微波消解-石墨炉原子吸收法测定
小麦中锗的生物吸收比

高向阳1,3,高遒竹2,王长青3,陈启航3

(1.郑州科技学院食品科学与工程学院,河南 郑州 450064;2.江南大学食品学院,江苏 无锡 214122;

3.河南农业大学食品科学技术学院,河南 郑州 450002)

 

要:研究小麦及其土壤中微量锗的相关性,为富锗小麦品种的选育和富锗功能性食品的开发提供科学依据,用微波程序消解样品,用石墨炉原子吸收法测定郑州、漯河、巩义、焦作和商丘地区种植的彩色小麦和普通小麦及其生长土壤中的锗含量。结果表明:郑州种植的小麦锗含量较高,其次是焦作地区。而小麦的生物吸收比与品种、土壤的特性密切相关,郑州、漯河地区土壤中锗的含量相对丰富,郑州种植的蓝麦锗的生物吸收比达85.2%,而漯河地区种植的灰麦生物吸收比最低为31.9%,蓝麦是较为理想的富锗食品原料,有一定的培育前景。

关键词:小麦;土壤;锗;生物吸收比;微波消解;石墨炉原子吸收法

 

Determination of Germanium Bioabsorptivity in Wheat by Graphite Furnace Atomic Absorption
Spectrometry after Microwave Digestion

 

GAO Xiang-yang1,3, GAO Qiu-zhu2, WANG Chang-qing3, CHEN Qi-hang3

(1. School of Food Science and Engineering, University for Science and Technology Zhengzhou, Zhengzhou 450064, China;

2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;

3. College of Food Science and Technology, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

 

Abstract: The germanium contents in colored and ordinary wheat grains and wheat-field soils from Zhengzhou, Luohe, Gongyi, Jiaozuo and Shangqiu of Henan province were determined by graphite furnace atomic absorption spectrometry after microwave digestion and related between wheat grains and soil. The results showed that germanium content in wheat from Zhengzhou was the highest followed by that from Jiaozuo. The bioabsorptivity of germanium in wheat was closely related to wheat varieties and soil characteristics. Wheat-cropped soils from Zhengzhou and Luohe contained relatively abundant levels of germanium. Blue wheat from Zhengzhou showed a bioabsorptivity of germanium as high as 85.2%. In contrast, the lowest level of 31.9% was observed for grey wheat from Luohe. These results indicate that blue wheat can be a relatively germanium-enriched food material and has promising prospects.

Key words: wheat; soil; germanium; biological absorption ratio; microwave digestion; graphite furnace atomic absorption spectrometry

中图分类号:O614.43.1;O657.39 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)08-0249-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201408050

锗是地壳和土壤中的稀有元素,也是动植物必需的痕量营养元素,对人体生理起着重要的作用[1]。锗是一种细胞生长促进剂[2],可刺激血小板生成细胞的形成,使血液中的红细胞及血红蛋白的数量增加[3]。有机锗化合物具有较明显的抑制肿瘤[4]、抗病毒、消炎以及抗衰老的作用[5],有治疗高血压、糖尿病、神经衰弱、中风、关节炎及抗癌等功效。锗的抗癌作用已引起人们对富锗食品开发的极大兴趣,近年来,逐步开发出富锗酵母[6-8]、、富锗牛乳[9]、富锗面条[10-11]、富锗面包[12]、富锗蛋糕[13]、富锗冰淇淋[14]、富锗豆芽、富锗大蒜等食品,大大满足了消费者的需求。小麦是我国广大消费者的主食原料,在国民生活和食品工业中占有十分重要的地位。研究小麦及其生长土壤中锗的相关性,掌握不同小麦品种、不同土壤对锗生物吸收比的影响规律,为富锗小麦新品种的培育和功能性面制食品的开发、为人们的健康长寿提供科学参考,有一定的现实意义和深远社会意义。

锗的测定方法主要有原子荧光光谱法[15]、原子发射光谱法[16]、原子吸收光谱法[17]、质谱法[18]、X射线光谱法[19]、分光光度法[20-21]、化学发光法[22]、催化极谱法[23]、气相色谱-表面发射火焰光度法[24]、离子色谱法[25]等。石墨炉原子吸收(graphite furnace atomic absorption spectrometry,EAAS)法与微波消解技术联用,可简化分析过程,大大提高工作效率。小麦中锗的生物吸收比至今未见文献报道,本实验用微波密闭压力消解技术处理样品,用EAAS法测定小麦及其生长土壤中的锗含量,进一步明确小麦中锗的生物吸收比与品种和生长土壤背景锗间的关系。为小麦尤其是彩色小麦的品种选育、种植、推广以及富锗功能性产品的开发提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

