趙爾敏,方 勇,王明洋,李 彭,胡秋輝,邱偉芬,*
ICP-MS直接進樣對大米酶解液中痕量硒的測定
趙爾敏1,方 勇1,王明洋2,李 彭1,胡秋輝1,邱偉芬1,*
(1.南京財經大學食品科學與工程學院,江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心,江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇 南京 210023;2.南京農業大學食品科技學院,江蘇 南京 210095)
建立電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)直接進樣測定大米酶解液中痕量硒的方法,并應用于體外模擬消化實驗,得出硒的生物利用率。將樣品酶解液離心過膜后ICP-MS直接進樣測定硒含量,在0~160 μg/L范圍內線性相關系數為0.999 5,方法檢出限為0.009 μg/L,加標回收率在95.3%~102.8%之間,精密度為0.87%~4.48%。ICP-MS直接進樣法操作簡單環保,可作為大米等糧食酶解液中痕量硒的批量分析方法,并有望用于糧食類補硒食物的營養價值體外初評研究。
直接進樣;電感耦合等離子體質譜;硒;體外模擬消化
硒是世界衛生組織于1973年確認的人體14 種必需的微量元素之一,具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤[1-2]、提高機體免疫力[3-4]以及拮抗重金屬毒性等功能[5]。硒攝入量過低或過高對人體均有副作用,成人長期攝入低于推薦量60 μg/d會提高患心肌炎、加速衰老的風險,嚴重可導致克山病、大骨節病[6];攝入過量硒則會導致脫發、指甲變形等中毒癥狀[7]。我國有72%以上的地區屬于低硒或缺硒地區[8],這些地區天然食物中硒含量低,因此建立準確分析食物中痕量硒的檢測方法對科學評價人群硒攝入量和指導補硒有重要意義。
檢測硒含量有電化學法[9]、分子熒光光譜法[10]、紫外分光光度法[11]、原子熒光光譜法[12],氫化物發生-原子吸收光譜法[13]、石墨爐原子吸收光譜法[14],目前檢測食品中硒含量主要是原子熒光法[15]。電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICPMS)法是以等離子體為離子源的質譜型元素分析方法,具有更高的靈敏度、更寬的線性范圍等優點[16]。常用的硒檢測樣品前處理方法有干法消化、濕法消化和微波消解法。干法消化主要用于有機樣品中硒含量測定,實驗加熱時間長、灰化裝置昂貴且易造成硒的損失[17-18]。濕法消化適用于環境和礦物樣品,存在污染大、消解時間長等缺點[19-20]。微波消解法是將固體樣品和強酸加入密閉容器中利用微波加熱消解樣品,但后續趕酸操作會對環境造成污染,并且消解管等價格昂貴,不易推廣。針對基質組成簡單的食物樣品,以及對食物硒進行營養初步評價實驗過程中,待檢樣品常是液體,且含量在痕量級別(μg/L),建立針對含硒液體樣品的檢測方法可以縮短實驗周期并減少對環境的污染。
本實驗分別以酶解法和傳統微波消解法分解大米樣品,并評價2 種樣品處理方式的優劣性,以建立直接進樣ICP-MS法分析液體糧食樣品中硒含量的方法;并將此法應用于體外模擬消化液中硒含量的測定,考察稻米中硒的利用效果,為初步評價大米中硒的生物有效性和安全性提供技術支持和理論依據。
1.1 材料與試劑
富硒大米(武運粳23) 南京遠望富硒有限公司;普通大米 市購;米粉由部分普通大米樣品用高速萬能粉碎機粉碎后過100 目篩制得;硒標液(1 000 μg/L)國家有色金屬及電子材料分析中心;元素混合標準溶液(10 mg/L Rh、Ag、Al、As、Be、Cd、Co、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn)、質譜調諧液(10 mg/L) 美國Agilent公司;硝酸(優級純) 德國Merck公司;鹽酸、氧化氫(均為優級純)、氯化鈉、碳酸氫鈉(均為分析純)國藥集團化學試劑有限公司;環己烷(分析純) 南京化學試劑有限公司;α-淀粉酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶 丹麥諾維信公司。
1.2 儀器與設備
7700x型ICP-MS儀 美國Agilent公司;Mars6高通量密閉微波消解儀 美國CEM公司;pHS-25型數顯pH計 上海精密科學儀器有限公司;CS501-SP數顯恒溫振蕩水浴鍋 重慶四達試驗儀器有限公司;Millipore-Q純水儀(18 MΩ·cm) 美國Millipore公司;KQ-500E型數控超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司;Allegra系列冷凍離心機 美國Beckman Coulter有限公司。
1.3 方法
1.3.1 樣品前處理
1.3.1.1 直接進樣法
稱量0.500 0 g米粉于錐形瓶中,加入50 mL超純水,調至酶的最適pH值,加入一定量的堿性蛋白酶,最適溫度條件下振蕩酶解一定時間。反應結束后,10 000×g離心15 min,收集上清液,過0.22 μm濾膜后定容待測。每組樣品同時做3 次平行。
方法的準確度選用富硒大米的酶解液考察,酶解每小時取一個樣,共取5 次樣,每個樣品做3 次平行。將所取樣品分別通過直接進樣法與微波消解法(將酶解液濃縮凍干、微波消解后換算得質量濃度)測定。
1.3.1.2 大米中無機硒提取
準確稱取大米粉1.000 0 g于50 mL離心管中,加入30 mL超純水,超聲提取15 min,然后40 ℃水浴振蕩10 min,冷卻至室溫后,10 000×g離心15 min,取上清液用環己烷反復萃取3 次,分出水相后用5%硝酸溶液定容于20 mL容量瓶中。過0.22 μm濾膜后,待測。
有機硒含量利用差值法[21]計算,即總硒含量減去無機硒含量。
1.3.1.3 體外模擬胃腸消化法
大米樣品的熟制:取大米或米粉0.500 0 g于100 mL錐形瓶中,加入3 mL超純水,封口膜封住杯口,將上述錐形瓶置于90 ℃水浴中加熱30 min。
體外消化過程:參考美國藥典配制模擬胃腸消化液[22],并稍做改進。胃消化液:將0.2 g氯化鈉加入60 mL超純水,用6 mol/L鹽酸調整pH值至1.5,稱取0.30 g豬胃蛋白酶,加入上述混合溶液,加超純水定容至100 mL。腸消化液:使用碳酸氫鈉調節上述胃液pH值至7.0,每100 mL加入0.175 g α-淀粉酶,0.5 g胰蛋白酶,充分溶解后,靜置、保存備用。
取上述熟制大米樣品加入50 mL胃消化液,將其置于37 ℃水浴中振蕩提取2 h,10 000×g離心10 min,取上清液1 mL得到胃消化液樣品。將上述溶液渦旋振蕩重新溶解,飽和碳酸氫鈉調節pH值至7.0,按照每100 mL胃液加入0.175 g α-淀粉酶,0.5 g胰蛋白酶配制成模擬腸液,充分攪拌使混合均勻,37 ℃水浴繼續振蕩提取4 h,10 000×g離心10 min。取上清液1 mL獲得體外模擬胃腸消化液,與上述胃消化液的上清液分別過0.22 μm濾膜,每組樣品同時做3 次平行。
1.3.1.4 微波消解法
稱量0.500 0 g米粉或其他酶解液凍干粉于聚四氟乙烯消解管中,加入7 mL 75%硝酸溶液浸泡1 h,再加入1 mL 30%過氧化氫溶液,旋緊管蓋后放進微波消解儀,設置消解條件[23]。消解結束后趕酸至消解液剩余1~2 cm高度時,冷卻樣品并轉移至10 mL容量瓶,用2%硝酸溶液定容待測,每組樣品同時做3 次平行。
1.3.2 硒標準溶液的配制
吸取一定量的硒標準溶液用2%硝酸溶液配制質量濃度為0、2、4、8、20、40、80、160 μg/L的硒元素標準溶液系列。
1.3.3 硒含量的測定
采用ICP-MS測定樣品含硒量,工作條件:使用1 μg/L質譜調諧液將ICP-MS調到最佳工作狀態,將試劑空白、硒標準溶液、樣品進行測定。儀器的射頻功率為1 550 W,霧化室溫度2 ℃,等離子氣體(Ar)流量15.0 L/min,采用高氦模式,采集模式為時間分辨分析,積分時間0.5 s,采集周期0.5 s,采集時間30 s。
1.3.4 硒的生物利用率計算
大米體外模擬消化液中硒的生物利用率按下式計算:

