52个家蚕品种蛹中8种金属元素含量及安全性评价

郭慧敏, 郑 昕, 孙 娟, 李 刚, 赵国栋, 徐安英，钱荷英*

(1.江苏科技大学 生物技术学院，江苏 镇江 212018；2.中国农业科学院 蚕业研究所，江苏 镇江 212018)

0 引言

【研究意义】栽桑养蚕一直以来都是我国农村的传统致富产业之一，2019年我国桑蚕茧量达704 176 t[1]，其中占比约20%的茧壳主要作纺织原料，其他70%以上的是蚕蛹。蚕蛹含有丰富的蛋白质和多种氨基酸，还含有大量不饱和脂肪酸及饱和脂肪酸等，并具有一定药用功能。蚕蛹作为药食同源性资源，对其营养性及安全性进行科学评价具有重要意义。【前人研究进展】蚕蛹蛋白是蚕蛹干基中的主要营养物质，研究发现，1 kg鲜蛹中蛋白含量相当于1.09 kg鲫鱼、0.96 kg鸡蛋或0.85 kg瘦猪肉中蛋白含量[2]，而且蚕蛹蛋白含有18种氨基酸，8种必需氨基酸含量约占40%，符合联合国粮食及农业组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)联合食品标准建议的理想氨基酸模式，可作为一种优质昆虫蛋白源[3-5]。除此之外，蚕蛹还含有一定量的金属元素，如钾、钠、钙、锌、锰、铁、铜等和少量维生素、激素等生物活性成分，具有抗肿瘤、降血压、促进伤口愈合等药用功效[6-7]。研究表明，金属元素的种类和含量对中药材功效起到关键调控作用[8]，而蚕蛹作为药食同源性资源，随着对其有效成分的进一步研究和利用，蚕蛹在医疗、化工、食品等领域的应用前景也越发广阔。【研究切入点】随着我国工业化及科学技术的发展，重金属污染问题受到广泛关注。环境中重金属不会被微生物降解，最终通过食物链的富集作用进入人体，达到一定浓度后，对人体造成伤害，甚至导致死亡[9-11]。不同昆虫体内重金属种类和含量存在显著差异，这与昆虫生活环境及食性等因素密切相关[12]。家蚕以桑叶为食，检测蚕蛹中重金属含量不仅可以了解蚕蛹质量安全，而且对于判断桑叶或桑叶种植地是否受到重金属污染具有重要意义[12-13]。【拟解决的关键问题】电感耦合等离子体光学发射光谱法(Inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES)因其灵敏度高、精密度好、检出限低、可同步快速检测多种元素，被广泛应用于微量元素分析[14-15]，应用ICP-OES技术对不同品种家蚕蛹进行主要有益金属元素和有害重金属元素含量测定，以期为科学评价蚕蛹营养性及安全性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 家蚕种质 52个不同品种家蚕蛹样品均由中国农业科学院蚕业研究所提供，主要性状见表1。各家蚕品种按照常规方法饲养，所用桑叶均为中国农业科学院蚕业研究所试验场提供。

表1 试验家蚕品种主要性状(n=10)

1.1.2 仪器与试剂 Optima 8000电感耦合等离子体发射光谱，美国perkin elemer公司；EThOS ONE微波消解仪，意大利Milestone公司。镁(Mg)、钙(Ca)、钾(K)、锌(Zn)、铁(Fe)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)金属元素标准溶液，购自国家标准物质中心和国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸、高氯酸(优级纯)，购自北京化学试剂研究所。

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液的配制 精确移取适量的多元素标准贮备液，用2.5%硝酸稀释，分别配制质量浓度为0 mg/L、2 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L和100 mg/L的K、Ca、Mg混合标准溶液；质量浓度为0 mg/L、0.2 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、5 mg/L、10 mg/L的Zn、Fe、Pb、Cd、Cr混合标准溶液。