周麦16、偃展4110 郑州市种子公司;硬质紫麦、普通紫麦、蓝麦、灰麦 河南省南阳市农科所小麦研究室。作为各地区种植的小麦种子。小麦样品用去离子水洗3 次,置60 ℃烘箱中烘干表面水分;用粉碎机磨成粉状,储于塑料袋中,用时置于称量瓶中,60 ℃烘至恒质量,备用。

土壤样品的制备:用多点取样法,分别取小麦种植时、次年3月小麦返青时和收割时离地表15 cm之内的土壤样品各约1 kg,除去杂物,于通风处自然风干后,充分混匀,用四分法分取约0.75 kg,分多次于研钵中研至全部过80 目筛,混合后储于自封袋中,用前于称量瓶中60 ℃烘至恒质量,备用。

1.2 仪器与试剂

MDS-6型微波消解/萃取仪 上海新仪微波化学科技有限公司;FW80微型高速万能试样粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;FA2004A电子天平 上海精天电子仪器有限公司;TAB-990原子吸收分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;UDK142 Heating Digester 意大利VE公司;SYZ-B型石英亚沸高纯水蒸馏器 江苏宜兴市勤华石英玻璃仪器厂。

高氯酸、硝酸、双氧水、氢氟酸(均为优级纯)、硝酸镍、硝酸钡、硝酸钯(均为分析纯)、二氧化锗(高纯,质量分数≥99.999%) 国药集团化学试剂有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的消解

称取恒质量的样品0.400 0 g(称准至0.000 1 g)于溶样杯中,小麦粉加4 mL HNO3和2 mL H2O2,土壤加入4 mL HNO3和2 mL H2O2,放置15 min,装好后按表1程序进行微波消解后,冷至室温,将溶样杯置于150 ℃控温电热板上赶去酸后转入25 mL容量瓶中,用水洗涤溶样杯数次,洗液合并于容量瓶中,定容至刻度。同时做空白测定。

表 1 微波消解程序

Table 1 Microwave digestion program

步骤

压强/MPa

时间/min

功率/W

1

0.5

5

800

2

0.8

5

800

3

1.1

5

1 000

4

1.3

5

1 000

 

 

1.3.2 仪器参数的设定

石墨炉原子化按干燥、灰化、原子化和净化4 个阶段设计程序,参数见表2,λ=265.11 nm,I=5 mA,用氘灯扣背景。

表 2 石墨炉加热程序

Table 2 Graphite furnace heating program

序号

步骤

温度/℃

升温时间/s

保持时间/s

氩气流量/(mL/min)

1

干燥

110

5

10

300

2

灰化

300

5

15

300

3

原子化

1 200

10

15

300

4

预净化

2 300

0

3

0

5

净化

2 400

1

2

300

 

 

1.3.3 标准曲线的绘制

吸取1.00 μg/ mL锗标准使用液0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL,分别置于25 mL容量瓶中,加入5.00 mg/mL的Ba(NO3)2 2.00 mL,定容后移至50 mL离心管中,5 000 r/min离心5 min,移取上清液20.00 mL于25.00 mL容量瓶中,加入0.50 mL浓硝酸和1.00 mg/mL钯盐溶液2.00 mL、5 mg/mL镍溶液0.20 mL,定容后每毫升相当于0、32、64、96、128、160 ng的锗。混匀后各吸取10 μL,按表2程序进行测定。以吸光度为纵坐标与标准溶液的质量浓度绘制标准曲线。

1.3.4 样品测定

分别用移液枪取1.3.1节样品定溶液10 μL,在与标准溶液完全相同的条件下进行测定,根据测定的吸光度代入线性方程或通过标准曲线求得样品中锗的含量。

1.3.5 生物吸收比的计算

锗的生物吸收比反映了不同品种的小麦吸收、富集锗的能力,是筛选和评价小麦富锗水平的重要参数。生物吸收比值是干基小麦中锗的质量分数占其生长土壤干基中锗质量分数的百分比值,根据小麦及其生长土壤中锗的含量,即可计算出各地区小麦锗的生物吸收比。

