基于ICP-MS 和HS-GC-IMS 分析3 种黄精中的无机元素及VOCs 差异

曾珠亮，刘人源，李 权

（1.凯里学院大健康学院，贵州凯里 556011；2.宿迁学院，江苏宿迁 223800）

黄精（Polygonatumspp.）为百合科黄精属多年生草本植物，是多花黄精、鸡头黄精、滇黄精等干燥根茎的总称[1−2]，又称猫儿姜、山生姜、老虎姜、救荒草、野生姜等，主要分布于除南方热带以外的亚热带与温带地区。黄精是传统的滋补良药，可药食兼用，不仅营养价值高，还具有抗氧化、抗菌、抗衰老等功效[3−5]。黄精在药食同源方面有着非常重要的作用和应用前景[6]。一般姜形黄精主产于四川盆地[7]，云南的品种主要是大黄精和鸡头黄精[8]，贵州、湖南和广西等地则主产鸡头黄精和姜形黄精。《中国药典》收载黄精为多花黄精（Polygonatum cyrtonema）、滇黄精（Polygonatum kingianum）、鸡头黄精（Polygonatum sibiricum）等三种植物为其原生药，民间药用种类更为普遍，大约有几十个种被应用。植物体内的无机元素也就是矿质元素，是人和动物体不可缺少的成分。不同产地和品种黄精的无机元素，化学成分及风味等存在差异，可影响其药用和食用价值[9−10]。探究不同产地和品种黄精的无机元素和风味物质，对明确其化学成分、风味差异和品质优劣的鉴别具有重要的理论意义和实践价值。

常规的元素检测如原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法等存在操作复杂、效率低、精度低等缺点，电感耦合等离子体-质谱（Inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）具有灵敏度高、干扰小、线性范围宽等优点，可广泛应用于生态环境、食品安全、制药等领域[11−12]。国内外常用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）定性和定量果蔬及药材的香气成分[13−15]。但药材中挥发性气味物质浓度通常较低，大多数风味物质的含量在ppb 级[16]，目前的检测技术如GC、GC-MS 需要固相微萃取的方式进行样品前处理，热敏性样品在加热后风味成分会发生变化，仪器检测到的结果并非样品原有真实的气味[17]。而顶空-气相色谱-离子迁移谱（Headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS）是一种高灵敏度、简易快捷、低检测限的检测技术，融合了GC 突出的分离特点和IMS 快速响应、高灵敏度的优势，可用于对植物挥发性有机物（VOCs）的鉴定并绘制指纹图谱[18]。目前利用ICP-MS 和HS-GC-IMS 技术系统性研究不同品种黄精中的无机元素及VOCs 差异还鲜有报道。

本文选取材料采集自贵州种植栽培面积较大的4 个主产地（分别为凯里市、雷山县、镇远县、黄平县）且商业价值高并具有一定的代表性的3 种黄精（多花黄精、滇黄精和鸡头黄精）为研究对象，采用ICP-MS 和HS-GC-IMS 技术分析鉴定黄精的无机元素及VOCs 组成，可为黄精的质量安全、药理研究及鉴别工作提供判断依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

安捷伦多元素混合标准溶液 NCS185041，钢研纳克检测技术股份有限公司；硝酸 分析级，美国默克公司，由酸纯化器二次纯化；过氧化氢溶液 分析纯，天津市大茂化学试剂厂；凯里市下司镇的凯里市多花黄精（KL）、雷山县丹江镇的雷山县多花黄精（LS）、镇远县羊场镇的镇远县滇黄精（ZY）、黄平县旧州镇的黄平县鸡头黄精（HP）共4 个产地3 个品种 采集时间为2021 年10 月中下旬。黄精采挖后，去掉茎叶，洗净泥沙，除去须根，洗净去皮后置于40 ℃烘箱中烘干至含水率为6%。

