO310 mL，常温静置3 h后，放入微波消解仪中进行样品消煮，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190 ℃，保持30 min，消解完毕后冷却，轻轻拧开盖子，将微波消解管置于赶酸仪上，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。

1.2.2 元素含量的测定

采用电感耦合等离子体-质谱法(inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS)测定枸杞中元素含量。具体工作条件为：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。

1.3 数据分析

采用Excel 进行数据初步整理，采用SPSS 25.0进行单因素方差分析及主成分分析。结果以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 红枸杞、黑枸杞和黄枸杞样品中49种元素含量的测定

如表1可知，枸杞中含有多种无机元素，除了黑枸杞中Mo元素未检出外，红枸杞、黄枸杞和黑枸杞中49种元素均有检出，且含量差别较大，如Mg的含量在1 055～1 911 mg/kg范围内，K和P的含量同Mg均在同一数量级；Fe和Zn的含量在同一数量级；B、Ba、Cu、Rb、Sr、Li、Mn、Ti含量在同一数量级；As、Cd、Cs、Eu、Gd、Ge、Hg、Lu、Sb、Pr、Sm、Tb、Tm的含量数量级类似。与前人报道的黑果枸杞[20]结果相比，本试验中Cu(4.4 mg/kg)、Zn(13.6 mg/kg)、Fe(75.8 mg/kg)含量低于报道黑枸杞Cu(10 mg/kg)、Zn(17 m/kg)、Fe(128 mg/kg)含量，Mn的含量(13.0 mg/kg)稍高于报道中黑枸杞Mn含量(11 mg/kg)，Ca(1 957 mg/kg)、Mg(1 911 mg/kg)含量远远高于报道中黑枸杞中Ca(136 mg/kg)、Mg(205 mg/kg)含量，因文献报道中枸杞为新疆枸杞，可能是地域差异造成枸杞中元素含量差异；红枸杞中Cu、Pb含量低于赵丽莉等[21]的测定结果，而K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cr 的含量较高。

表1 样品测定结果 单位：mg/kg

注：同一行中不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著；“-”为未检出

从表1可以看出，红枸杞、黑枸杞和黄枸杞49种元素中，Al、B、Ba、Bi、Cd、Co、Cu、Dy、Hg、Ho、Lu、Mn、Ni、Rb、Se、Sm、Tb、Tl、Tm、U、Y、Yb、Zn 22种元素含量不存在显著差异(P>0.05)；Mo元素在黑果枸杞中未检出，其含量在红枸杞和黄枸杞中差异不显著(P>0.05)，说明红枸杞、黑枸杞和黄枸杞对这些元素的吸收能力不存在显著差异；As、Eu、Li、Sb、Sc、Ti、Th、Fe、P、Ca 10种元素的含量在红枸杞、黑枸杞和黄枸杞存在显著差异(P<0.05)，在这10种元素中，As、Eu、Li的含量依次是黑枸杞>黄枸杞>红枸杞，Sb、Sc、Ti、Fe的含量依次是黄枸杞>黑枸杞>红枸杞，Th的含量为黄枸杞>红枸杞>黑枸杞，P的含量为黑枸杞>红枸杞>黄枸杞；黑枸杞和黄枸杞中Be、Ce、Cs、Nd、Pr、V、La含量显著高于红枸杞，但其Gd含量低于红枸杞，黄枸杞中的Ge、Nb、Sn含量高于红枸杞和黑枸杞，黑枸杞中的Mg、Pb、Sr高于红枸杞和黄枸杞。本试验测定的红枸杞中Fe含量低于黑枸杞，这与叶琦等[22]的研究结果相同；且本试验黑枸杞中Ge、Sb、Tl的含量分别为红枸杞的1.5倍、1.5倍和2倍，这与何艳等[23]的研究结果有所不同，但在整体上，黑果枸杞和黄果枸杞中大部分元素含量均高于红果枸杞。

Al、As、Hg、Pb、Cd、Cr、Ni、Sn、Mo、V、Tl、Sb、Ba 13种元素均为有害元素，《食品安全地方标准 枸杞》(DBS 64/001—2017)中仅对Pb、Cd做出了限量要求，限量值分别为1.0和0.3 mg/kg，上述样品中Pb、Cd的含量远低于标准限量值；同时也低于《食品国家安全标准 食品中污染物限量》中小粒水果的限量值(Pb、Cd的限量值分别为0.2和0.05 mg/kg)；根据2015年版《中国药典》[24]和《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》[25]对中药材中的 5 种重金属元素的限量值(ω(As)≤2 mg/kg，ω(Hg)≤0.2 mg/kg，ω(Pb)≤5 mg/kg，ω(Cd)≤0.3 mg/kg，ω(Cu)≤20 mg/kg)，在我国，中药材除以上5种重金属元素外，其余重金属元素限量均未制定国家标准[26]，枸杞中5种重金属元素含量也低于限量标准。因此，该基地的枸杞质量安全，可放心食用。

