微波消解-ICP-MS法測定香辛料中20種元素

◎ 吳志剛，曹 璨，崔 暢，趙 健，楊 韜，孫 晶

（遼寧省重要技術創新與研發基地建設工程中心，遼寧省分析科學研究院，遼寧 沈陽 110015）

常見的香辛料有香葉、干姜、肉蔻等，除了作為烹飪和食品加工不可或缺的原料以外，還具有一定的藥理作用[1]，香氣成分揮發油和微量元素的研究都有相關報道[2]。與營養元素對人體的補益作用相反，重金屬在人體蓄積極易危害人體健康[3]。國家標準只對香辛料類中Pb元素作了限量要求[4]，且其食品安全質量風險尚不明朗。

食品安全國家標準GB 5009.268—2016規定了電感耦合等離子體發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法的多元素測定方法[5]。但香辛料多元素測定的研究報道主要采用電感耦合等離子體發射光譜法[6-7]，只有在測定砷、汞等痕量元素靈敏度受限時才采用電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS），報道多以重金屬元素測定為主[8]。微波消解在樣品前處理方面有著污染少、操作簡便、快速的優點，在與常規消解方式的比較中占據優勢[9]。

本研究在課題組前期實驗的基礎[10]上，采用微波消解進行前處理，碰撞模式消除多元素分析的質譜干擾，ICP-MS法同時測定15種香辛料中20種微量元素，即 Na、Mg、Al、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Hg、Ba 和 Pb，并對各元素分布情況進行統計，開展香辛料質量安全風險評價。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

小茴香、干姜、肉桂、草果、高良姜、香葉、肉蔻、胡椒、辣椒、丁香、花椒、桂皮、八角、砂仁和孜然為抽檢樣品。

各元素標準溶液濃度為1 000 mg·L-1，國家標物中心；混合內標溶液（含Li6、Ge、In、Sc和Bi）100 mg·L-1、調諧液（含 Li、Y、Ce、Tl和 Co）10 μg·L-1和金溶液100 mg·L-1，美國安捷倫公司；硝酸、30%過氧化氫、氫氟酸（優級純），國藥試劑；實驗室用水為Milli-Q超純水。

1.2 儀器與設備

Agilent 7700x電感耦合等離子體質譜儀，配有PFA材質同心霧化器，美國安捷倫公司；Mars6微波消解儀，美國CEM公司；Milli-Q純水儀，美國默克公司。

1.3 方法

1.3.1 質譜條件

等離子氣流量：15 L·min-1；載氣流量：1.02 L·min-1；輔助氣流量：0.9 L·min-1；氦氣流量：4.2 mL·min-1；RF功率：1 550 W；采樣深度：8 mm；霧化室溫度：2 ℃；蠕動泵：0.1 r·s-1；氧化物比率：1.02%；雙電荷比率：0.98%；QP Bias電壓：-18 V；Oct Bias電壓：-13 V。

1.3.2 樣品前處理

樣品用水沖洗干凈，置潔凈室自然晾干后，用粉碎機粉成粉末，并過80目篩待測。稱量0.2 g樣品，加入硝酸5 mL，于80 ℃電熱趕酸器預熱10 min，加入30% H2O21 mL，滴加1～2滴氫氟酸。微波消解程序見表1。自動冷卻至37 ℃以下，于37 ℃水浴超聲20 min，清洗試劑為超純水，加入100 mg·L-1的金溶液10 μL，定容體積100 mL。同時做試劑空白。

表1 微波消解程序表

1.3.3 樣品測定

按待測元素的標準溶液濃度配制混合標準序列，在線加入內標溶液（0.5 mg·L-1），同時測樣品空白和待測溶液。

2 結果與分析

2.1 微波消解條件的選擇

采用硝酸體系可以很好地消解樣品且引入基體干擾小，過氧化氫能夠促進反應進行，選擇盡量低的酸體系降低基體效應。因此，選擇5 mL硝酸和1 mL 30%過氧化氫作為消解體系。因植物樣品中含少量硅酸鹽，導致部分元素回收率較低，需要加入氫氟酸才能夠消解完全；而過量氫氟酸對ICP-MS進樣系統有腐蝕性，因此選擇滴加1～2滴氫氟酸的消解方式。

微波消解方式處理植物樣品相對簡單，反應溫度不必太高。比對消解溫度為160 ℃、170 ℃和180 ℃，消解保持時間為10 min、15 min和20 min時溶液消解情況。實驗表明，180 ℃保持15 min時消解液完全澄清，回收率最好。