1.2.2 样品前处理 每个品种取雌雄蛹各5颗作为1个样本。将所有样品70℃烘干，冷却后研磨成粉末并过100目筛。将上述通过100目筛的家蚕蛹粉精确称取0.3 g，放入微波消解仪的消煮管中，加入3 mL混酸(硝酸︰高氯酸=83︰13，体积比)进行消解，消解完毕后各样品使用2.5%硝酸定容至10 mL。定容后的样品使用0.45 μm水系滤膜过滤，取滤液获得供试品溶液。每个样品设置3个重复。使用同样方法配制空白溶液。

1.2.3 样品测定 参考王小平等[16]对大米中微量元素的测定方法，称取适量标准参考物质大米GBW10043，测定样品中各金属元素含量，计算回收率和精密度，对测定方法的准确度进行评价。在优化的工作条件下[16]利用ICP-OES检测对照样品溶液及待测样品溶液中K、Ca、Mg、Zn、Fe、Pb、Cd、Cr的含量，重复测定3次。测定值减去空白对照后，除以样品干重(g)所得到蚕蛹中元素浓度(μg/g)的表达量，属于元素的相对含量，减去空白的目的是为了扣除背景值，同时减少样品制备过程中使用试剂、器皿等造成的影响。

1.3 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 19和 Excel 2007对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 加标回收率及方法验证

从表2看出，8种金属元素的平均回收率为84.80%～95.04%，表明方法具有良好的准确度，可用于家蚕品种蛹中8种金属元素含量分析。

表2 8种金属元素的加标回收率(n=3)

2.2 蚕蛹中8种金属元素的相对含量

从表3可看出，52个品种家蚕蛹中8种金属元素的含量(相对标准空白的含量)存在差异。

表3 52个品种家蚕蛹中8种金属元素的含量(n=3)

2.2.1 Ca含量 蚕蛹中Ca含量为246.40～1 125.40 μg/g，平均591.94 μg/g。其中，中国系统一化性四眠种2035含量最高，中国系统一化性四眠种2020的含量最低。相关分析表明，Ca含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为-0.256、-0.336和-0.362。

2.2.2 Fe含量 蚕蛹中Fe含量为5.10～26.00 μg/g，平均12.99 μg/g。其中，最高的是日本系统一化性四眠种3007，含量最低是中国系统一化性四眠种2029。相关分析表明，Fe含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为0.120、0.127和-0.375。

2.2.3 K含量 蚕蛹中K含量为2 394.21～11 341.06 μg/g，平均6 669.02 μg/g。其中，含量最高的是中国系统一化性四眠种2016，含量最低的是欧洲系统一化性四眠种4037。相关分析表明，K含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为-0.297、-0.294和-0.092。

2.2.4 Mg含量 蚕蛹中Mg含量为993.80～3 668.80 μg/g，平均2 120.47 μg/g。其中，含量最高的是日本系统一化性四眠种3007，含量最低的是欧洲系统一化性四眠种4003。相关分析表明，Mg含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为-0.172、-0.160和-0.352。

2.2.5 Zn含量 蚕蛹中Zn含量为30.65～163.25 μg/g，平均69.78 μg/g。其中，含量最高的是日本系统一化性四眠种3007，含量最低的是欧洲系统一化性四眠种4003。相关分析表明，Zn含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为-0.172、-0.160和-0.318。

2.2.6 Cd含量 蚕蛹中Cd元素含量为-0.02～0.10 μg/g，平均0.03 μg/g。其中，含量最高的是中国系统一化性四眠种2025，含量最低是中国系统一化性三眠种1014。相关分析表明，Cd含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为0.126、0.106和-0.314。

2.2.7 Cr含量 蚕蛹中Cr含量为0.03～3.25 μg/g，平均0.33 μg/g。其中含量最高的是中国系统一化性三眠种1002，而含量最低的是中国系统一化性四眠种2029。相关分析表明，Cr含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为0.088、0.125和-0.113。

