不同麦类麸中无机元素的含量分析

张 萍 1,谢华林 2,*

(1.湖南工学院材料与化学工程学院,湖南 衡阳 421002;2.长江师范学院化学化工学院,重庆 408100)

摘 要:建立电感耦合等离子体发射光谱(inductively coupled plasma-optical emission spectrometry,ICP-OES)法测定荞麦麸皮、燕麦麸皮和黑麦麸皮中14 种无机元素的分析方法。选择硝酸+过氧化氢为消解溶剂,麦类麸皮经微波密闭消解后直接分析。通过优化ICP-OES工作条件以及选择待测元素分析波长,确保仪器处于最佳工作状态,研究共存元素的光谱干扰及其消除。方法的检出限在0.26~52.66 μg/L范围内;各元素的线性相关系数在0.999 5~0.999 9之间;通过测定国家标准物质小麦(GBW10011),表明方法具有良好的准确性和较高的精密度。

关键词:麦类麸皮;电感耦合等离子发射光谱;微波消解;光谱干扰;无机元素

麦类麸皮简称麦麸,又称麦皮,是麦类籽粒加工成面粉后的副产品,富含人体正常生理活动所需的膳食纤维、植物蛋白和VB。但由于麦麸含有大量蛋白酶易发霉酸败,麦麸主要作为饲料或酿酒原料。近年来,随着人们生活水平的提高,食物结构的精细化破坏了营养均衡,基于营养失衡代谢性疾病与膳食纤维的不足有着密切关系 [1]。因此,开发麦麸类食品来改善人类的膳食结构已成为食品加工领域的研究热点 [2-7]

目前,有关麦麸的研究主要集中在麦麸的理化特性 [8]、营养特性 [9]、有机组分的测定 [10]、活性成分的分离纯化以及抗氧化特性等方面 [11-13],而对于麦麸中无机元素的含量研究较少。麦类作物中多元素的快速检测主要采用电感耦合等离子体发射光谱(inductively coupled plasma-optical emission spectrometry,ICP-OES)法和电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)法 [14-17],其中ICP-MS法非常适合痕量和超痕量无机元素的分析,但仪器昂贵,耐盐性差,对实验环境条件和人员操作技能要求较高,不适合常量元素的分析。ICP-OES法利用分析物在高温等离子体中电离激化,发射出待测元素的特征谱线进行测定,具有选择性好、灵敏度高、基体效应小以及线性范围宽等特点 [18-24]。本实验通过微波消解测定荞麦麸皮、燕麦麸皮和黑麦麸皮中的14 种无机元素,并与对应的加工面粉中的元素含量进行对比分析,旨在为麦麸的深加工及综合利用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荞麦、燕麦、黑麦籽粒 市购。

K、Ca、Mg、P、Na、Al、B、Fe、Mn、Zn、Cu、Sr、Mo、Ba单元素标准溶液(1 000 μg/mL),HNO 3、H 2O 2(均为优级纯) 德国Merck公司。

1.2 仪器与设备

Optima2100DV型ICP-OES仪 美国PE公司;Milli-Q超纯水机 美国Millipore公司;MARS-X微波消解系统 美国CEM公司。

1.3 方法

1.3.1 样品预处理

将荞麦、燕麦、黑麦籽粒用超纯水洗涤3 次,沥干水分后在105 ℃烘箱中烘干至恒质量,分别加工为面粉和麦麸,放入干燥器中保存待用。

1.3.2 ICP-OES仪工作条件

射频(radio frequency,RF)功率1 150 W,等离子气流量15.0 L/min,雾化气流量0.80 L/min,辅助气流量0.2 L/min,观测高度15 mm。

