不同地区大西洋鲑鱼无机元素含量的对比分析

宋 伟,沈贵兰,韩 芳,邓晓军,周典兵,何雨婷,丁 磊,吕亚宁,郑 平,*

(1.合肥海关技术中心,安徽合肥 230022;2.食品安全分析与检测安徽省重点实验室,安徽合肥 230022;3.上海检验检疫科学技术研究院,上海 200135)

大西洋鲑鱼属鲑科鲑属,俗名三文鱼(Atlantic salmon),体呈纺锤状,稍侧扁,广泛分布于北大西洋温寒带海域。成鱼在温寒带海域活动,以小型鱼类、虾类及其他动物为食,幼鱼则栖息在干净、高溶氧且有碎石的溪流,成长2～4年后,再行降海。大西洋鲑鱼富含脂质、味道鲜美,营养价值高,是大西洋重要的经济鱼类及游钓鱼类[1-4]。因为地理因素限制,大西洋鲑鱼在我国海域内没有自然分布,并且人工育苗技术有较大的难度,目前我国还没有大西洋鲑鱼的大规模养殖产业。近年来,随着我国居民生活水平的提高,消费结构和消费层次出现了多元化,针对大西洋鲑鱼的消费也在持续上升,其中挪威、智利等国大西洋鲑鱼产量较高[5-8],已成为我国进口大西洋鲑鱼的主要来源地。

根据生物对元素富集作用的原理,生物体内元素含量和分布应该与产地环境特征相关,来源于不同产地的同类产品,元素含量会存在差异[9-12]。鉴于此,近些年应用元素“指纹”分析技术进行农产品原产地溯源的探索越来越多。林昕等[13]对代表性的普洱茶古树茶和台地茶中的稀土元素进行检测分析,筛选出4个有效判别指标,身份判别检验率达到100%;赵芳等[14]利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定葡萄酒中的稀土元素,对葡萄酒原产地鉴别开展了研究,鹿保鑫等[15]采用ICP-MS分析大豆中矿物元素含量,有效进行了大豆产地溯源研究。而对于水产类动物源产品的相关研究同样具有判别性,Costas-Rodriguez等[16]对西班牙加利西亚地区5个不同湖泊的贻贝进行了产地判别。赵鉴等[17]对辽河水系和长江水系4个不同产地的中华绒螯蟹元素“指纹”的产地差异性进行了研究并实现了有效判别。才让卓玛等[18]探讨了无机元素测定对香港牡蛎产地溯源的可行性,利用主成分分析法和聚类分析法对元素含量统计分析,初步实现了不同产地香港牡蛎中的产地溯源。此外应用元素“指纹”技术对猪肉[19-20]、羊肉[21]、牦牛肉[22]、蚬[23]、中药材[24]、枸杞[25]等产品进行差异分析、产地溯源的应用也均有报道。

无机元素的种类和含量受特定的水生环境的影响,来源于不同产地的大西洋鲑鱼在无机元素的含量上存在一定差异。本研究采用微波消解前处理技术结合ICP-MS的碰撞模式建立了大西洋鲑鱼中Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al 10种无机元素含量的快速测定方法,并以相应元素含量作为区分大西洋鲑鱼产地溯源指标,对不同产地样本数据进行采集分析,开展了大西洋鲑鱼产地溯源初步探索,以期为后期有效开发不同产地大西洋鲑鱼的判别方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al单元素标准储备溶液浓度均为1000 mg/L 国家有色金属及电子材料分析测试中心;45Sc、72Ge、209Bi、115In内标溶液1000 mg/L 国家有色金属及电子材料分析测试中心;硝酸 UP级,苏州晶瑞化学股份有限公司;硫酸、过氧化氢 优级纯,国药集团化学试剂有限公司;氩气 纯度>99.99%;大虾标准参考物质(GBW10050) 由国家标准物质研究中心提供;大西洋鲑鱼样本 来自上海检验检疫科学技术研究院日常进口监测样品,其中进口自挪威样品10批,编号1～10号,进口自澳大利亚样品10批,编号11～20号,进口自智利样品10批,编号21～30号。

NexION 350D电感耦合等离子体质谱仪 美国PE公司;Mars X微波消解仪 美国CEM公司;PL2002天平 美国Mettler Toledo公司;Milli-Q超纯水机 美国Millipore公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 准确称取0.500 g(精确到0.001 g)已均匀处理的大西洋鲑鱼样品置于微波消解罐中,加入消解试剂,静置30 min预消化后,设置最佳消解程序,盖紧盖子放置进微波消解仪进行消解,消解完全后,赶酸板赶酸后冷却至室温,将消化液过滤入10 mL离心管中,用水少量多次洗涤罐,洗液合并于离心管中并定容至刻度,混匀后上机检测。

