仪器和聚类分析法在“营养学”中的应用

摘 要：在本科学生中开展具体的科研活动，采集浙江舟山、福建泉洲、福建罗源和广东揭阳四个地区的紫菜，结合营养学相关知识，指导同学用原子吸收分光光度计检测四地紫菜中的铜、铁、锰、钙、锌、铅、钾、镁8种矿物质元素的含量，然后进行计算机数值分析，通过这种科研活动，不仅提高了同学们的自学能力和科研动手能力，开拓了同学们的科学视野，同时也为海洋食品科学和海洋环境科学提供了一定的参考数据。

关键词：坛紫菜 矿物质 食品安全

一、概述

本科护理学等专业的《营养学》课程中食品营养和食品安全是一个重要的教学内容，原有的教学过程只有理论讲解，同学往往理会不深，最多只是熟记一些空泛的概念。为了让同学更深入地理解食品营养和食品安全的含义，更直观地领会、理解食品营养价值和食品安全分析，我们以市场上采购的坛紫菜（俗名紫菜，以下称紫菜）为标本（因我校地处沿海，所以我们选取了我国几个沿海地区的紫菜作为分析标本），用原子吸收分光光度法对其进行元素检测，然后用计算机数值方法完成聚类分析。通过具体的食品检测，统计分析，用实验、直观的方式加强了同学们对营养学和食品安全性的认识。更进一步的，这也同时反映了我国沿海几个地区所产紫菜受重金属污染的程度，可以以紫菜作为一种参考指标物，为海洋食品科学和海洋环境科学提供一定的科学数据。

紫菜营养丰富，具有较高的食用价值，含有人体生长所需的多种营养物质，而且具有多种明显的生物学功能[1]：1、蛋白质和氨基酸，食用紫菜一般蛋白质含量为24%－28%，远远高于一般的蔬菜，而且含人体所必需的氨基酸较多。2、脂肪，紫菜的脂肪含量低，多在1%以下，而且多是对人体有很好保健作用的不饱和脂酸—亚油酸、亚麻酸或十八碳四烯酸等，含量为10%—30%，更优的是其中被人们比喻为“脑黄金”的二十碳五烯酸含量高达30%。3、维生素，紫菜中含有多种维生素，B族维生素的含量与蔬菜相比毫不逊色，其中含量高的维生素B12有活跃脑神经，预防衰老和记忆力衰退，改善忧郁症之功效；此外维生素C的含量也很高。4、无机质，紫菜中的无机质含量极为丰富。5、碘，紫菜含碘量很高，可用于治疗因缺碘引起的“甲状腺肿大”，还有软坚散结功能，对其他郁结积块也有一定用途。6、富含胆碱和钙、铁,能增强记忆，治疗妇幼贫血，促进骨骼、牙齿的生长和保健。7、甘露醇，紫菜含有一定量的甘露醇，可作为治疗水肿的辅助食品。8、多糖，紫菜所含的多糖具有明显增强细胞免疫和体液免疫功能，可促进淋巴细胞转化，提高机体的免疫力，还可显著降低进血清胆固醇的总含量。9、紫菜的有效成分对艾氏癌的抑制率53.2%，有助于脑肿瘤、乳腺癌、甲状腺癌、恶性淋巴瘤等肿瘤的防治。10、紫菜含有大量微量元素，而微量元素是维持人体物质代谢的重要化学元素，具有高度的生物活性及催化生化反应的能力，在参与体内多种酶的结构与激活、构成体内重要的载体及电子传递系统，参与激素及维生素的合成，调控自由基的水平方面具有重要作用。由于不能在人体内自行合成，微量元素必须通过日常的食物摄取来补充。所以，紫菜作为食用蔬菜对人体补充微量元素有较高的利用价值[2][3]。

二、方法

1、标本来源：从当地市场采购的浙江舟山、福建泉洲、福建罗源和广东揭阳四个地区的紫菜。各元素测定用标准液来自国家标准物质研究中心。

2、标本处理[4][5][6]：准确称取2.00g的紫菜，用去离子水充分洗涤3次，然后在50℃的环境下烘干，再用硝酸消化，定容50ml。仪器为原子吸收分光光计，采用标准曲线法，自动进样每次20μl。

