不同颜色蚕豆的红外光谱分析及元素含量测定

材料与方法

1.1 样品来源

样品收集于云南陆良，共采集2种样品，分别为绿色蚕豆（编号a）和白色蚕豆（编号b），样品经自然晾干备用。

1.2 仪器设备及试验方法

1.2.1 红外光谱 红外光谱仪为Frontier型傅里叶变换红外光谱仪（Perkin Elmer公司），扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次。

将待测的蚕豆样品的种皮与子叶分开，对所有子叶取相同部位进行测试，样品放入玛瑙研钵中研磨，加入适量溴化钾后混合搅磨均匀，压片测试，采用纯溴化钾片作为背景。光谱数据用Omnic 8.0基线校正、9点平滑和归一化预处理。

1.2.2 蚕豆矿物元素的测定 ELAN DRC-e型电感耦合等离子体-质谱仪（ICP-MS，Perkin Elmer公司），仪器参数见表1。

准确称取样品0.100 0 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL HNO3和1 mL HClO4，静置过夜，在电热板上加热消解至溶液呈透明清亮，赶酸，冷却，用2%的HNO3溶液定容至100 mL，待测，同时作样品空白处理。

2 结果与分析

2.1 红外光谱分析

2.1.1 蚕豆子叶的红外光谱特征 图1为两种颜色蚕豆的傅里叶变换红外光谱图，其中a是绿色蚕豆，b是白色蚕豆。从图1可以看出两种颜色蚕豆的红外光谱在整体上比较相似，都具有一些典型的特征峰。其谱峰归属：3 300 cm-1附近有一宽且强的吸收峰，主要是O-H和N-H伸缩振动吸收[9]。2 925 cm-1附近为亚甲基中C-H反对称伸缩振动吸收[5]；1 652 cm-1附近的吸收峰主要是蛋白质酰胺Ⅰ带的振动吸收，归属为C=O伸缩振动[9]；1 544 cm-1附近的吸收峰是酰胺Ⅱ带吸收，为N-H的面内弯曲振动和部分C-N的伸缩振动耦合[9]；1 449、1 397 cm-1分别归属于亚甲基、甲基的对称弯曲振动 [10]，1 241 cm-1附近的吸收峰为蛋白质酰胺Ⅲ振伸缩动[9]；1 200～700 cm-1范围内主要是多糖及糖类异构体的吸收区；1 155、1 078 cm-1附近的吸收峰归属于碳水化合物中C-O和C-O-C伸缩振动[11]，856 cm-1附近的峰可以归属于α-构型多糖的特征峰[12]。

由上述特征可以看出，蚕豆子叶的红外光谱主要有蛋白质、多糖构成。两种蚕豆种子的峰形峰位相似，为便于比较，计算A1536 /A1656、A1050 /A1656吸光度比值。对于比值A1536 /A1653，绿色蚕豆和白色蚕豆都小于1，且绿色蚕豆大于白色蚕豆。对于比值A1050 /A1653，绿色蚕豆和白色蚕豆都小于1，绿色蚕豆大于白色蚕豆。根据吸光度的比值可对绿色蚕豆和白色蚕豆样品进行鉴别。

2.1.2 曲线拟合 为了进一步鉴别两种颜色蚕豆，对绿色蚕豆和白色蚕豆的平均红外谱图中1 700～ 1 600 cm-1内进行曲线拟合（见图2），来研究蛋白质二级结构的相对含量。由图2可以看出两种蚕豆在1 600～1 700 cm-1内都出现了9个子峰。吸收频率的位置依次是1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648、1 639、1 629和1 618 cm-1。其中，1 610～1 640 cm-1归属于β折叠，1 650～1 660 cm-1归属于α螺旋，1 660～1 700 cm-1归属于β转角[12-14]。

