錢(qián)麗麗 宋雪健 宋春蕾 趙海燕 張愛(ài)武 曹冬梅 姚 笛 張東杰*

（1 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院 黑龍江大慶163319）2 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島266109）

大米品牌的真實(shí)性一直以來(lái)是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)，從初級(jí)產(chǎn)品到終端市場(chǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)信息的透明度越來(lái)越受到重視。為確保品牌大米的品質(zhì)和真實(shí)性，管理、保護(hù)地區(qū)品牌和特色產(chǎn)品尤為重要。礦物元素指紋分析技術(shù)被認(rèn)為是檢驗(yàn)食品品質(zhì)比較有效的方法，尤其在植源性食品的真實(shí)性上有所研究。農(nóng)產(chǎn)品中礦質(zhì)元素組成和含量與自然條件（當(dāng)?shù)氐乃甗1]、土壤[2]、氣體組成[3]）有直接關(guān)系，也會(huì)受到人為活動(dòng)的影響，這給采用礦質(zhì)元素指紋分析技術(shù)研究農(nóng)產(chǎn)品品牌的真實(shí)性增加了難度。目前，對(duì)地域[4]、品種[5]、年份[6]等自然因素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品礦物元素含量的影響已有研究報(bào)道。然而，以產(chǎn)品品牌真實(shí)性研究為目的，研究人為活動(dòng)中的加工精度對(duì)大米中多種礦物元素含量影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

X 射線光電子能譜（XPS）是表面分析技術(shù)中十分重要的研究方法之一[7-9]，廣泛應(yīng)用于金屬或合金材料表面成分及其化學(xué)結(jié)合狀態(tài)的研究[10-13]。使用XPS 技術(shù)分析有機(jī)物表面等方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文使用XPS 方法分析糙米剖面不同部位的礦質(zhì)元素含量，研究元素在水稻籽粒中的分布規(guī)律，為利用礦物元素指紋分析技術(shù)進(jìn)行大米品質(zhì)安全控制提供一定的理論數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

龍粳40，產(chǎn)自2013年黑龍江省綏化市慶安縣；晚粳稻粳米加工精度標(biāo)準(zhǔn)樣品，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采購(gòu)中心；生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) （大米GBW10010），地球物理地球化學(xué)勘查研究所。濃硝酸（65%）、濃硫酸、過(guò)氧化氫均為優(yōu)級(jí)純，北京化學(xué)試劑研究所；超純水＞18.2 MΩ·cm，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液5183-4688、多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液8500-6944、多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液8500-6948、內(nèi)標(biāo)（Bi、Ge、In），美國(guó)安捷倫公司；生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)-大米GBW10010 （GSB-1），地球物理地球化學(xué)勘查研究所；粳米加工精度標(biāo)準(zhǔn)樣品（二級(jí)）ZW001，北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司；無(wú)水乙醇溶液（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蘇丹-Ⅲ（分析純），北京欣經(jīng)科生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

礱谷機(jī) （FC2K），日本大竹制造所；碾米機(jī)（VP-32），日本山本公司；ICP-MS （7700），美國(guó)Agilent 公司；微波消解儀（Mara240/50），美國(guó)CEM公司；精確控溫電熱消解儀（DV4000），北京安南科技有限公司；超純水機(jī)（Milli-Q），美國(guó)Millipore公司；旋風(fēng)磨（LM-3100），北京波通瑞華科學(xué)儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 （DHG-9123A型），上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平（TB-4002），北京塞多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理方法 將采集回來(lái)稻谷樣品晾曬至水分14%以下，要求晾曬場(chǎng)地?zé)o揚(yáng)塵、整潔、透光。對(duì)稻穗進(jìn)行脫粒、礱谷、碾米。參照國(guó)標(biāo)GB/T 1354-86[14]和GB/T 5502-2008[15]碾磨和判定加工精度，分別收集糙米、預(yù)測(cè)的特等米、標(biāo)準(zhǔn)一等米、標(biāo)準(zhǔn)二等米、標(biāo)準(zhǔn)三等米共5 個(gè)等級(jí)。

