基于多种矿物元素的精河枸杞与中宁枸杞产地鉴别

张 瑞，苟春林，王 智，乔坤云，袁玉伟，聂 晶，琚艳君，赵多勇

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052，2.新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业农村部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/新疆农产品质量安全重点实验室，乌鲁木齐 830091；3.宁夏农产品质量标准与检测技术研究所，银川 750002；4.浙江省农业科学院农产品质量标准研究所，杭州 310021)

0 引 言

【研究意义】精河枸杞[1]和宁夏枸杞[2]都是中国著名的地理标志产品，正确识别并挖掘与原产地密切相关联的产品指纹信息，对于保护地理标志产品及区域品牌有重要意义。【前人研究进展】矿物元素指纹分析技术是目前一种用于食品产地真实性鉴别的有效判别技术[3-4]，Coetzee等[5]通过逐步判别分析，利用Ba、W、Al、Mn、Rb和Ti这6种元素可以完全区分南非3个地区采集的40个葡萄酒样品；Batista等[6]利用Pb、Tl、Pt、Ho和Er这5种元素就可鉴别从巴西的不同城市采集的57个蜂蜜样品；郭波莉等[7]筛选出Se、Sr、Fe、Ni和Zn这5种元素可以判别吉林、贵州、河北、宁夏4个产地的牛肉样品。此外，矿物元素指纹分析技术在羊肉[8-9]、咖啡[10-11]、茶叶[12-14]、橄榄油[15]、稻米[16-18]、山药[19]、芸豆[20]等农产品产地鉴别方面也得到了研究。在枸杞产地真实性鉴别研究方面，张森燊[21]利用主成分分析、Duncan’s多重比较分析等方法针对不同产地枸杞中的20种矿物元素进行研究，取得了良好的判别效果。【本研究切入点】不同产地枸杞矿物元素具有差异性是鉴别其产地真实性的关键问题，研究新疆精河枸杞与宁夏中宁枸杞的矿物元素指纹特征差异，进而有效鉴别精河枸杞和中宁枸杞。【拟解决的关键问题】以新疆精河枸杞和宁夏中宁枸杞为研究对象，系统分析并比较不同产地来源枸杞样品中的52种矿物元素含量及其差异，并结合多元统计分析探讨基于多元素分析技术判别不同产地枸杞的可行性，明确精河枸杞和中宁枸杞矿物元素指纹特征。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 枸杞试样

2019年6月24～30日在新疆精河县、宁夏中宁县采集鲜枸杞样品共102份，其中新疆精河县50份，宁夏中宁县52份。要求枸杞成熟度一致、果粒完整，无病虫害，对符合要求的枸杞样品进行匀浆，记录样品编号、日期，按序号装入样品盒中并及时放入冰箱冷冻储存，封口良好，避免污染和霉变。

1.1.2 仪器与试剂

所用的超纯水(>18.2 MΩ)由超纯水仪(Cascada III.I20，美国)制备，硝酸则采用优级纯浓硝酸(65%)通过酸纯化仪(DST-1000型，美国)蒸馏制备。表1

表1 主要仪器设备及生产厂家

1.2 方 法

1.2.1 样品消解

称取枸杞鲜样样品约0.200 g，置于聚四氟乙烯消解管中，加入10.0 mL硝酸，轻轻摇混均匀，密封消解管。按设定好的微波消解条件消解，消解完成后取出消解管，消解后得到的溶液，用去离子水冲洗，转移至50.0 mL容量瓶中定容，摇匀后迅速转到离心管，密封待测，同时处理空白样品。表2

表2 微波消解参数条件

1.2.2 元素含量测定

采用ICP-MS测定B、Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Y、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Th和U等52种元素及内标物质Ge、In和Bi标准品，均由安捷伦科技公司提供。用内标法保证元素定量的稳定性，Ge、In和Bi为所选择的内标元素，每测定10个样品，测定1次标准物质。表3

表3 ICP-MS工作条件

1.3 数据处理

用SPSS26.0软件对数据进行方差分析，SIMCA13.0软件对数据进行正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)。

2 结果与分析

2.1 精河枸杞与中宁枸杞的矿物元素含量差异

研究表明，Y、Sn、Ru、Rh、Te、Lu 6种元素均未检出。Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Ni、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Hf、Ir、Au、Tl、Pb、Th、U共26种元素含量在地域间有显著性差异，其中Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Ni、Cu、Zn、As、Rb、Mo、Cd、Er、Hf、Ir、Au、Tl、Pb、Th、U这些元素在组间有极显著性差异(P<0.01)，Se、Sr、Ag、Gd这4种元素在组间有显著性差异(P<0.05)；在有显著性差异元素中，精河枸杞Mg、Al、P、K、V、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Pb、U含量显著高于中宁枸杞，而中宁枸杞Na、Ca、Ni、Rb、Sr、Hf、Ir、Au、Tl、Th这些元素含量显著高于精河枸杞。表4