①准确称取2.00g各地紫菜于瓷坩埚中，加2mL～4mL硝酸浸泡1h以上。

②用去离子水充分洗涤3次，然后在50℃的环境下烘干，冷却后转入马弗炉，500℃恒温2h，再升至800℃，保持20min，冷却。

③加2mL～3mL硝酸，消化液及消化润洗液转移至50mL容量瓶， 高纯水定容。

④同时作试剂空白（不加样品）。

3.测定方法

3.1铅元素用石墨炉法测定：

①仪器条件：仪器型号为美国Perkin Elmer800型原子吸收分光光度计，根据仪器性能调至最佳状态。参考条件为波长283.3nm，狭逢0.2nm～1.0nm，灯电流5mA～7mA，干燥温度120℃，20s；灰化温度450℃，持续15s～20s，原子化温度2000℃，持续4s～5s。

②标准曲线绘制：自动吸取5种不同浓度的铅标准使用液各20μL，注入石墨炉，测得其吸光值并求得吸光值与浓度关系的一元线性回归方程（回归方程和背景校正均由仪器自动完成）。

③试样测定：自动进样，分别吸取样液和试剂空白液各20μL，注入石墨炉，测得其吸光值，

代入标准系列的一元线性回归方程中求得样液中铅含量（仪器自动完成）。

3.2其他元素（钙、铜、铁、锰、锌、钾、镁）测定均用火焰原子化法：

方法同铅的测定，标准曲线法，自动进样每次20μl，仪器自动给出测定结果。

三、测定结果

本实验共测定了铁、锌、铜等共8种元素，结果见下表，产地隐去，用1地产品、2地产品、3地产品、4地产品代表。

测定结果用EXCEL文件保存。同学在老师指导下运用MATLAB科学计算语言完成聚类分析，其聚类树形图如下：

同学们分析该聚类树图，认为四个产地的紫菜分为三类较好，得出的聚类轮廓图如下：

同学们应用程序，在计算机上显示各类所包含的样本：

F1显示第一类所包含的样本，结果是， F1 = "2、1地产品"

F2显示显示第二类所包含的样本，结果是，F2 = "3、3地产品"

F3显示显示第三类所包含的样本，结果是， F3 = "1、1地产品"

"4、4地产品"

在测定结果和聚类分析的基础上，组织同学检索相关文献和讨论分析。大家进一步明白，我国沿海地区的各类工业废水和生活废水以不同方式排入海洋，使进入到海水中的有害物质和重金属越来越多，对环境和生态系统已经造成了污染，尤其是水生态系统。污染物往往通过食物链被水生动植物富集，从而严重影响到我们水产品的食用安全。重金属的长期摄入，会对人的心、肝、肾等重要器官和神经、消化等系统造成损害，而铅还会引起智力低下、反应迟钝、贫血等。食用某些被污染的紫菜不仅严重危害人体健康，而且还会对当地的经济发展造成一定的制约性。通过具体的实验检测和聚类分析，结合同学们对相关知识的学习和讨论，最终得出结论：所分析的四个地区的紫菜中微量元素含量都很高，尤其是钙、铁、镁等元素。而有害重金属元素铅含量有高有低，如果是根据铅含量来判断食品安全性，其中1地产品和4地产品铅含量低于我国食品卫生标准中的限量：铅≤0.2（mg/kg）[7]，在正常范围内，，属高安全性一类；分析3地产品铅含量超过标准，属中安全性一类；分析2地产品的铅含量最高，属低安全性一类。

四、结论

在营养学课程中指导同学进行相关的检测分析试验和计算机数值分析（学生科研活动），不但可以使教学过程更加生动活泼和直观，使学生学得更具体、更透彻，而且通过在本科学生中开展的一些具体的科研活动，还可以提高同学们的学习积极性和科研动手能力，同时通过营养学和仪器分析、计算机数值分析等多学科的结合和综合应用，扩展了同学们的统计学、计算机科学知识，更开拓了同学们的科学视野。这样不但深刻地明确了食品中微量元素和食品安全的重要性，更明确了保护海洋环境是我们当代大学生刻不容缓的艰巨任务。◆

注：此为浙江海洋学院大学生研究性学习与创新性实验项目，李大东为通讯作者。

参考文献：

[1] 吕钟钟，罗建光，管华诗．紫菜的生物活性研究进展[J].中国海洋大学学报，2009，39（Sup.），47-51

[2] 中药健康网—紫菜营养价值

[3] 陈人弼.坛紫菜主要营养成份的分析[J].台湾海峡，1999，18（4）：465-468

[4] 田 金，李超，宛立等.海洋重金属污染的研究进展[J].水产科学，2009，28（7）：413-416

[5] 杜理华，江 浩，薛良义．ICP-OES法测定坛紫菜中重金属元素[J]．浙江林学院学报，2010， 27（5）： 790 - 793

[6] 方肇论.仪器分析在土壤学和生物学中的应用[M].北京：科学出版社，1993，18-29

[7] 中华人民共和国国家标准食品中铅限量卫生标准 GB14935-94

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