绿色蚕豆和白色蚕豆相应的子峰面积、子峰所占的峰面积比和归属见表2。结合图2和表2可以看出，两种蚕豆在1 600～1700 cm-1内出现子峰的频率位置基本没有差异。但各个子峰面积的百分比却存在着明显不同。差异最大的主要是β转角（1 668 cm-1）和α螺旋结构（1 658 cm-1）的振动吸收。在1 668 cm-1和1 658 cm-1吸收带上，绿色蚕豆吸收峰的面积百分比分别是16.300 4%和12.901 3%；白色蚕豆吸收峰的面积百分比分别是11.601 6%和15.820 4%。在1 691、1 682、1 674、1 668、1 658、1 648和1 629 cm-1吸收峰上，绿色蚕豆吸收峰面积百分比明显大于白色蚕豆。另外，在1 618、1 674和1 639 cm-1吸收峰上，白色蚕豆吸收峰面积百分比大于绿色蚕豆。所以绿色蚕豆的α螺旋、β转角和无规则卷曲结构均比白色蚕豆多，而β折叠少于白色蚕豆。结果表明，绿色蚕豆的蛋白质含量高于白色蚕豆，也就是说绿蚕豆的营养成分高于白蚕豆。

2.2 矿物元素分析

按照选定仪器工作参数，测定样品中的9种矿质元素含量，测定结果见表3。从表3可知，蚕豆中含有人体必需的磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、锰（Mn）、钠（Na）等多种矿质元素，其元素含量由高到低顺序为K、P、Mg、Ca、Na、Fe、Zn、Cu、Mn。其中K、P的含量最高，分别达到1.080%和0.444%；Ca、Mg、Na含量较高，平均含量均高于200 mg/kg；Fe、Zn、Cu含量次之，平均含量元素为10～80 mg/kg；Mn元素含量相对较低。

这些元素对人体具有重要的生物功效作用，如，K作为主要的碱性物质存在于组织和血细胞中，对神系统、体液平衡起着十分重要的作用[15]。P存在于人体所有细胞中，是维持骨骼和牙齿的必要物质，几乎参与所有生理上的化学反应[16]。Na是维持机体新陈代谢、体内酸碱平衡的电解质[15]。Ca是构成骨骼和牙齿的主要原料，当机体缺钙时，主要影响骨、牙齿的发育，婴幼儿会患佝偻病，成年人表现为骨质软化，老年人表现为骨质疏松[17]。

此外，蚕豆中也含有较高的Mg、 Fe、 Zn、 Cu、Mn等人体必需微量元素。Mg是细胞新陈代谢过程中各种酶的活化剂，对人体正常生理功能有重要作用。Fe则是红细胞中血红蛋白的重要组成部分，缺铁能导致人体疲乏、面色苍白、记忆力减退及从事耗氧运动能力降低[16]。Zn是人体中上百种酶的组成成分和激活剂，它参与蛋白质和核酸合成，影响细胞的分裂和再生[18]。Cu在人体中通过含铜酶或蛋白参与各种代谢，在维护皮肤、骨骼、心血管系统的结缔组织完善中起重要作用[16]。Mn是参与人体糖、脂肪代谢的一种重要的元素[18]，如果人体缺乏这几种微量元素，将会出现不同的生理症状。

矿质元素含量显示了两种蚕豆间存在差异，元素K、Ca、Cu和Na的含量：白色蚕豆大于绿色蚕豆，其他矿质元素P、Mg、Fe、Zn、Mn等含量：绿色蚕豆大于白色蚕豆。可见，两种颜色的蚕豆都具有较高的营养价值，经常食用可补充人体所需的矿质元素。

3 小结与讨论

利用傅里叶变换红外光谱和电感耦合等离子体质谱对绿色、白色蚕豆子叶样品进行了分析研究。FTIR研究表明，蚕豆子叶红外光谱主要由蛋白质、多糖等吸收带组成。绿色蚕豆和白色蚕豆的红外光谱峰整体相似，仅在一些特征吸收峰上的吸光强有一些微小差异。两种蚕豆的蛋白质二级结构中α螺旋、 β折叠、 β转角和无序结构分别在酰胺I带出现的吸收位置十分接近、但同一个二级结构在不同物种的蛋白质中所占的比例明显不同。其中，绿色蚕豆α螺旋、 β转角和无规则卷曲结构的含量均比白色蚕豆多，而β折叠的含量少于白色蚕豆。ICP-MS测试结果表明，蚕豆富含P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn等多种营养元素，这些元素对人体具有重要的功效作用。结果表明，傅里叶变换红外光谱结合电感耦合等离子体质谱能准确、灵敏的反映蚕豆所含的化学信息，有望为蚕豆的研究提供一种方便快捷的方法。

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