1.3.3 分析波长的选择

采用单元素标准溶液分别配制0.00、5.00、10.00、20.00、50.00 mg/L的K、Ca、Mg、P元素和0.00、0.10、0.20、0.50、1.00 mg/L的Na、Al、B、Fe、Mn、Zn、Cu、Sr、Mo、Ba元素系列混合标准溶液,以体积分数2%硝酸溶液(以浓硝酸为基准)为空白得到校准曲线。利用ICP-OES仪自带的Winlab 32软件,对各待测元素的波长进行逐一检查,筛选得到各待测元素的最佳分析波长见表1。

表1 元素的分析波长
Table1 Analytical wavelengths for elements

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1.3.4 微波消解条件

准确称取约0.500 0 g样品于微波消解罐中,依次加入10 mL硝酸和2 mL H 2O 2静置过夜。将消解罐放入微波消解系统内按表2参数采用升温控制模式进行消解。消解完成后将消解液转移至烧杯中,于150 ℃在热电板上赶酸,待消解液澄清透明近干,冷却后用体积分数2%硝酸溶液定容至50 mL,同时做空白对照实验。

表2 微波消解程序
Table2 Microwave digestion program

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2 结果与分析

2.1 ICP-OES工作参数的优化

采用背景等效浓度(background equivalent concentration,BEC)为参考指标,分别考察ICP-OES仪的RF功率、雾化气流量、观测方式对仪器分析性能的影响。

2.1.1 RF功率的选择

元素K、Na属于易电离元素,在RF功率为1 000 W时即可获得强发射光谱和最佳灵敏度,元素Ca、Mg、Sr在RF功率为1 050 W左右时灵敏度高,而其他待测元素则需RF功率为1 200 W时才能获得较好的谱线发生强度和较高的灵敏度,考虑到RF功率过高产生的光谱干扰愈加严重,为确保所有待测元素均具有较好的灵敏度,本实验折中选择RF功率为1 150 W。

2.1.2 雾化气流量的选择

雾化气流量对各待测元素均存在一个最佳BEC,同时也会影响最佳观测高度。随着雾化气流量由小变大,样品进入ICP的量逐渐增多,各元素的谱线强度也逐渐增大,BEC也会相应降低,当BEC越过一个定值后,加大雾化气流量会使进入ICP中的粒子来不及激化便被冲出ICP,大量样品进入必然会降低ICP温度,各待测元素的谱线强度受损,BEC变大。本实验最终确定雾化气流量为0.80 L/min,确保各待测元素的BEC均处于较低水平以提高仪器的分析性能。

2.1.3 观测方式的选择

光源通道的长度直接影响谱线信号的强度。采用径向观测时,由于受狭缝高度的限制,与轴向观测方式相比较,光源通道短,检出限受损严重,并且径向观测时检测器不可避免地接受到环形区较强的辐射背景,导致BEC变大 [25]。因此,采用轴向观测方式时其检出限和稳定性均优于径向观测方式。但对于样品中高质量浓度元素的测定,由于轴向观测方式预采光时达到饱和,需采用径向观测方式才能获得准确的分析结果。本实验样品中待测元素K、Ca、Mg、P质量浓度较高,选用径向观测方式,样品中其余10 个元素的质量浓度较低,选用轴向观测方式。

2.2 光谱干扰及校正

本实验采用仪器自带软件对各待测元素的特征发射光谱进行筛选,确定了分析波长,避开了大量光谱干扰。但部分待测元素仍然存在光谱干扰,主要表现为:Ca对Al的谱线396.152 nm,Cu对K的谱线766.491 nm和P的谱线213.618 nm,Fe对B的谱线249.773 nm和Mo的谱线202.030 nm形成干扰,由于样品中共存干扰元素质量浓度较低,这些干扰非常轻微,实验采用同步背景校正功能得以完全消除。而其他元素测定过程中没有干扰,无需进行光谱校正。

2.3 标准工作曲线的绘制及检出限结果

将所配制的混合标准溶液,按1.3节方法进行测定,建立标准工作曲线。对消解空白溶液平行测定10 次,计算其3 倍标准偏差所对应的质量浓度得到检出限,结果见表3。各标准工作曲线的线性相关系数在0.999 5~0.999 9之间,线性关系好;各元素的检出限介于0.26~52.66 μg/L之间,完全能满足麦麸中14 种无机元素的测定要求。

