基于ICP-MS检测不同品种柑橘中矿物元素的差异

柑 橘 ” 在植物学分类上属于芸香科（Crustacean）、纤柑橘属（Citrus L.），柑橘亚属（Citrus）植物，是我国南方主要的水果之一，含有大量的 Vc、蛋白质、维生素、糖分和有机酸，还含有多种有益人体健康的矿物元素。水果对身体的有益作用，与其中所含的矿质元素密切相关，对水果矿质元素的研究成为目前的一个研究热点，对柑橘类水果矿质元素的研究，对其开发利用具有重要意义。

由于不同品种不同产地的柑橘品中矿物元素差异较大，故本试验采用微波消解ICP-MS 法测定了四个省份 9 个不同地区的柑橘样品中的 Na、K、Mg、Mn、Ca、Fe、Zn、Cu 8 种矿物元素，结合相关性分析、主成分分析和聚类分析对不同品种不同产地柑橘中矿物元素进行分析评价，探讨其相似性和差性，为柑橘样品产地真实性判别、种属真实性判别提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

春见蜜柑样品、不知火样品、茂谷柑样品。

1.2 仪器与试剂

KS-1053 破壁料理机，广州祈合；WX-8000 微波消解仪，上海屹尧；iCAP 电感耦合等离子体质谱仪，美国赛默飞；Milli-Q 超纯水系统，德国默克密理博。硝酸（高效液相色谱纯），天津市科密欧化学试剂有限公司；钠（Na） GSB04-1738-2004 、钾（K）GSB04-1733-2004、镁（Mg）GSB04-1735-2004、锰（Mn）GSB04-1736-2004、钙（Ca）GSB04-1720-2004、铁（Fe）GSB04-1726-2004、锌（Zn）GSB04-1761-2004、铜（Cu）GSB04-1725-2004。

1.3 标准溶液配制

用纯水将1000 μg/mL Zn、Cu、Mn 标准溶液，配制成100 μg/mL 的混合标准溶液，再逐级稀释配制成0、0.1、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、10.0、20.0、50.0 μg/L 的标准使用液备用。

用纯水将1000 μg/mL Na、K、Mg、Ca、Fe 标准溶液，配制成100 μg/mL 的混合标准溶液，再逐级稀释配制成 0、0.1、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、10.0、20.0、50.0 μg/mL 的标准使用液备用。

以上系列溶液均现用现配，以响应值为纵坐标，元素浓度为横坐标，分别绘制各元素的工作曲线。

1.4 实验方法

实验方法参照GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》略有修改。

1.4.1 微波消解条件

取可食部分匀浆均匀，称取1 g 样品，于微波消解内罐中，加入5 mL 硝酸，摇匀，放入微波消解仪中进行消解。消解完成后，消解罐转移到电热板上赶酸，赶酸至近干，加水溶解并转移至25 mL 容量瓶中，定容，摇匀。

1.4.2 仪器工作参数

ICP-MS 法仪器工作参数为：功率1550 W，冷却气流量14.0 L/min，雾化气流量1.0 L/min，辅助气流量0.8 L/min，样品提升量4.0 L/min，采样深度7.8 mm，重复采样3 次。

1.5 数据分析

采用SPSS 25.0 进行皮尔逊相关性分析。

采用SPSS 25.0 主成分分析法，将数据标准化处理后，做因子分析，得到主成分的方差贡献表，根据软件给出的成分矩阵表，求出不同变量相应的主成分特征向量，特征向量和标准化数据的乘积即为变量的主成分负荷量，则不同样品的主成分得分可得。采用 SPSS 25.0 聚类分析法，将数据标准化处理后，采用系统聚类分析中沃德法得聚类谱系图。

2 结果分析

2.1 矿物元素结果分析

2.1.1 同一品种柑橘元素含量的差异分析

茂谷柑、不知火、春见蜜柑三种柑橘不同产地来源样品 Na、K、Mg、Mn、Ca、Fe、Zn、Cu 8 种矿物元素检测结果见表 3，从表 3 中可以看出茂谷柑样品中仅 8 和 9 号样品之间的 Mg 含量，5 号和 6 号之间的 Mn 含量，4 号和 5 号之间的 Fe 含量差异显著，不知火品种间仅 11 号和 12 号 Na 含量，14 号和 15 号之间 Mg 含量，14 号和 15 号之间的 Ca 含量，13 号和14 号之间的钙含量差异显著，春见蜜柑样品间仅 25和 26 号之间的 K 含量，26 和 27 号之间的 Ca 含量和Zn 含量差异显著，其它同一产地来源的样品 8 种矿物元素均无显著性差异。这说明同一产地来源的同一品种，其矿物元素含量差异较小。从表 3 中可以看出同一品种不同产地样品之间至少有一组与其他两组差异显著，特别是 Mn、Zn，其含量两两之间差异显著。不同产地来源的样品，其元素含量有明显的地域差异，这与其他学者的研究结果相一致。说明产地环境是造成柑橘矿物元素含量差异的因素之一，这主要是由于柑橘中的矿质元素的积累与当地土壤肥力条件和施肥方式密切相关，同时受到气候条件及栽培管理等因素的影响。

2.1.2 不同品种柑橘间元素含量的差异分析

三种不同品种柑橘样品的 Na、K、Mg、Mn、Ca、Fe、Zn、Cu 8 种矿物元素检测结果见表 3，从表 3 中可以看出三个柑橘品种的 8 种元素含量均有差异，但三个柑橘品种样品中常量元素钾的含量最高，占 8 种元素总含量的 60%以上，其次为钙、镁，钠，钠为常量元素中含量最低的元素，这与李云仙等人的研究结果相一致。微量元素中 Mn 的含量最高，Fe 元素含量相对较低。三个不同品种柑橘其矿物元素的含量比例具有同一性。从表 3 中可以看出，除 Na 元素外，其它元素不同品种之间差异显著，且比同品种间不同产地来源样品的差异大，这说明品种自身特性是造成柑橘矿物元素含量差异的主要因素，这与刘哲的研究结果是一致的。