2.2 內標元素選擇

ICP-MS干擾主要為質譜干擾，其中最常見的是分子或多原子離子干擾，主要由等離子氣和N、O等高含量元素形成，使用He碰撞模式，利用碰撞池設置的勢能阱區排除低動能的干擾離子達到消除干擾的目的。香辛料中Na、K、Ca、Mg和P等元素含量較高，采用KED模式也可減少高濃度元素對檢測器壽命的影響。另外，同量異位素干擾如54Fe和54Cr、64Ni和64Zn相互干擾，選擇干擾小的分析質量數以消除干擾。選擇以45Sc作為23Na、25Mg、27Al，31P、41K、43Ca和51V的內標元素，以72Ge作為52Cr、55Mn、57Fe、60Ni、63Cu、66Zn、75As、78Se和88Sr的內標元素，以115In作為111Cd和137Ba的內標元素，以209Bi作為202Hg和208Pb的內標元素消除基體干擾。

2.3 方法學考察

Na、Mg、P、K和Ca元素一般含量較高，標準曲線范圍為 0.01～ 10.00 mg·L-1；Al、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr和Ba元素含量分布范圍較廣，標準曲線 范 圍 為 0.002 ～ 1.000 mg·L-1；V、Cr、Ni、As、Se、Cd和Pb元素含量較低，標準曲線范圍設為0.01～ 20.00 μg·L-1。Hg 極 易 蒸 發 為 Hg 蒸 氣 殘 留在霧室和管路中，在溶液中添加10 μg·L-1的Au溶液使其生成金汞齊而達到清洗目的，標準曲線范圍 設 為 0.002 ～ 2.000 μg·L-1。 檢 出 限 為 試 劑 空 白的3倍信噪比（S/N=3）。以小茴香6次平行實驗結果的相對標準偏差考察方法精密度，以標準物質大蔥GBW10049的測定值考察方法準確度。標準曲線相關系數為0.999 0～1.000 0，方法檢出限為0.021～23.000 μg·kg-1，精密度為0.59%～4.20%，準確度符合要求。

2.4 實際樣品的測定結果

用選定的方法測定小茴香、干姜、肉桂、草果、高良姜、香葉、肉蔻、胡椒、辣椒、丁香、花椒、桂皮、八角、砂仁和孜然15種香辛料共60批次，平行測定3次取平均值，測定結果見表2。

表2 不同批次香辛料樣品的測定結果平均值表（單位：mg·kg-1）

本方法應用于市場抽檢的不同產地60批次15種不同香辛料的檢測中，發現不同香辛料元素含量差異極大。這可能與不同香辛料吸收和富集微量元素能力不同有關；不同品種食用部位不同，吸收和富集能力也不同。香辛料不同部位中重金屬元素含量已有報道[7]，但營養元素的相關研究還比較少見，有待于進一步研究。

就不同批次同一類香辛料來看，同一元素的含量也有較大差異，如不同產地的辣椒中Na元素含量相差2個數量級以上，不同產地小茴香、辣椒、花椒、高良姜中的Cr、Mn和Fe含量相差20倍以上，辣椒、肉桂、桂皮中的Ca和Sr相差5倍以上，其他香辛料也有多個元素相差2倍以上。說明同一類香辛料中元素含量的差異主要來源于地理差異，不同產地的環境如土壤、水體、空氣等微量元素含量差異很大，而植物對元素的吸附富集主要來源于環境，這與吳振等[6]的研究結果一致。

香辛料中含有豐富的Na、K、Ca、Mg、P、Fe和Zn等微量元素，還含有微量Se和Sr元素，具有抗氧化、抗癌、防止心腦血管疾病等功效，有利于人體健康。但也需要注意部分香辛料中檢出較高含量的Al和Mn元素，如小茴香、砂仁、干姜、高良姜、丁香、桂皮和八角等，Al元素容易引起記憶力減退、骨質疏松等，Mn元素攝入過量會使人體消化系統、生殖系統出現不良反應，需要控制攝入量。

從重金屬元素含量來看，Cr元素含量在0.58～5.40 mg·kg-1，As元素含量在 0.053 ～ 0.260 mg·kg-1，Cd元 素 含 量 在 0.006～ 0.240 mg·kg-1，Hg元 素含 量 在 0.002～ 0.034 mg·kg-1，Pb元 素 含 量 在0.08～2.50 mg·kg-1。Pb元素總體低于國家食品安全標準限量要求（Pb≤3 mg·kg-1），尚無法就其他元素食品安全風險作出評價。有待于進一步擴大檢測范圍，并就日常膳食攝入量與毒理反應的相關性開展進一步研究。

3 結論

本研究建立了微波消解-ICP-MS同時測定香辛料中20種微量元素的分析方法，優化了微波消解條件和質譜儀器參數，采用碰撞模式消除質譜干擾，并對方法進行了方法學考證。結果表明，方法簡便、快速、準確，可用于全面考察香辛料中微量元素與人體健康、重金屬元素與食品安全的關系，為調味料質量控制和風險評估提供參考依據。