1.3.2 水分測(cè)定 根據(jù)GB/T 5497-85[16]中的105 ℃恒重法。

1.3.3 樣品的消解和元素含量測(cè)定 準(zhǔn)確稱取0.25 g 的大米粉樣品，置于消化管中加入6 mL 濃硝酸（70%，BV3 級(jí)） 和2 mL 雙氧水 （30%，BV3級(jí)），放入MARS 微波消解儀中進(jìn)行消解。微波設(shè)置程序?yàn)? min 內(nèi)從0 W 增到1 600 W，溫度升到120 ℃，保持2 min；在5 min 內(nèi)從溫度120 ℃升到了160 ℃，保持5 min；5 min 內(nèi)再?gòu)?60 ℃升到180 ℃，并在此溫度下消解15 min；然后冷卻20 min，將微波消化管取出，于通風(fēng)櫥內(nèi)打開(kāi)塞子將微波消化管置于精確控溫電熱消解器中進(jìn)行趕酸。超純水 （>18.2 MΩ·cm） 洗滌樣品，定容至100.00 g，采用同樣方法進(jìn)行空白樣品和大米標(biāo)準(zhǔn)物 樣 品 消 解Na，Mg，Al，K，Ca，Sc，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，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，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Hf，Ir，Pt，Au，Tl，Pb，Th，U 共52 種元素，測(cè)定過(guò)程要求大米標(biāo)準(zhǔn)物中元素的回收率均大于90%。

ICP-MS 工作參數(shù)為射頻功率1 280 W，霧化室溫度2 ℃，冷卻水流量1.47 L/min，載氣流量1.0 L/min，補(bǔ)償氣體流量1.0 L/min，儀器測(cè)定Na，Mg，Al，K，Ca，Sc，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，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，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Hf，Ir，Pt，Au，Tl，Pb，Th，U 共52 種 元 素，測(cè)定過(guò)程要求大米標(biāo)準(zhǔn)物中元素的回收率均大于90%。

試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次，選用Ge、In 和Bi 3 種元素作為內(nèi)標(biāo)元素，保證儀器的穩(wěn)定性。當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素的RSD＞5%，重新測(cè)定樣品。

儀器元素的檢出限和定量限見(jiàn)表1。

表1 ICP-MS 儀器測(cè)定多種礦物元素的檢出限和定量限Table 1 Determination of limits and quantitation limits of various mineral elements by ICP-MS instrument

（續(xù)表1）

1.3.4 X 射線光電子能譜儀分析 稻米的基本結(jié)構(gòu)，由外而內(nèi)由稻殼、米糠層（種皮、米皮、珠心層、糊粉層、胚芽）、外胚乳層（亞糊粉層、胚乳）組成，糙米碾白過(guò)程是利用物理方法將部分或全部糙米籽粒表面皮層剝除的過(guò)程。不同等級(jí)的大米宜保留適量的皮層，按其加工精度分為特等米、標(biāo)準(zhǔn)一等米、標(biāo)準(zhǔn)二等米、標(biāo)準(zhǔn)三等米，共4 個(gè)等級(jí)。

將龍粳40 糙米穎果于中部橫斷為二，直接用導(dǎo)電銀膠粘在樣品臺(tái)上用K-Alpha X 射線光電子能譜儀針對(duì)龍粳40 糙米剖面的4 個(gè)部位：表面（米糠層）、近表面（外胚層）、近中部、中部進(jìn)行能譜分析（如圖1所示）。測(cè)試參數(shù)為：X 射線源采用Al Kα（1 486 171 eV），分析室真空度為1.0×10-8mbar，X 射線束為6 mA，掃描步長(zhǎng)為0.1 eV，掃描面積400 um（長(zhǎng)軸）。對(duì)樣品進(jìn)行分析，測(cè)定Na，Ca，K 和Fe 元素的相對(duì)含量（以原子百分比，即At.%表示）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用Origin8.0 分析并作圖。

圖1 X 射線光電子能譜儀測(cè)試的部位Fig.1 Part of rice for X-ray photoelectron spectrometer

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工精度大米中礦物元素含量差異分析

檢測(cè)龍粳40 的5 個(gè)等級(jí)大米樣品礦質(zhì)元素組成均為Na，Mg，Al，K，Ca，Sc，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，Se，Rb，Sr，Y，Mo，Ru，Rh，Pd，Ag，Sn，Sb，Te，Cs，Ba，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Hf，Ir，Pt，Au，Ti，Th 和U，其中23種元素的含量均高于儀器檢測(cè)限。對(duì)于Sc，Y，Ru，Rh，Pd，Sn，Sb，Te，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Hf，Ir，Au，Ti，Th 元素在龍粳40 的5 個(gè)等級(jí)的大米樣品中含量均低于檢測(cè)限，不予分析。

表2 大米不同加工精度礦質(zhì)元素含量 （μg/g）Table 2 The mineral element concentrations of rice samples from different processing level （μg/g）