式中:C為消化液中硒質量濃度/(μg/L);V為反應溶液體積/L;Cs為大米總硒含量/(μg/g);M為大米稱樣量/g。
1.4 數據處理
通過獨立的3 次重復實驗得出數據平均值,采用SPSS 19.0軟件進行方差分析和Duncans多重比較進行顯著性分析。
2.1 質譜干擾的消除
ICP-MS法測定樣品前,本實驗選用7Li、89Y和205Tl作為矯正因子,矯正儀器使其分辨率在0.65~0.080 u之間,氧化物(156/140)不大于2%,雙電荷(70/140)不大于3.0%,消除雙電荷離子、同位素、氧化物、氫化物、多原子等物質干擾檢測結果,最優化儀器條件。氬和氯離子是測定硒最主要的干擾元素,本實驗采用高氦模式,并使用調諧液對儀器條件進行最優化,用儀器內設的標準干擾校正方程消除氯和氬離子的干擾。
內標選擇對檢測結果的影響非常重要,用于減弱基體效應[24]。有文獻[25]選用Ge作為內標元素進行外部校正,來檢測硒含量。本實驗中配制Ge、Cs、Rh內標溶液進行優化篩選,通過對信號漂移和穩定性的考察優化,選擇在大米樣品中不含有的103Rh元素作為內標。實驗中采用78Se進行測定,在優化實驗中發現80Se的基底噪音較大,77Se的儀器響應值明顯低于78Se。同時,為提高硒的儀器響應值,延長積分時間為0.99 s,適當延長樣品提升時間為50 s。
2.2 硒的標準曲線與相關系數結果