iCAPQ 型电感耦合等离子体-质谱仪 美国Thermo Scientific 公司；SINEO MDS-6G 型微波消解仪 湖南谱发科技发展有限公司；FlavourSpec®风味分析仪 德国G.A.S.公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黄精中无机元素测定方法 取黄精用粉碎机进行粉碎，过60 目筛，收集粉碎过的样品，待测定。采用减重称量法称取黄精样品约0.2 g，放入微波消解内罐中，加入8 mL 硝酸，盖上盖子放置过夜。拧紧罐盖，放置于微波消解仪中消解，微波消解工作参数见表1 所示，最终超纯水洗至容量瓶中，定容至10 mL。同时做空白实验，平行实验3 次。

表1 微波消解工作参数Table 1 Working parameters for microwave digestion

按照GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》[19]，采用微波消解ICP-MS 法测定黄精中的硼、钠、镁、铝、钾、钙、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、锶、钼、镉、锡、锑、钡、铊、铅、锂共26 种元素含量。ICP-MS 条件：射频功率1100 W，等离子体氩气流速15 L/min，辅助气流速1.0 L/min，雾化器气体流速0.855 L/min，采样锥孔径1.0 mm，截取锥孔径0.8 mm，样品提升速度0.6 mL/min，进样冲洗时间30 s，蠕动泵转速20 r/min，扫描次数3 次，驻留时间50 ms，采集时间3600 ms，模式为碰撞反应模式。样品中待测元素含量的计算公式：

式中：X 为试样中待测元素含量（mg/kg）；ρ为试样中所测元素质量浓度（mg/L）；ρ0为空白试样所测元素质量浓度（mg/L）；V（mL）为消化液定容体积（mL）；f 为试样稀释倍数（本实验稀释倍数为1 倍）；m 为称取质量（g）。

1.2.2 黄精中VOCs 测定方法 将待测黄精切成宽1 mm 的薄片，称重2 g 样品，分别装入4 个20 mL 萃取瓶中，然后快速密封，上部留有约2 cm 左右的空间，封口。经顶空进样500 μL，用GC-IMS 进行测试，每种样品做3 次生物学重复。气相色谱（GC）条件：柱温80 ℃，运行时间59 min，采用正离子模式检测，高纯N2做漂移气，IMS 温度45 ℃，孵化温度90 ℃，孵化时间15 min，进样体积500 μL，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min，载气程序为00:00，2 mL/min；02:00，2 mL/min；10:00，10 mL/min；20:00，100 mL/min；59:00，150 mL/min[20]。

1.3 数据处理

用Excel 进行数据处理和制表。使用GC-IMS仪器配套的分析软件VOCal，用于查看分析谱图和数据的定性定量，应用软件内置的美国国家标准与技术研究所数据库（NIST 数据库）和IMS 数据库可对物质进行定性分析并按照每种物质峰所占总峰面积的百分比进行相对定量。Reporter 插件直接对比样品之间的谱图差异（三维谱图、二维俯视图和差异谱图）；Dynamic PCA 插件对样品进行动态主成分分析，用于将样品聚类分析和相似度分析，以及快速确定未知样品挥发物质的种类。运用Gallery Plot 插件对比不同样品之间的VOCs 指纹图谱差异。使用SPSS 21.0 进行单因素方差分析和邓肯多重检验评估各参数之间的差异，P<0.05 表示显著性差异，所有试验数据均为三次生物学重复的均值和标准差。