龍粳40 的5 個(gè)等級(jí)大米樣品中礦物元素含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示，對(duì)不同加工精度的大米樣品中礦物元素含量進(jìn)行方差分析。K易受農(nóng)業(yè)施肥管理措施影響，不予研究。結(jié)果顯示，龍粳40 號(hào)大米樣品中Na，Mg，Ca，F(xiàn)e 5 種元素平均含量最高；Se，Ag，Cs，Pt，U 5 種元素平均含量最低，元素Na，Mg，Al，Ca，Cr，Mn，Co，Cu，Zn，Rb，Sr，Cs 和Ba 的含量在不同加工精度間存在極顯著差異（P<0.01），元素V，F(xiàn)e，Mo 不同加工精度間存在顯著差異（P<0.05）；元素Se，Ni，Ag，Lu，Pt和U 的含量在不同加工精度間差異不顯著。以上研究表明，加工精度對(duì)大米中某些礦質(zhì)元素指紋信息含量有影響。

2.2 水稻籽粒不同部位礦物元素含量及分布分析

圖2和圖3可以看出K，Ca，Na，F(xiàn)e 4 種礦質(zhì)元素的譜圖，這可能是由于這4 種元素在龍粳40糙米樣品中含量相對(duì)較高，而在圖4XPS 譜圖中只有Fe 元素，原因可能是其它元素含量已經(jīng)低于儀器的檢測(cè)線，而在米中心只能檢測(cè)到C、O、N 3種元素，原因是大米中胚乳部分主要成分是的碳水化合物。以上說(shuō)明K、Ca、Na 含量在稻米籽粒中的分布很不均勻，而Fe 相對(duì)分布較為均勻。因此糙米在經(jīng)過(guò)碾磨加工后會(huì)損失大量的K，Ca，Na等元素。

圖2 大米表面元素譜圖Fig.2 Element spectrum of rice surface

圖3 大米近表面元素譜圖Fig.3 Element spectrum of rice near surface

圖4 大米近中部元素譜圖Fig.4 Element spectrum of rice near middle

由表3可以看出，K，Ca，Na，F(xiàn)e 4 種礦質(zhì)元素在水稻籽粒不同部位的含量有差異，穎果表面和近表面4 種礦質(zhì)元素含量較高，近米中和米中心含量較低，說(shuō)明在穎果中不同礦質(zhì)元素主要富集在糙米籽粒的最外層 （主要是糠層和外胚乳層）。進(jìn)一步說(shuō)明加工過(guò)程對(duì)稻米中礦物元素含量有一定影響，在礦物元素指紋技術(shù)研究過(guò)程中加工精度是重要影響因素之一。

表3 大米不同部位元素含量（%）Table 3 Element content in different parts of rice （%）

3 討論

單因素方差分析結(jié)果顯示，不同加工等級(jí)大米中礦質(zhì)元素組成是不發(fā)生變化的，而礦質(zhì)元素含量特征是不同的，這可能是由于礦物元素在大米中的分布情況導(dǎo)致。XPS 研究結(jié)果表明，K，Ca，Na，F(xiàn)e 在水稻籽粒不同部位均有分布，且各個(gè)部位含量差異較大，其中穎果表面和近表面元素含量較高，近米中部和穎果中部含量較低；對(duì)穎果（糙米）來(lái)說(shuō)，在外層的糊粉層中K，Ca，Na，F(xiàn)e 含量要比其它部位高得多。糊粉層是由胚乳的表層細(xì)胞停止分裂后轉(zhuǎn)化而來(lái)，進(jìn)入穎果的灌漿物質(zhì)必須首先經(jīng)過(guò)糊粉層后才能進(jìn)入內(nèi)胚乳[17]。王忠等[18]認(rèn)為糊粉層的形成除本身的分化外，還可能與積累礦質(zhì)和脂類等灌漿“廢物”有關(guān)，在貯藏物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)胚乳時(shí)，非貯藏性物質(zhì)如Ca 等礦質(zhì)元素、脂肪酸和部分氨基酸等被滯留在糊粉層中。Ogawa 等[19]、Tanaka 等[20]用X 射線顯微分析法測(cè)定了穎果中礦質(zhì)元素的分布，結(jié)果表明糊粉層細(xì)胞中富集P，K，Ca，Mg 等礦質(zhì)元素，主要存在于植酸鈣鎂顆粒（糊粉粒）中[21]。這與本文研究結(jié)果相似，進(jìn)一步證明了加工對(duì)大米中礦質(zhì)元素含量有影響。受加工精度影響顯著的元素有Na，Mg，Al，Ca，Cr，Mn，Co，Cu，Zn，Rb，Sr，Cs 和Ba，在大米產(chǎn)品礦物元素指紋分析技術(shù)研究過(guò)程中，應(yīng)考慮這一重要影響因素。