圖 1 硒質量濃度與信號強度的關系Fig. 1 Linear relationship between Se concentration and signal intensity
依據樣品中的硒含量范圍配制的硒元素標準溶液,如圖1所示,回歸方程為Y26.219x+6.648 6,相關系數0.999 5,硒元素信號強度與硒質量濃度線性關系良好。
2.3 方法的檢出限與準確度結果
本實驗以空白溶液連續測定(n12)所得的標準偏差3 倍為檢出限,得檢出限為0.009 μg/L。

表 1 2 種不同樣品前處理方法所測得酶解上清液中硒質量濃度Table 1 Selenium concentrations of enzymatic hydrolysates of rice by different pre-treatment methods μg/L
以國家標準物質遼寧大米GBW10043(GSB-21)硒含量來評價建立方法的準確度。標準大米的含硒標準值為(0.040±0.013) mg/kg,微波消解法實測值為(0.040 3±0.005 0)mg/kg,符合標準物質標準值與不確定度的要求[26]。直接進樣法適合液體樣品的分析,選用富硒大米的體外酶解液(酶解每小時取一個樣)來考察其準確度,同時與微波消解法(將酶解液濃縮凍干、微波消解后換算得質量濃度)的測定結果進行對比。如表1所示,2 種前處理方法所測結果相互吻合,誤差在參考值范圍內,表明直接進樣法的準確度良好。直接進樣ICPMS法測定硒含量,避免了趕酸、凍干等實驗操作,操作簡單環保快速,適用于液體樣品快速準確的檢測。
2.4 方法的加標回收率和精密度結果

表 2 精密度與回收率(n=9)Table 2 Recovery rates and precision (n=9)
如表2所示,根據食品分析質量控制要求,元素平均回收率在95%~105%之間,精密度(相對標準偏差)低于5%,則滿足檢測準確度要求。本實驗采用國家標準物質遼寧大米GBW10043(GSB-21)、普通大米和富硒大米的酶解液作為樣品,采用加標回收實驗驗證直接進樣-ICPMS法的精密度與準確度。由表2可知,樣品加標回收率為95.3%~102.8%,相對標準偏差在0.87%~4.48%之間,說明直接進樣法滿足檢測分析要求。
2.5 ICP-MS直接進樣法的應用
2.5.1 無機硒含量測定如表3所示,本實驗采用直接進樣法測定無機硒,相比常規方法[23]省去了將無機硒提取液濃縮凍干、強酸消解和趕酸等步驟。大米中85%以上的硒形態主要由有機硒構成,普通大米與富硒大米在有機硒所占百分比上沒有顯著差別,可見大米是一種優良的補硒食物載體,可將土壤、肥料中的亞硒酸鈉轉化為低毒性且利于人體吸收的有機硒[27]。

表 3 大米樣品中的硒含量Table 3 Selenium contents of different rice products
2.5.2 體外模擬消化液中硒含量分析

表 4 直接進樣法分析大米體外模擬消化液中硒含量Table 4 Se concentrations of enzymatic hydrolysates (in vitro digestion products) of rice by direct injection-ICP-MS
應用直接進樣ICP-MS法分析普通與富硒大米體外模擬胃消化和胃腸消化后酶解液中的痕量硒,如表4所示。富硒大米的體外模擬消化液中硒含量顯著高于市售普通大米。同種大米,胃消解液中硒含量顯著低于胃腸體外模擬消解液。
生物利用率在食品營養范疇中指在正常生理功能條件下,食物經過口腔、胃腸道后生物體所能吸收利用營養素的比例[28]。研究人體胃腸道中硒的生物利用率是非常必要的,然而人體實驗往往有顯著的個體差異且成本較高[29],而體外模擬消化技術可以提供初步營養評價信息。對于硒元素而言,體外模擬胃腸消化即可,因為食物在口腔咀嚼時間有限,且唾液中主要含淀粉酶,難以釋放結合在蛋白質中的硒。本研究通過經典的體外二步胃腸模擬消化法,并采用直接進樣ICP-MS法可直接測定體外模擬消化液中硒含量,在短時間對食物載體中硒的營養價值進行科學評價。