2 结果与分析

2.1 三种黄精中26 种无机元素含量及其主成分分析

2.1.1 无机元素含量差异分析 黄精中不同无机元素含量测定结果见表2。Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、As、Se、Sr、Mo、Cd、Ba、Pb 在KL、LS、ZY、HP 这4 个产地3 个品种中差异显著（P<0.05）。从常量元素看，K 的含量最高，各品种间差异大，在KL、LS、ZY、HP 中分别为5264.7850、4522.3190、7476.0310 和12358.2600 mg/kg，其次含量较高的元素为Ca、Mg、Fe、Al、Ba、Mn、Zn 和Na，这9 种元素含量在KL、LS、ZY、HP 中分别占26 种所测元素总含量的99.73%、99.74%、99.80%、99.85%。B、Ti、Ni、Cu 和Sr（KL、LS、ZY、HP）共5 种元素在样品中的含量达到1～13 mg/kg，含量在0.1～1.0 mg/kg 之间的元素有V、Cr、Mo、Cd、Co（ZY）、Pb 和Li，含量低于0.1 mg/kg 的元素有Co（KL、LS、HP）、As（KL、LS、HP）、Se（LS、ZY、HP）、Sn 和Sb，只有Tl 元素没有被检出。参考2020年版《中国药典》对黄精等药材通过ICP-MS 测定的重金属及有害元素限量值Pb≤5 mg/kg、Cd≤1 mg/kg、As≤2 mg/kg 和Cu≤20 mg/kg 的规定，本试验测定的4 个产地3 种黄精样品中的Pb、Cd、As 和Cu 含量均达标[21]。对于相同品种的KL 和LS，在Ti、Cu 两种元素差异不显著，其他24 种元素相对含量的差距较小。本研究采用的方法相比传统的原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法等要更加快速准确、灵敏度高、便捷高效，与楼柯浪等[22]对17 个产地多花黄精中11 种元素含量的主成分及相关性分析的结果相比，虽本研究选择的黄精的产地不如其覆盖的范围广，但测定黄精品种更多，除了多花黄精还比较了滇黄精与鸡头黄精，并且检测的无机元素种类更多，研究结果排除了黄精中可能存在的重金属等有害元素富集超标的问题。同时发现不同品种黄精的无机元素含量也有一定差异，多花黄精Ca、Zn，滇黄精的Na、Fe，鸡头黄精的Mg、K 等有益元素方面含量更高，其可能原因是与不同品种的生长基质及其对各元素吸附能力、自身代谢的差异有关。

表2 三种黄精的无机元素含量测定结果Table 2 Results of content determination of various inorganic elements

2.1.2 无机元素主成分分析 本研究采用SPSS 26.0 软件对3 种黄精中的25 种含量不同的无机元素（排除未检出的Tl）进行主成分分析，结果如表3，以特征值大于1 为提取标准，得到3 个主成分，累计方差贡献率为100.000%，表明前3 个主成分可以代表元素原始数据信息，故选取前3 个成分进行分析。由表3 可知，在第1 主成分中起正向作用且具有较大载荷的元素为Na、Al、V、Fe、Co、As、Cd、Sb、Pb、Li，对第1 主成分起负向作用且载荷较大的元素为B、Mg、Cr、Ni、Mo，说明第1 主成分大时，Na、Al、V、Fe、Co、As、Cd、Sb、Pb、Li 含量升高，而B、Mg、Cr、Ni、Mo 含量降低，其他元素含量基本不变；第2 主成分具有较高正向载荷的元素为Ca、Ti、Mn、Zn、Sr、Sn、Ba，具有绝对值较高负向载荷的元素为K 和Cu，说明第2 主成分大时，Ca、Ti、Mn、Zn、Sr、Sn、Ba 含量也变大，而K 和Cu 含量降低，其他元素含量变化较小；第3 主成分具有较高正向载荷的元素为Se，主要反映黄精中Se 信息，其他元素影响较小。

表3 成分载荷矩阵、特征值、方差贡献率和累积方差贡献率Table 3 Component load matrix,eigenvalue,variance contribution rate and cumulative variance contribution rate in Polygonatum spp.