2.2 49种元素的主成分分析

主成分分析是一种将原来有很多变量的数据缩减成较少维度，用少量因素反应原始数据提供的大部分信息[27-28]。对红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中49种元素进行主成分分析(表2、表3)，以特征值大于1作为选择主成分的依据，结果表明，可筛选出8个主成分。第一主成分特征值为23.158，代表了49种元素的47.260%信息，以此类推，前8个主成分累计方差贡献率为94.323%，用这8个主成分可以较好的替代上述49种元素的全部信息，因此，构成枸杞元素组分特征的物质由49个降到了8个不相关的主成分，成功达到了评价不同产地无机元素含量指标降维的目的。

表2 49种元素主成分分析Table 2 Princple component analysis of mineral element content

表3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3中可以看到，第1主成分主要综合了枸杞样品中Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、Lu和Ca元素的含量信息；第2主综合了Sn、Nb元素的含量信息；第3主成分综合了Lu、Tm和Yb元素的含量信息；第4主成分主要表示Pb的含量信息；第5主成分综合了Zn的含量信息；第6主成分主要表示Mn的含量信息；第7主成分主要表示Bi的含量信息；第8主成分主要表示P的含量信息。因为总方差94%以上的贡献来自于前8个主成分，所以，根据各无机元素在前8个主要主成分上的载荷，可以认为Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、La、Ca、Sn、Nb、Lu、Tm、Yb、Pb、Zn、Mn、Bi和P是区分红枸杞、黑枸杞和黄枸杞的特征元素。

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Component matrix

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主成分可区分红枸杞、黑枸杞和黄枸杞样品。黄枸杞第1主成分、第2主成分得分均为正值，黑枸杞第1主成分得分为正值，第2主成分为负值，红枸杞的第1主成分和第2主成分得分均为负值。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。

图1 第1和第2主成分得分散点图Fig.1 Scatter plot PC1 and PC2

2.3 红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中元素指纹图谱的建立

参考文献[29-30]的方法，筛选出红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中共有的48种元素，为了绘图方便，将一些含量悬殊的元素同时扩大或缩小相同倍数使其含量在同一数量级(Al、Fe、Ca缩小100倍，K、Mg、P缩小1 000倍，Ni、V扩大10倍，As、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Dy、Nd、Nb、Pr、Sn、Th、Tl、U、Y、Yb、La扩大100倍，Cs、Eu、Gd、Ge、Hg、Ho、Lu、Sb、Sc、Sm、Tb、Tm扩大1 000倍)得到各元素的相对含量，以元素为横坐标，以元素含量的对数值为纵坐标，绘制指纹图谱，见图2。

图2 红果枸杞、黑果枸杞和黄果枸杞元素含量分布曲线Fig.2 Distribution curves of inorganic in red L. barbarum,black L. barbarum and yellow L. barbarum

结果显示，黑枸杞和黄枸杞的峰形基本保持一致，红枸杞曲线走势差异较大，如As、Be、Gd、Li、Sc、V等元素，体现出红枸杞和黑枸杞、黄枸杞在元素含量上存在显著性差异。红枸杞、黑枸杞和黄枸杞的无机元素特征图谱见图3，枸杞中常量元素以K、Fe、Mg、Al、P、Ca等较为丰富，微量元素以Zn、Cu、Mn、Sn、Ti、Ni等较为丰富；同时，从图2可以明显地看出不同品种枸杞对元素的吸收富集能力，研究结果可以为后期中药材功能筛选、产地溯源等方面提供数据支撑。

图3 红果枸杞、黑果枸杞和黄果枸杞元素特征谱图Fig.3 Characteristic spectrum of elements in red L.barbarum,black L. barbarum and yellow L. barbarum

3 结论

红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中元素含量有其各自的特征，其对元素的吸收能力有明显差异，As、Eu、Li、Sb、Sc、Ti、Th、Fe、P、Ca十种元素在红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中有显著差异；红枸杞对Gd具有较强的吸收作用；黑枸杞对As、K、Mg、Pb、Sr、Eu和Li具有较强的吸收作用；而黄枸杞对Ge、Nb、Sn、Sc、Sb、Ti、Fe具有较强的吸收作用；通过主成分分析可筛选出Eu、Nd、Pr、Gd、Ge、V、Tb、Be、Sm、La、Ca、Sn、Nb、Lu、Tm、Yb、Pb、Zn、Mn、Bi和P作为区分红枸杞、黑枸杞和黄枸杞的特征元素。建立了红枸杞、黑枸杞和黄枸杞的无机元素特征谱。

该试验采用统计学方法探讨了红枸杞、黑枸杞和黄枸杞中无机元素含量差异，为后期中药材功能筛选等方面提供数据支撑，也可为医药用枸杞中矿物资源提供了参考。