2 结果与分析

2.1 线性回归方程及相关系数

按1.3.3节绘制标准曲线得线性回归方程为y=0.000 6x
0.004 5,相关系数r为0.999 1。

2.2 干扰离子

采用分别溶液法对Ag+、Cr3+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Co2+和Cl-、SO42-、ClO4-、PO33-、F-、NO3-进行干扰测定,结果发现:SO42-离子对测定结果有干扰。向试液中添加基体改进剂和硝酸钡,取上清液进行测定可以消除干扰。

2.3 基体改进剂的选择

为降低锗在灰化和原子化过程中的损失,分别向160 ng/mL含锗定容液中加入Ca(NO3)2、Ni(NO3)2、Mg(NO3)2、PdCl2、PdCl2+Mg(NO3)2、PdCl2 +Ni(NO3)2基体改进剂进行研究。结果表明,向25 mL定容液中加入2 mg硝酸钯和1 mg硝酸镍基体改进剂,在灰化温度为1 100~1 700 ℃时,测得的吸光度最大且基本稳定不变,测定的灵敏度较高,相对误差较小,测定结果理想。

2.4 检出限和定量限

对32.00 ng/mL 锗标准溶液进行11 次平行测定,按3 倍信噪比计算的最低检出质量浓度为2.93 ng/ mL,按10 倍信噪比计算的定量限为9.80 ng/mL。

2.5 回收率

采用标准溶液加入法分别对郑州地区的蓝麦和普通紫麦进行回收率测定,结果如表3所示,回收率在93.6%~106.6%之间。

表 3 回收率测定结果

Table 3 Recoveries of standard samples added to blue wheat and common wheat

品种

加标前/(μg/g)

加标量/(μg/g)

加标后/(μg/g)

回收率/%

蓝麦

0.997

1.000

1.964

96.6

1.177

1.000

2.195

101.7

1.082

1.000

2.016

93.6

 

 

 

 

 

普通紫麦

0.831

1.000

1.809

97.8

0.827

1.000

1.874

104.7

0.844

1.000

1.910

106.6

 

 

2.6 5 个地区种植小麦中锗含量的比较

对各地区种植的小麦中锗含量按测定方法进行测定,每个样品平行测定5 次,用格鲁布斯(Grubbs)法[26]对测定数据进行统计检验,无可疑值后取平均值报告,结果见表4。

表 4 各品种小麦粉的锗含量

Table 4 Germanium contents in wheat flours from different varieties

µg/g

 

品种

郑州

漯河

巩义

焦作

商丘

本底锗含量

硬质紫麦

0.655

0.506

0.359

0.524

0.447

0.414

普通紫麦

0.734

0.544

0.498

0.562

0.513

0.450

灰麦

0.478

0.390

0.349

0.440

0.368

0.356

蓝麦

1.085

0.599

0.594

0.753

0.556

0.476

偃展4110

0.660

0.470

0.360

0.484

0.436

0.402

周麦16

0.807

0.585

0.566

0.596

0.534

0.461

 

 

由表4可知,郑州地区的各品种小麦锗含量均较高,其次是焦作地区,最低为巩义地区,6 个品种小麦间的锗含量存在地区差异性。各地区种植的小麦中,蓝麦锗含量较高,灰麦锗含量较低,小麦中的锗含量存在品种间的差异性。但含量均没有超过锗的限量卫生标准。

2.7 各地区种植小麦中锗含量的差异性分析

通过单因素方差分析,对各品种小麦在各种植地区的锗含量进行分析,地区和品种间的比较结果如表5所示。

表 5 各地区小麦中锗含量的差异性

Table 5 Differences in germanium content among different wheat varieties and different regions

µg/g

种植

地区

品种

硬质紫麦

普通紫麦

灰麦

蓝麦

偃展4110

周麦16

郑州

0.655±0.029d

0.734±0.009 d

0.478±0.015b

1.085±0.090d

0.660± 0.008d

0.807± 0.021d

漯河

0.506±0.019c

0.544±0.021cd

0.390±0.043a

0.599±0.013b

0.470± 0.028c

0.585±0.016c

巩义

0.359±0.007a

0.544±0.021b

0.390±0.043a

0.599±0.013b

0.360±0.024a

0.585±0.016b

焦作

0.524±0.011c

0.562±0.024d

0.440±0.016b

0.753±0.027c

0.484±0.031c

0.596±0.023c

商丘

0.447±0.013b

0.513±0.009bc

0.368±0.026a

0.556±0.019b

0.436±0.028bc

0.534±0.018b

本底含量

0.414±0.038b

0.450±0.018a

0.356±0.011a

0.476±0.011a

0.402±0.022ab

0.461±0.014a

 