1.2.2 仪器条件 使用仪器日常调谐液对仪器条件进行最优化,获得最佳工作条件。标准模式:RF功率:1300 W,雾化气流量0.92 L/min,等离子气流量16 L/min,辅助气流量:1.2 L/min,透镜电压6.80 V,模拟电压1600 V,脉冲电压800 V,扫描方式为跳峰扫描,扫描次数为20,积分时间:50 ms;测量方式为模拟加脉冲,重复次数3次。KED模式:RF功率:1300 W,雾化气流量0.92 L/min,等离子气流量16 L/min,辅助气流量:1.2 L/min,氦气气流量:3 L/min,透镜电压6.80 V,模拟电压1600 V,脉冲电压800 V,扫描方式为跳峰扫描,扫描次数为20次,积分时间:50 ms;测量方式为模拟加脉冲,重复次数3次。

1.2.3 标准工作曲线的绘制 精密移取适量Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al单元素标准溶液,用0.5%硝酸溶液稀释配成Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al质量浓度均为1 mg/L的混合标准储备液。精密量取标准储备液,用0.5%硝酸溶液逐级稀释成浓度为1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L的标准系列工作溶液。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0统计分析软件对3个产地大西洋鲑鱼样本元素进行单因素方差分析、最小显著差异法多重比较、聚类分析及判别分析。

2 结果与分析

2.1 仪器检测条件的优化

为避免基体干扰,可通过添加与待测元素质量相近的内标元素用于监控和校正实时信号,保证仪器的稳定性。由于Ge、In、Sc、Bi在酸性基质中较为稳定[26],质量和电离能与相应的待测元素接近,实验选择了72Ge、115In、45Sc、209Bi四种元素作为内标元素,使检测结果的准确性得到了保证,同时大大降低了基体效应。另一方面,针对大部分氯化物、氧化物、氢化物等多原子离子干扰,实验选用He碰撞模式,利用动能歧视(KED)模式的物理方法进行去除,对于易受干扰的钙、铬、铁元素,实验选用含较少多原子离子干扰的同位素43Ca、53Cr和57Fe进行测试。根据样品中所含元素种类及含量,考虑到样品中多元素含量高低不等,特别是大西洋鲑鱼样品中钙含量较高,而重金属元素含量一般较低,为保证结果和检测的准确性,避免稀释样品溶液带来的误差,同时为减少高含量元素检测时对仪器打拿极的伤害,选取RPa值的范围(0.008～0.015)对钙标准溶液最大浓度点进行优化,得到最佳RPa值保证元素响应在合理范围内。

在优化的实验条件下对大虾标准参考物质(GBW10050)进行测试,结果见表1,通过t检验,实测值与参考值之间均不存在显著性差异(P>0.05),所建立的方法获得了较好的检测效果。

表1 ICP-MS测定大虾标准物质的准确度实验结果(n=5)

2.2 方法检出限和精密度

根据国际理论和化学联合会(IUPAC)的规定,用公式L=3Sb/S(Sb为空白多次测量的标准偏差,S为方法的灵敏度(即标准曲线的斜率)计算仪器检出限[27-28]。本试验对空白消解液连续测定11次[29],求出其标准偏差(S),具体测定结果及线性相关系数见表2。为了考察该方法的可靠性,按照优化后的前处理方法与仪器模式对添加回收样品进行处理之后,使用ICP-MS进行测定,每个元素重复5次测定,各元素的加标回收率在93.5%～98.2%之间,同时,检测的相对标准偏差(RSD)为0.73%～3.15%。

表2 10种元素线性相关系数、检出限、回收率及相对标准偏差(n=5)

2.3 产地溯源分析

2.3.1 元素的含量及差异分析 通过对来自挪威、澳大利亚、智利3个产地进口的大西洋鲑鱼各取10批次进行测试,Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al元素的含量见表3。采用单因素方差分析,3个产地大西洋鲑鱼样本间Ca、Fe、Cu、Mn、As、Cr、Al含量存在极显著差异(P<0.01);Fe含量存在显著差异(P<0.05);Zn、Pb含量在3个产地样本间无显著差异(P>0.05)。采用最小显著差异法多重比较,显示挪威与澳大利亚样本之间Ca、Fe、Mn、As、Cr、Al含量差异显著(P<0.05),Cu、Zn、Pb含量无显著差异(P>0.05);挪威与智利样品之间Ca、Cu、As、Cr含量差异显著(P<0.05),Fe、Mn、Zn、Pb、Al含量无显著差异(P>0.05);澳大利亚与智利样品之间Ca、Fe、Cu、Mn、As、Al含量差异显著(P<0.05),Zn、Pb、Cr含量无显著差异(P>0.05)。