表4 枸杞的46种元素含量

2.2 精河枸杞与中宁枸杞矿物元素含量判别

研究表明，除94号中宁枸杞53.27%会误判为精河枸杞外，精河和中宁两产地来源的枸杞样品具有不同的聚集效应，使得枸杞样品分布区域显著不同，可通过枸杞中多种矿物元素含量分布情况，进行枸杞产地判别。表4，图1

图1 精河枸杞和中宁枸杞产地判别

VIP>1的变量为显著变量，确定OPLS-DA模型的元素有U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg和Cd 为主要显著变量。OPLS-DA前后优化元素变量参数，产地判别模型结果基本一致，14种矿物元素为主要贡献率成分，在后续枸杞样品产地判别分析中，仅需检测分析此14种矿物元素的含量信息，即可构建枸杞样品产地判别模型。图2，图3

图2 OPLS-DA模型的元素VIP值分布

图3 优化后OPLS-DA产地判别模型

与未优化模型识别率相同，判断这14种元素对两产地判别的准确性和可靠性，且两地的识别率都在90%以上，其中新疆精河县100%，宁夏中宁县98.08%，除宁夏中宁县94号会误判给新疆精河县外，总体误判率较低，识别效果较好。表5

表5 识别两产地枸杞评估

3 讨 论

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，在不同地域生长的生物体有其各自的矿物元素指纹特征[22]。研究采自2个产区枸杞样品中矿物元素含量均有其各自的特征，其中精河县样品Mg、Al、P、K、V、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Gd、Er、Pb、U含量显著高于中宁县；而中宁县样品的Na、Ca、Ni、Rb、Sr、Hf、Ir、Au、Tl、Th这些元素含量显著高于精河县。前人研究结果表明，在宁夏、甘肃以及新疆这3个地区，新疆Zn和Cu的含量最高，中宁枸杞Fe、Ca、Rb含量最高[21]，与研究结果相比，除Fe元素含量在两产地间没有显著性差异以外，其它元素与研究结果一致。王亚军等[23]研究比较分析了宁夏、甘肃、青海、内蒙古、新疆五省(区)的7个典型枸杞产地土壤和枸杞果实中Fe、Mn、Zn、Se 4种元素的含量，就精河县和中宁县两产地方差分析与研究结果进行对比，精河县Zn元素比中宁县高，与研究结果一致。

研究通过OPLS-DA优化后的这14种矿物元素(U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg、Cd)都来自于有显著性差异的26种矿物元素之中。筛选的特征矿物元素指纹与前人筛选出的矿物元素指纹部分特征存在一致性。比较了宁夏、新疆和甘肃三省的枸杞中20种矿物元素，研究表明，Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Cu、As、Mo、Gd、Tb是鉴别中宁枸杞有效且稳定的指标[21]，与研究中筛选出的Ca、Mg、Cu、Mo 4种元素密切吻合；开建荣等[24]研究宁夏固原、中卫、中宁和银川等不同产区枸杞筛选出Ni、Li、Al、As、Mo、P、Th、Zn、Pb、Hg、Ba作为4个地区枸杞的特征差异元素，与研究筛选出的Mo、Zn、Th 3种元素吻合。矿物元素的组成信息与食品地域来源直接相关[25]，精河枸杞和宁夏枸杞作为地理标志产品，枸杞的元素含量与其独特的生长环境和地质有关，并且枸杞吸收、积累K、Na的能力较强且含量丰富[26]。其次，在不同采摘期的枸杞中各元素含量也存在差异，这可能与植物在不同的生长时期对各种元素的选择性吸收和元素在植物体内富集有关[27]。在相同的生长环境和栽培条件下，不同品种枸杞果实中某个别元素差异极显著，而且通过品种选育，可获得元素含量高的优良品种[28]。在适宜浓度范围内，喷施浓度越高，枸杞有效成分及内源微量元素含量作用越强，达到一定程度时，含量会呈下降趋势[29]。枸杞的元素含量是产地、品种、施肥、栽培管理方式等综合因素的影响结果。研究精河枸杞和中宁枸杞的判别率均达到90%以上，这良好的判别效果，可能是由两者之间地理环境差异较大所致。

4 结 论

4.1新疆精河枸杞和宁夏中宁枸杞具有其各自的矿物元素指纹特征，2个产地有26种矿物元素存在显著差异，精河枸杞中的K、Mg等16种元素显著高于中宁枸杞，中宁枸杞中Na、Ca等10种元素显著高于精河枸杞。

4.2利用OPLS-DA建立新疆精河枸杞和宁夏中宁枸杞的判别模型，具有不同的聚集效应，可明显的区分其产地，通过OPLS-DA模型的VIP值优化枸杞样本元素数目，将模型变量从46种元素降至14种元素(U、Mo、K、Rb、Au、Ir、Hf、Cu、Tl、Zn、Ca、Th、Mg、Cd)。基于这14种元素两产地的正确判别率分别为100%和98.08%，两产地枸杞样品的矿物元素含量结合多元统计分析方法可以有效对枸杞样品产地进行判别。