錢麗麗 宋雪健 宋春蕾 趙海燕 張愛武 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)性一直以來是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)，從初級產(chǎn)品到終端市場的各個環(huán)節(jié)信息的透明度越來越受到重視。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，也會受到人為活動的影響，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，對地域[4]、品種[5]、年份[6]等自然因素對農(nóng)產(chǎn)品礦物元素含量的影響已有研究報道。然而，以產(chǎn)品品牌真實(shí)性研究為目的，研究人為活動中的加工精度對大米中多種礦物元素含量影響的研究還未見報道。

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報道。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，中國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采購中心；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、過氧化氫均為優(yōu)級純，北京化學(xué)試劑研究所；超純水＞18.2 MΩ·cm，中國農(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）ZW001，北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司；無水乙醇溶液（分析純），國藥集團(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Agilent 公司；微波消解儀（Mara240/50），美國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 將采集回來稻谷樣品晾曬至水分14%以下，要求晾曬場地?zé)o揚(yáng)塵、整潔、透光。對稻穗進(jìn)行脫粒、礱谷、碾米。參照國標(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 個等級。

1.3.2 水分測定 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） 和2 mL 雙氧水 （30%，BV3級），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)再從160 ℃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，測定過程要求大米標(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，測定過程要求大米標(biāo)準(zhǔn)物中元素的回收率均大于90%。

試驗(yàn)過程中每個樣品重復(fù)測定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%，重新測定樣品。

儀器元素的檢出限和定量限見表1。

表1 ICP-MS 儀器測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程。不同等級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 個等級。

將龍粳40 糙米穎果于中部橫斷為二，直接用導(dǎo)電銀膠粘在樣品臺上用K-Alpha X 射線光電子能譜儀針對龍粳40 糙米剖面的4 個部位：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，掃描步長為0.1 eV，掃描面積400 um（長軸）。對樣品進(jìn)行分析，測定Na，Ca，K 和Fe 元素的相對含量（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

檢測龍粳40 的5 個等級大米樣品礦質(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限。對于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 個等級的大米樣品中含量均低于檢測限，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 個等級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)低于儀器的檢測線，而在米中心只能檢測到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。以上說明K、Ca、Na 含量在稻米籽粒中的分布很不均勻，而Fe 相對分布較為均勻。因此糙米在經(jīng)過碾磨加工后會損失大量的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)一步說明加工過程對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；對穎果（糙米）來說，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，進(jìn)入穎果的灌漿物質(zhì)必須首先經(jīng)過糊粉層后才能進(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，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)研究過程中，應(yīng)考慮這一重要影響因素。