表3 标准工作曲线和检出限
Table3 Calibration curve equations and detection limits of the analytes

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2.4 标准参考物质的分析

采用国家标准参考物质小麦(GBW10011)重复测定11 次来验证方法的准确性和精密度,结果见表4。标准参考物质中14 个元素的测定值与参考值基本一致,说明方法准确可靠,相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)不大于5.69%,精密度高。

表4 标准参考物质分析结果
Table4 Analytical results of standard reference materials

注:*.元素测定值单位为mg/g,表5同。

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2.5 实际样品分析

表5 样品分析结果
Table5 Analytical results of real samples

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采用本法对荞麦麸皮、燕麦麸皮和黑麦麸皮3 种实际样品重复测定11 次,同时对3 种面粉进行了对比分析,结果见表5。3 种麦类麸皮中富含大量无机元素,其中K和P元素含量最高,其次是Mg和Ca元素,与3 种面粉进行对比可以看出,麸皮中所测14 种无机元素含量明显均高于面粉中的含量,大多数无机元素在麸皮中的含量是面粉中的3~5 倍,差别最大的是燕麦中的元素K,麸皮中元素K含量是面粉的11.16 倍。

3 结 论

本研究应用微波消解的样品前处理技术,结合ICPOES法分析了3 种麦类麸皮中的14 种无机元素。通过国家标准参考物质的验证和实际样品的分析结果表明,方法准确可靠,适用于麦类麸皮和面粉中的14 种无机元素测定。本研究发现,麦类麸皮中所含有人类所必需无机元素的含量远高于面粉,研究结果有助于麦麸类功能性食品的研发,为麦麸的深加工及综合利用提供理论依据。

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Characterization of Inorganic Elements in Buckwheat, Oat and Rye Bran by Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry

ZHANG Ping 1, XIE Hualin 2,*
(1. School of Material and Chemistry Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China)

Abstract:An analytical method for determining K, Ca, Mg, P, Na, Al, B, Fe, Mn, Zn, Cu, Sr, Mo and Ba in buckwheat bran, oat bran and rye bran by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) after microwave digestion with HNO 3/H 2O 2mixture was established. The optimal conditions of ICP-OES were obtained by optimizing the operating parameters and selecting the suitable detection wavelengths for analytes. The elimination of spectral interferences from coexisting elements was also investigated in detail. The results showed that the detection limits (LODs) of the method were in the range of 0.26–52.66 μg/L. The correlation coeff i cients of the calibration curves were in the range of 0.999 5–0.999 9. As validated by the analysis of wheat reference material (GBW10011), the method had high precision and good accuracy. Wheat bran contained large amounts of benef i cial inorganic elements.

Key words:wheat bran; inductively coupled plasma-optical emission spectrometry; microwave digestion; spectral interferences; inorganic elements

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201704028

中图分类号:O657.63

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)04-0177-04

引文格式:

张萍, 谢华林. 不同麦类麸中无机元素的含量分析[J]. 食品科学, 2017, 38(4): 177-180. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201704028. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Ping, XIE Hualin. Characterization of inorganic elements in buckwheat, oat and rye bran by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry[J]. Food Science, 2017, 38(4): 177-180. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201704028. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-06-19

基金项目:国家自然科学基金面上项目(21271187);重庆市科委前沿与应用基础研究项目(cstc2015jcyjA10038);重庆市教委重点科研项目(KJ1601224);湖南省教育厅重点科研项目(14A035)

作者简介:张萍(1968—),女,副教授,硕士,主要从事质谱分析方法的研究。E-mail:zphy2008@163.com

*通信作者:谢华林(1970—),男,教授,博士,主要从事分析化学的研究。E-mail:hualinxie@vip.163.com