参考董喆等[23]对25 种元素提取的3 个代表性的主成分进行数学评价模型构建，最后根据获得综合评价函数计算出各产地品种黄精无机元素的综合评价分值，分值越高，质量越好。各主成分得分及综合得分见表4。由表4 可知，凯里市多花黄精综合得分最高、质量最好，其次为镇远县滇黄精和雷山县多花黄精，黄平县鸡头黄精综合得分最低、质量最差。

表4 各主成分得分及综合得分Table 4 Score of each principal component and comprehensive score

2.2 不同产地3 种黄精的VOCs 差异及其主成分分析

2.2.1 3 个品种黄精的GC-IMS 谱图 利用多元数据分析工具LAV 软件中的Reporter 插件程序对样品作分析，生成4 个产地3 种黄精样品的VOCs 三维对比图。将VOCs 以指纹图谱的形式展示出来，通过三维图让黄精的风味分析实现了可视化并展现出各样品之间的差异[24]。图1 为不同产地黄精挥发性风味化合物的保留时间、漂移时间和信号强度的三维地形图，其显示了所有化合物的原始信息，从中可确定样品中每种挥发性风味化合物的信号峰值强度和峰值位置，HS-GC-IMS 可很好地分离黄精挥发性成分。

图1 黄精的气相色谱离子迁移谱三维地形图Fig.1 3D Spectra of Polygonatum spp.by GC-IMS

图2 为3 种黄精的二维GC-IMS 谱图，因其更加直观、易于阅读，可准确提供关于VOCs 信息特征和强度的全面图像。图2 横坐标左侧处红色竖线为反应离子峰（RIP 峰，经归一化处理），根据色点的有无，颜色的深浅和面积大小能直观地看出3 种样品的组分和浓度差异。由图2 可知，4 个产地3 种黄精样品的VOCs 可以通过GC-IMS 技术得到较好的分离和检测，3 种样品的VOCs 种类差异不大，但相对含量却有较大差异。

图2 黄精的气相色谱离子迁移谱二维图Fig.2 2D Spectra of Polygonatum spp.by GC-IMS

为了更加明显地观察差异，采用4 个产地3 种黄精的气相色谱离子迁移谱差异对比模式[25]。选取KL样品谱图为参照作为参比，其他3 种样品的谱图扣减参比。当二者VOCs 一致，则扣减后的背景为白色，红色表明该物质的浓度高于参比，蓝色代表该物质的浓度低于参比。如图3 所示，差异图中更容易看出不同品种黄精VOCs 的差异，其中KL 和LS 较为相似。

图3 三种黄精的气相色谱离子迁移谱差异图Fig.3 Difference diagram of three kinds of Polygonatum spp.by GC-IMS

2.2.2 3 种黄精成分的鉴定及VOCs 气味指纹图谱对比 从4 个产地3 种样品中共检测出159 种待分析峰，鉴定出其中的101 种VOCs（含单体、二聚体与三聚体）（见表5 所示）。黄精的化学成分是其药效的物质基础。黄精成熟后会产生各种挥发性有机物[26]，其中醛类物质含量最高，醇类物质含量次之，酸类、酯类、酮类等物质也占有一定比例。4 个产地3种黄精中的主要物质均为己醛，并可能与黄精的清香有关。在KL、LS、ZY、HP 中的占比分别为21.55%、17.54%、19.50%和20.02%，占比差异可能与其生长的外界环境条件和品种有关。

表5 黄精中挥发性有机物定性结果Table 5 Qualitative results of volatile organic compounds of Polygonatum spp.

通过Gallery Plot 插件指纹图谱对比，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异[27−28]。从图4 可直观地看出3 种黄精完整的VOCs 信息以及各样品之间的明显差异，每种样品都含有各自含量较高的成分。除了己醛外，丙醛、丁烷-2-酮、丙烯醛、2-甲基丁醛、乙醇、戊醛、庚醛、（E）-2-己烯醛、2-戊基呋喃、1-戊醇、己酸乙酯、壬醛和乙酸等物质在三种黄精中的相对含量均较高，其中（E）-2-己烯醛具有新鲜绿叶和水果香味；己酸乙酯具有曲香型和菠萝香型的香气；3-甲基-2-丁醇仅在KL 中被发现；1,4-二恶烷和4-甲基噻唑仅在LS 中被发现；2-甲基-2-戊烯醛和异戊醇仅在ZY 中被发现；α-蒎烯D、α-蒎烯T 和β-蒎烯D 仅在HP 中被发现。黄精中所含的风味成分是次生代谢产物，在其生长发育过程中起着至关重要的作用，这些物质含量的不同是导致3 种黄精风味差异的主要原因。

图4 黄精的VOCs 指纹图Fig.4 The fingerprint of volatile organic compounds of Polygonatum spp.