2.2.8 Pb含量 蚕蛹中Pb元素含量为-0.17～0.44 μg/g，平均0.15 μg/g。其中含量最高的是日本系统一化性四眠种3015，含量最低的是中国系统一化性四眠种2018。相关分析表明，Pb含量与全茧量、蛹重、全龄经过的相关系数分别为0.125、0.123和0.137。

2.2.9 蛹中8种金属元素含量比较 52个家蚕品种蛹的金属元素含量均表现为K>Mg>Ca>Zn>Fe>Cr>Pb>Cd。其中常量元素K、Mg、Ca的含量非常丰富，平均含量分别为6 669.02 μg/g、2 120.47 μg/g和591.94 μg/g；Fe、Zn含量远小于上述元素，平均分别为12.99 μg/g和69.78 μg/g，属于微量元素范畴。重金属元素Cr、Pb、Cd相对含量极低，平均分别为0.33 μg/g、0.15 μg/g和0.03 μg/g，属于痕量元素，其中Cr的平均含量略高，而Pb、Cr含量远低于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)所规定的重金属限定标准，与武国华等[13，17]对家蚕蛹和柞蚕蛹及桑叶中重金属含量的研究结果一致。

2.3 不同地理系统家蚕对金属元素的富集

不同地理系统家蚕存在较大的形态性状和经济性状差异，其蚕蛹对金属元素的富集能力不同。从表4看出，不同地理系统家蚕蛹中金属元素相对含量的差异。Ca含量以热带系统无滞育多化性四眠种最高，平均达678.46 μg/g；欧洲系统一化种四眠种最低，平均为574.20 μg/g。Fe含量以欧洲系统一化种四眠种最高，达14.53 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为7.86 μg/g。K含量以中国系统一化性三眠种最高，达6 675.53 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为2 997.44 μg/g。Mg含量以中国系统一化性三眠种最高，达2 191.08 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为1 995.39 μg/g。Zn含量以日本系统一化性四眠种最高，达80.84 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为59.48 μg/g。Cd含量以中国系统一化性三眠种最高，为0.47 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为0.01 μg/g。Cr含量以欧洲系统一化性四眠种最高，达0.44 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为0.14 μg/g。Pb含量以日本系统一化性四眠种最高，达0.20 μg/g；热带系统无滞育多化性四眠种最低，为-0.04 μg/g。

表4 不同地理系统家蚕蛹中金属元素含量

2.4 蛹中金属元素含量之间的相关性

对家蚕蛹中金属元素含量进行相关性分析，结果表明，Ca-Mg及Mg-Zn间呈显著正相关，其相关系数分别为0.861和0.832；Ca-K、Fe-K、K-Cr、K-Mg、K-Zn、Mg-Pb和Zn-Cd间存在微弱的负相关关系。说明，在蚕蛹中富集的Ca-Mg、Mg-Zn之间可能存在协同作用，而Ca-K、Fe-K、K-Cr、K-Mg、K-Zn、Mg-Pb和Zn-Cd间可能存在拮抗作用。