注:肩标相同字母表示差异不显著,不同字母代表差异显著(P<0.05)。下同。

 

由表5可知,各地区种植的小麦中锗含量与本底相比有所变化。其中硬质紫麦除焦作和漯河间、商丘和本底间无差别外,其他各地区和本底有显著性差别;普通紫麦除郑州、漯河、焦作之间无显著差异外,其他各地区和本底都有显著性差别;郑州、焦作灰麦和本底间有显著性差别;蓝麦除漯河和巩义、商丘间无显著性差别外,各地区和本底有显著性差别。偃展4110郑州、焦作、漯河地区和本底有显著性差异;周麦16除漯河和焦作之间、商丘和巩义之间无显著性差别外,其他各地区和本底都有显著性差别。

各地区蓝麦锗含量较高,灰麦较低。郑州地区除普通紫麦、硬质紫麦、偃展4110之间无显著差别外,其他品种间有显著差异;巩义地区,除灰麦与硬质紫麦、偃展4110、周麦16和普通紫麦间无显著差别外,其他品种间有显著性差异;漯河地区蓝麦和周麦16之间、硬质紫麦和偃展4110间无显著差别外,其他品种间有显著性差异;焦作地区除硬质紫麦和偃展4110之间、普通紫麦和周麦16之间无显著差别外,其他品种间有显著差异。商丘地区除普通紫麦、周麦16、蓝麦间,硬质紫麦和偃展4110无显著差别外,其他品种间有显著性差异。

2.8 各地区小麦生长土壤中的锗含量

按1.1节处理土壤样品和测定,每个样品平行测定5 次,检验无可疑值后取平均值报告,各地土壤中锗的测定结果如表6所示。其中,巩义地区土壤中锗含量较低,漯河与郑州地区较高且无显著差别,其他各地区土壤锗含量之间有显著差异。

表 6 各小麦种植地区土壤中的锗含量

Table 6 Germanium contents in wheat-field soils from different regions

种植地区

土壤中锗含量/(µg/g)

平均含量/(µg/g)

郑州

1.267

1.293

1.293

1.203

1.315

1.274±0.043 2d

漯河

1.261

1.243

1.231

1.194

1.185

1.223±0.032 4d

巩义

0.801

0.866

0.943

0.781

0.796

0.837±0.067 7a

焦作

1.082

1.134

1.149

1.059

1.082

1.101±0.038 3c

商丘

0.987

0.987

0.955

0.899

0.961

0.958±0.036 0b

 

 

2.9 小麦锗的生物吸收比

表 7 各地区种植小麦中锗的生物吸收比

Table 7 Biological absorption ratios of germanium in different wheat varieties grown in different areas

%

种植地区

品种

硬质紫麦

普通紫麦

灰麦

蓝麦

偃展4110

周麦16

郑州

51.4

57.6

37.5

85.2

51.8

63.3

漯河

41.4

44.5

31.9

49.0

38.4

47.8

巩义

42.9

65.0

46.6

71.5

43.0

69.9

焦作

47.6

51.0

40.0

68.4

44.0

54.1

商丘

46.7

53.6

38.4

58.0

45.5

55.8

 

 

从表7可知,蓝麦生物吸收比较大,郑州种植的蓝麦生物吸收比达85.2%;灰麦较小,漯河种植的灰麦生物吸收比仅为31.9%,说明生物吸收比与品种的生理特性密切相关。同一品种小麦在不同地区锗的吸收比不同,可能与土壤中锗的存在形态或含量有一定的关系。通常,有机态锗含量越高,植物越容易吸收利用。因此,小麦对土壤背景锗的选择性吸收、富集量大小与土壤性质和小麦品种特性密切相关。

3 结 论

将微波程序压力消解技术与石墨炉原子吸收分析法相结合,使两者的优点得到充分发挥,用于测定小麦的生物吸收比,具有取样量和所用试剂少,样品不污染环境,测定快速、灵敏等突出优点。研究结果表明,小麦的生物吸收比与土壤和小麦品种的特性有一定的相关性,郑州、漯河地区土壤中锗的含量相对丰富,各地区种植的小麦中,蓝麦锗含量较高,郑州种植的蓝麦中锗的生物吸收比达85.2%,是较为理想的富锗食品原料,有一定的培育前景。

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收稿日期:2014-03-26

基金项目:河南省科技攻关项目(JBO2)

作者简介:高向阳(1949—),男,教授,本科,主要从事食品分析、天然资源研究与开发。E-mail:ndgaoxy@163.com