圖 2 不同大米樣品中硒的生物利用率Fig. 2 Bioaccessibility of selenium in different rice samples
通過表3、4數據計算可得大米硒的生物利用率,如圖2所示。經胃腸消化后,硒的生物利用率比胃消化有顯著性提高(P<0.01)。因為胃消解階段已經將部分大分子蛋白質水解[30],露出更多的可供胰蛋白酶水解的肽鍵。其次,硒主要存在于大米儲藏蛋白中[31],此種蛋白易溶于偏堿性的環境中,而胃蛋白酶的最佳pH值為1.5。最后,因為腸消化時會有α-淀粉酶同時將大分子淀粉顆粒降解,對釋放束縛在大分子淀粉[32]和蛋白中的硒有促進作用。
綜上,由于硒是一種多價態低溫易揮發元素[33],檢測硒含量的樣品前處理方法需慎重選擇,既要將樣品中的結合硒消解成含硒酸根或游離硒代氨基酸,如硒(Ⅳ)、硒(Ⅵ)、硒代甲硫氨酸、硒代半胱氨酸,又要避免前處理過程中的硒損失。本實驗中固體樣品前處理選用微波消解法,但微波消解法不能處理水分含量過高的樣品,需對樣品進行濃縮或凍干。對于基質組成簡單的食物樣品,比如功能飲料及實驗過程中的液體樣品檢測,采用直接進樣ICP-MS法可準確地檢測液體食品中硒含量,操作簡單、不使用強酸,環保高效。
建立ICP-MS直接進樣法對大米酶解液中痕量硒的檢測方法,在0~160 μg/L范圍內線性相關系數為0.999 5,方法檢出限為0.009 μg/L,樣品加標回收率在95.3%~102.8%之間,精密度為0.87%~4.48%。應用于體外模擬消化實驗數據表明,硒的生物利用率經胃腸消化處理后明顯高于胃消化(P<0.01),最高可達75.03%。富硒大米中有機硒含量高達85.61%,說明富硒大米是補充硒營養不足有效安全的硒補劑。本研究建立了食物樣品不經過微波消解直接酶解離心過膜后進樣,檢測速度快,操作簡單環保安全,大大減少硒在檢測過程中的損失和微波消解、趕酸等操作對環境的污染。ICP-MS直接進樣法可作為糧食類液體樣品痕量硒的批量分析檢測方法和補硒食物的初步營養評價研究。
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ZHAO Ermin1, FANG Yong1, WANG Mingyang2, LI Peng1, HU Qiuhui1, QIU Weifen1,*
(1. Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing of Jiangsu Province, Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210023, China; 2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)
A new method was developed for the determination of trace selenium (Se) in enzymatic hydrolysates of rice by direct injection-inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS), and applied to evaluate the Se bioaccessibility during in vitro gastrointestinal digestion. After filtration and centrifugation, the prepared samples were determined by direct injection-ICP-MS. The proposed method showed a good linearity in the concentration range of 0–160 μg/L with correlation coefficient above 0.999 5 and a limit of detection (LOD) of 0.009 μg/L. The recoveries of spiked samples were between 95.3% and 102.8%, and the relative standard deviations (RSDs) were in the range of 0.87% to 4.48%. Furthermore, the direct injection-ICP-MS method was successfully applied to determine trace Se in in vitro gastrointestinal digestion products of cooked rice with short analysis time and environmental friendliness. In conclusion, this method can be used in nutritional evaluation in vitro of Se-enriched grain materials.
direct injection; inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS); selenium; in vitro gastrointestinal digestion
10.7506/spkx1002-6630-201710028
S132
A
1002-6630(2017)10-0168-05
趙爾敏, 方勇, 王明洋, 等. ICP-MS直接進樣對大米酶解液中痕量硒的測定[J]. 食品科學, 2017, 38(10): 168-172.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710028. http://www.spkx.net.cn
ZHAO Ermin, FANG Yong, WANG Mingyang, et al. Determination of trace selenium in enzymatic hydrolysates of rice by direct injection-inductively coupled plasma-mass spectrometry[J]. Food Science, 2017, 38(10): 168-172. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710028.http://www.spkx.net.cn
2017-01-10
國家自然科學基金青年科學基金項目(31101247);江蘇省高校自然科學研究重大項目(13KJA550001);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)
趙爾敏(1987—),女,碩士研究生,研究方向為食品生物化學與營養。E-mail:erminzhao@hotmail.com
*通信作者:邱偉芬(1965—),女,教授,博士,研究方向為食品營養與安全。E-mail:weifenqiu711@163.com