表3 不同区域大西洋鲑鱼中矿物元素含量(mg/kg)

注:用最小显著差异法进行多重比较。同行标有不同小写字母者表示组间差异显著(P<0.05);标有相同小写字母者表示组间差异不显著(P>0.05)。

2.3.2 聚类分析 对30批不同来源的进口大西洋鲑鱼进行聚类分析,其中1～10号为挪威进口样品,11～20号为澳大利亚进口样品,21～30号为智利进口样品。应用SPSS 22.0统计软件,采用Ward法,以欧式距离、平方欧氏距离、马氏距离、闵氏距离等常用Q型聚类进行对比,确定平方欧氏距离效果最好。以平方欧氏距离为度量准则,对30批样品所得数据进行聚类分析,结果见图1。由图1可知,30批大西洋鲑鱼可被分为三大类,1～10为第Ⅰ类,11～20为第Ⅱ类,21～30为第Ⅲ类,3个产地的进口大西洋鲑鱼样品实现了区分。

图1 不同区域大西洋鲑鱼聚类分析图

2.3.3 判别分析 为进一步了解各元素含量指标对大西洋鲑鱼产地的判别结果,对9种元素进行逐步判别分析,剔除不必要的干扰变量,共筛选出5个对区分大西洋鲑鱼产地方差贡献较大的元素,即Ca、Fe、As、Cr、Al。以这5个元素含量为自变量建立大西洋鲑鱼3个产地的Fisher判别模型,分别如下:

挪威:F1=-0.203CCa+2.649CFe+154.91CCr+22.185CAs+2.161CAl-57.061

澳大利亚:F2=0.986CCa+1.376CFe-70.524CCr-6.203CAs+1.125CAl-60.314

智利:F3=0.512CCa+5.643CFe-43.088CCr-8.455CAs+1.971CAl-50.392

利用判别模型对样品进行归类,将所有测量样本的5个元素含量分别代入上述判别模型中,以函数值最大的判别模型所对应的产地名作为判别结果。三地样本的判别准确率均为100%。采用交互验证法对建立的判别函数进行回判,三地样本的判别准确率分别为90%、100%、100%(表4)。

表4 不同区域大西洋鲑鱼元素含量的逐步判别分析

对三地大西洋鲑鱼元素含量进行典型判别分析,如图2,不同地区的大西洋鲑鱼样品位于不同的空间,说明元素指纹分析技术对大西洋鲑鱼产地的判别效果较好,可用于大西洋鲑鱼产地溯源。

图2 不同区域大西洋鲑鱼元素判别分析得分散点图

3 结论

实验建立了微波消解-ICP-MS测定大西洋鲑鱼中Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、As、Cr、Cd、Al等10种元素含量的分析方法,以72Ge、115In、45Sc、209Bi作为内标元素消除基体干扰,选用He碰撞模式的动能歧视(KED)技术消除多原子干扰,各元素检出限在0.005～0.058 mg/kg,加标回收率在93.5%～98.2%,相对标准偏差(RSD)在0.73%～3.15%。方法的回收率高,准确度和重现性较好,可以满足日常检测需求。

通过对来自挪威、澳大利亚、智利3个产地进口的大西洋鲑鱼中10种无机元素含量进行测试,采用最小显著差异法多重比较，挪威与澳大利亚样本之间Ca、Fe、Mn、As、Cr、Al含量差异显著(P<0.05),Cu、Zn、Pb含量无显著差异(P>0.05);挪威与智利样品之间Ca、Cu、As、Cr含量差异显著(P<0.05),Fe、Mn、Zn、Pb、Al含量无显著差异(P>0.05);澳大利亚与智利样品之间Ca、Fe、Cu、Mn、As、Al含量差异显著(P<0.05),Zn、Pb、Cr含量无显著差异(P>0.05)。实验通过聚类分析和判别分析,开展了大西洋鲑鱼产地溯源初步探索,成功对30批不同来源的样本进行了区分,并建立大西洋鲑鱼3个产地的Fisher判别模型。但由于样品数量和产地来源较少,致使实验结果仍存在局限性,今后需要扩大采样量和采样地区进行深入研究,进而筛选并建立更有效的溯源指标体系和判别模型,以更好地应用于大西洋鲑鱼产地溯源研究。