陈龙胜等[29]采用GC-MS 从9 个不同产地的多花黄精中鉴定出67 个化合物，发现不同产地多花黄精挥发性物质组成差异性较大。本研究采用的GCIMS 检测出的VOCs 不仅更多，而且方法快速准确、灵敏度高、便捷高效，可为不同品种黄精的风味识别、质量评价和品质控制提供重要的理论依据和数据支持。本研究结果证实了产地与外界环境等能够影响不同品种黄精VOCs 物质的生成和积累，不仅为不同药材的风味识别、质量评价和品质控制提供了重要的理论依据和数据支持，还为不同品种黄精质量的大数据甄别提供了一种新的思路，对感官品控的标准化发展具有积极的推动作用。

2.2.3 VOCs 的主成分分析 利用PCA 分析法降维处理数据，可以直观地比较样品间的相似度以及VOCs 差异。由图5 可知，各样品均能较好地分离，没有出现重叠，证明GC-IMS 可有效区分不同品种黄精样品中的VOCs。PC1，PC2 和PC3 的贡献解释了总变异的90%，KL 与LS 在图中距离更近，说明KL 的VOCs 和LS 更为接近，并且不同品种样品可以明显区分开来，证明不同品种黄精的VOCs 有明显的区别。相对而言，而ZY 的VOCs 与LS 的差别较大。

图5 黄精样品的三维主成分分析（PCA）图Fig.5 Three-dimensional principal component analysis（PCA）graphs of Polygonatum spp.

3 结论

本研究建立电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）法测定了4 个不同产地多花黄精、滇黄精、鸡头黄精药材中26 种无机元素的含量，并对测定结果进行了分析。研究发现K、Ca、Mg、Fe、Al、Ba、Mn、Zn、Na 和Sr（KL）含量超过10 mg/kg，测定的4 个产地3 种黄精样品中Pb、Cd、As 和Cu 含量均符合2020年版《中国药典》对黄精中重金属及有害元素限量值的规定。无机元素主成分分析筛选出了影响黄精质量的3 个主成分因子，通过综合得分评估了黄精整体质量的差异,样品中得分最高、质量最好的是凯里市多花黄精，得分比较低的是黄平县鸡头黄精。通过主成分分析、气味指纹图谱分析可以将不同品种黄精的无机元素和VOCs 做明显区分。4 个产地3 种黄精中共鉴定出101 种有机化合物（含单体、二聚体与三聚体），主要是醛类、醇类、酸类、酯类和酮类等物质。3 种黄精的VOCs 组成存在一定差异，己醛在4 个产地3 种黄精中的占比最大。丙醛、丁烷-2-酮、丙烯醛、2-甲基丁醛、乙醇、戊醛、庚醛、（E）-2-己烯醛、2-戊基呋喃、1-戊醇、己酸乙酯、壬醛和乙酸等物质在三种黄精中的相对含量均较高。3-甲基-2-丁醇仅在KL 中被发现；1,4-二恶烷和4-甲基噻唑仅在LS 中被发现；2-甲基-2-戊烯醛和异戊醇仅在ZY中有被发现；α-蒎烯D、α-蒎烯 T 和β-蒎烯 D 仅在 HP中有被发现。KL 和LS 的物质种类和浓度差异最小，而ZY 与LS 的差异最大。产地和品种对黄精中无机元素含量和风味物质种类会造成一定差异，具体原因可能是不同环境气候条件和不同品种的黄精对不同元素的吸附能力以及黄精自身代谢差异有关。