3 讨论

研究采用ICP-OES对52个不同品种家蚕蛹中Ca、Fe、K、Mg、Zn、Cd、Cr、Pb等8种金属元素含量进行测定，结果显示，家蚕蛹中常量元素K、Mg、Ca的含量非常丰富，微量元素Fe、Zn的含量中等，而重金属Cd、Cr、Pb的含量很低。Ca虽然是人体含量最多的常量元素，但缺Ca现象仍普遍存在；缺Ca会导致骨骼异常，易患过敏性疾病，食用过多则会引发肾结石[18-19]。K是多种酶的激活剂和辅助因子，参与细胞代谢过程，帮助形成静息电位，维持细胞内外渗透压和酸碱平衡；缺K会导致电解质紊乱，肾功能障碍等问题[20]。Mg是许多酶的激活剂和辅助因子，参与体内物质代谢，具有防癌抗癌作用；缺Mg会增加高血压及心脏病的患病率[21-22]。家蚕蛹所含Ca、Mg、K平均含量分别为591.94 μg/g、2 120.47 μg/g、6 669.02 μg/g，较大豆[19]及大米[16]含量更高，其中Mg含量是贝类的7倍左右[23]。Fe、Zn作为人体必需的微量元素，在机体内发挥着不可替代的生物学作用，Fe用于合成血红蛋白，参与机体内氧的运输，在多种氧化酶中起重要作用，缺Fe会导致氧化还原代谢紊乱，甚至会发生缺Fe性贫血等疾病[24]；Zn是碱性磷酸酶等多种酶的主要成分并维持其活性，参与能量代谢和细胞分解；缺Zn会造成代谢紊乱，会导致癌变的发生[25-26]。家蚕蛹中Fe、Zn平均含量分别为12.99 μg/g、69.78 μg/g，较禽肉[27]含量更高；其中Zn含量是常见食用菇类[28-29]、蛋及蛋制品以及猪肉的3倍左右[28-33]，是贝类[23]的6倍左右。因此，蚕蛹除具有丰富营养物质外[34]，还能提供多种有益元素，可作为功能食品加以推广。

Cr是广泛存在于环境中的微量元素，其发挥的功能与其在机体内价态有关，Cr+3参与糖、脂代谢途径，Cr+6具有强氧化性，会破坏肝肾导致肝肾功能衰竭[35-38]；Cd和Pb是常见的重金属元素，Cd会引起骨痛病，与人类心脏病等疾病有关[39]；Pb对于神经系统具有毒害作用，易致癌致突变[35]。家蚕蛹中K、Mg、Ca含量的丰富度与武国华等[13，17]的研究结果趋于一致。这是因为家蚕是寡食性动物，桑叶是其唯一的饲料来源，桑叶中金属元素的含量直接影响蛹中的金属元素含量。Cd、Cr、Pb的含量也与镇江地区桑叶中Cd、Cr、Pb含量趋势一致，均属于痕量级别[40]。Cr含量(0.33 μg/g)略高于国标(0.30 μg/g)，主要原因在于2个品种(中国系统一化性三眠种1002及热带系统无滞育多化性四眠种4001)中Cr的含量超过平均值约10倍。对这2个品种超富集Cr进行分析认为，一是其可能有高效的富集Cr能力，二是食用的桑叶可能含有更多Cr元素；虽然实验中尽量保证食用的桑叶一致，但即便是同一株桑树桑叶不同部位中营养元素也有差异[41]，这也是未来继续探究的内容。

家蚕蛹中金属元素含量与各家蚕龄期经过的相关性分析表明，各种金属元素的富集与全龄经过、全茧量、蛹重等实用性状的相关性很弱。由此可见，家蚕蛹中金属元素的含量不能作为各品种地理品系的特征标记。

4 结论

采用HNO3+HCLO4体系对蚕蛹进行微波消解，结合电感耦合等离子体光学发射光谱法(ICP-OES)，测定52个家蚕品种蛹中Ca、Fe、K、Mg、Zn、Cd、Cr、Pb 8种金属元素的含量。结果表明，家蚕蛹中常量金属元素Ca、K、Mg的平均含量分别为591.94 μg/g、6 669.02 μg/g和2 120.47 μg/g；微量元素Fe、Zn的平均含量分别为12.99 μg/g和69.78 μg/g；重金属元素Cd、Cr、Pb的平均含量极低，分别为0.03 μg/g、0.33 μg/g和0.15 μg/g。蚕蛹中含有较为丰富的常量元素和微量元素，重金属元素除Cr平均含量(0.33 μg/g)略高于国标(0.30 μg/g)外其他元素含量符合GB 2762—2017标准，建议选择性地将蚕蛹作为功能性食品进行推广。此外，家蚕蛹中的金属元素含量与其全龄经过、全茧量和蛹重等性状相关性微弱，不能作为家蚕地理品系的特征标记。Ca-Mg及Mg-Zn的富集呈显著相关，相关系数分别为0.861和0.832；其他元素之间富集存在微弱的负相关关系。