2.2 矿物元素间相关性分析

将不同产地来源的三个不同品种柑橘样品的 Na、K、Mg、Mn、Ca、Fe、Zn、Cu 8 种矿物元素检测结果做相关性分析，从表 4 中可以看出 Na、Ca、Fe、Zn 之间呈正相关；K、Mg、Mn、Cu 之间呈正相关，Na、Ca、Fe、Zn 与 K、Mg、Mn、Cu 呈负相关，这说明柑橘矿物元素之间可能存在某种程度的依赖系，其含量相互促进或拮抗。有研究结果表明，同品种柑橘果肉中，元素间存在显著的相关性，且交互关系主要以协同作用为主，部分表现为拮抗作用。

2.3 主成分分析

由表 4 的矿物元素间皮尔逊相关性分析结果可知，不同品种及产地来源的柑橘样品矿物元素之间存在一定的相关性。采用 SPSS 25.0 软件对柑橘元素含量数据进行主成分分析，从表 5 因子分析初始解对原有变量总体描述中可知，前 3 个主成分的累积方差贡献率达 88.98%，能够代替矿物元素来评价不同品种及不同产地来源柑橘的差异。由表 6 可知第一主成分代表的是元素 K、Mg、Zn、Cu，且表现出与 K、Mg、Cu 呈正相关，与 Zn 元素呈负相关，方差贡献率达49.94%；第二主成分代表的是 Mn 元素和 Fe 元素，且呈正相关，方差贡献率为 28.48%；第三主成分呈现出与 Ca 元素呈正相关，方差贡献率为 10.57%。总方差的 72.42%来源于第一和第二主成分，因此 K、Mg、Zn、Cu、Mn、Fe 是造成不同品种及产地来源柑橘差异的特征元素。

以各样品第一主成分和第二主成分得分做主成分分析散点图（如图 1），从主成分分析散点图中可以明显看出，三种不同品种的柑橘在第一和第二主成分上能够明显的区别开，这说明不同品种之间矿物元素差异明显；同一品种不同产地来源样品在主成分分析散点图中也能明显的分开，这说明矿物元素有一定的地域差异性，其中茂谷柑样品在散点图上扩散程度较大，说明茂谷柑样品的地域差异性比不知火和春见蜜柑更加明显。不知火和春见蜜柑在第一主成分上差异显著小于与茂谷柑的差异，这可能是不知火和春见蜜柑的亲缘关系相对较近导致的，这进一步说明了品种是导致矿物元素差异的主要因素。

2.4 聚类分析

对 27 个柑橘样品进行系统聚类分析，得到聚类树状图如图 2，从图 2 中可以看出，根据品种和产地来源不同，27 个柑橘样品被分成不同的类别。从聚类为5 处分割聚类图，将样品分为八类，除 19~21 号样品与 25~27 号样品分为一类外，其它不同产地来源的柑橘品种各自分为一类，这说明柑橘中的矿物元素具有明显的地域特征。19~21 号样品和 25~27 号样品均为春见蜜柑，说明这两地的春见蜜柑样品矿物元素差异较小。

从聚类为 10 处分割聚类图，将样品分为四类，第一类为不知火品种，第二类为春见蜜柑品种，第三类和第四类为茂谷柑样品，这于主成分分析图中样品的分类基本一致，不知火品种和春见蜜柑品种的聚类效果明显好于茂谷柑样品，这说明柑橘矿物元素含量具有明显的品种差异性。4~6 号茂谷柑样品与其它两地的茂谷柑样品被分成两组，说明不同产地来源的茂谷柑矿物元素差异较大，这于主成分分析图中不同产地来源茂谷柑样品扩散程度大是一致的。

3 结论

3.1 三个柑橘品种样品中常量元素钾的含量最高，均在 1000 mg/kg 以上，占 8 种元素总含量的 60%以上，其次为钙、镁，钠，钠为常量元素中含量最低的元素。不同产地来源的同一柑橘品种，其元素含量具有明显的地域特征，这种差异是由产地环境的差异造成的，土壤类型、成土母质、土壤 pH、气候以及降水等条件均能影响土壤中矿物元素的含量特征，不同地区的土壤中元素含量不同。柑橘对于矿物元素的吸收和富集因环境的差异而造成不同。但不同品种由于自身的吸收和富集差异性，造成不同品种间矿物元素分布的差异，且由品种造成的差异明显大于由产地环境引起的差异。三个不同品种柑橘其矿物元素的含量比例具有同一性，这种同一性可能是由柑橘种属的大类特性所决定的。

3.2 对采集到的不同品种和不同产地来源的柑橘矿物元素进行相关性分析、主成分分析和聚类分析，结果表明主成分分析前两个主成分方差贡献率为72.4%，K、Mg、Zn、Cu、Mn、Fe 是不同品种及产地来源柑橘的的特征差异元素，不同品种的柑橘样品通过主成分分析和聚类分析都能够明显的分开，不同产地来源的同品种样品类别也有显著的差异，不知火品种和春见蜜柑品种间矿物元素的区域性差异小于茂谷柑品种，不知火和春见蜜柑样品两个品种之间的品种差异性也明显小于与茂谷柑品种之间的差异，由于不知火和春见蜜柑的亲缘关系相对较近，进一步说明了品种是导致样品矿物元素差异的主要因素。研究内容为柑橘品种产地溯源、种属真实性判别提供了一定的科学依据。