硫磺熏蒸对天麻中重金属残留量的影响开题报告

1. 研究目的与意义

一、 毕业论文的内容

1. 实验的分组及各组天麻样品的制备

2. 各组样品重金属供试品溶液的制备（微波消解）

2. 文献综述

硫磺熏蒸对中药材中重金属影响的研究进展

摘要：中药材在加工及贮藏过程中易出现虫蛀、发霉等现象，硫磺熏蒸能有效地防腐、防虫、杀菌，且成本低，操作简便，已广泛用于中药材的加工及贮藏。但过度的硫磺熏蒸会导致二氧化硫及有害重金属等的残留，严重影响了中药材的品质。长期服用有重金属残留的硫熏中药会对人的健康造成潜在的威胁。本文现以天麻为例，对天麻加工现状、硫熏所致重金属残留及重金属含量的检测方法进行了综述，确定最适的检测方法，以探究硫磺熏蒸对天麻中重金属残留量的影响。

关键词：天麻；硫磺熏蒸；重金属； 研究进展

引言

天麻经硫磺熏蒸后，能较好地防虫、防霉，改善天麻的外观颜色，在天麻的贮藏等方面具有较大的优势。然而，硫磺熏蒸所造成的有害重金属残留，对天麻品质、临床疗效及人体健康均造成极大影响与危害。因此，需要对硫熏天麻中重金属含量进行准确、有效的检测，对重金属含量超标的天麻要及时地处理，避免对服用者的身体造成损害，保证天麻商品的质量。

1. 天麻药材概述

本品为兰科植物天麻Gastrodia elata Bl.的干燥块茎。立冬后至次年清明前采挖，立即洗净，蒸透，敞开低温干燥。天麻为名贵中药，性平、味甘。具有息风止痉、平抑肝阳、祛风通络之功能。用于小儿惊风、癫痫抽搐、破伤风、头痛眩晕、手足不遂、肢体麻木、风湿痹痛^[1]。

天麻为多年生草本植物。生于疏林下，林中空地、林缘，灌丛边缘，海拔400-3200米。栽培要求选择湿润透气和渗水性良好、疏松、腐殖质含量丰富的壤土或沙壤土。繁殖主要以块茎繁殖，或可用种子繁殖。但其种子无胚乳，胚未分化，自身不能为萌发提供营养来源。在自然条件下，种子萌发除普通绿色植物所需的条件外，还需有真菌参加。

天麻主要分布于吉林、辽宁、内蒙古、河北、山西、陕西、甘肃、江苏、安徽、浙江、江西、台湾、河南、湖北、湖南、四川、贵州、云南和西藏。尼泊尔、不丹、印度、日本、朝鲜半岛至西伯利亚也有分布。现已被世界自然保护联盟（IUCN）评为易危物种，并被列入《濒危野生动植物物种国际贸易公约》（CITES）的附录Ⅱ中，同时也被列入中国《国家重点保护野生植物名录（第二批）》中，为Ⅱ级保护植物。

2. 天麻的加工现状

天麻采挖后，应及时加工，一般以5天之内加工为宜，以免糜烂造成损失。传统的加工过程包括：

（1）分档、清洗　按鲜麻大小及完好程度大致分档，然后及时清洗，洗净后要在当天蒸煮完毕。否则，加工成品外观发黑。

（2）蒸煮　根据天麻大小不同，在蒸笼中蒸5～30min。采用蒸制方法加工的天麻，药用成分损耗较少。通常还可在开水中煮制，天麻煮沸时先在水中加入少量明矾，加工后的天麻呈半透明状，但有效成分损失较多。

（3）烘干　烘烤温度50～60℃。在烘干过程常用硫磺熏蒸以达到干燥、漂白、杀菌防腐、改善外观、易于储存的目的^[2]，但可改变天麻的pH值，降低药效，且会有二氧化硫及有害重金属等的残留，因此在加工出口天麻时并不提倡硫磺熏蒸法。

天麻的加工方法和烘干温度是保证天麻产品质量的关键，必须严格注意，否则会造成有效成分极大减少，甚至无有效成分。因此，必须严格加工工艺，慎用硫磺熏蒸法，确保天麻产品的质量。

3. 硫磺熏蒸的利弊

硫磺熏蒸在中药材生产中可以防腐、防虫、杀菌，因而广泛用于天麻的加工贮藏，但硫磺熏蒸会对天麻有效成分产生不利影响^[3]，同时也会导致二氧化硫及有害重金属的残留，严重影响了天麻的品质。硫磺含有Pb、As和微量的Cd等重金属元素，在熏蒸过程中会变为蒸气或氧化物等可挥发性的有毒物质^[4]，经硫磺熏蒸的天麻饮片入煎剂后，这些物质则附着在药物表面混悬于药液中，被病人服用吸收。天然硫磺含有一定量的As₂S₂，燃烧后，As₂S₂与空气中的氧发生反应，生成As₂O₃（砒霜的主要成分），致使天麻的安全性降低。此外，由于As₂O₃极易升华（升华点193℃），天麻经硫磺熏蒸时，其可随烟气升华出来，造成空气污染。熏制人员较长时间熏蒸天麻，也可能造成砒霜中毒^[5]。熏蒸过程中生成的铅蒸气、氧化砷、氧化汞等挥发性有毒物质，容易对人体呼吸道产生危害，严重的会直接侵害肝脏、肾脏。此外，SO₂还原出的Pb一旦进入人体就很难排出，长期积累会危害人体造血机能，使胃肠道中毒，甚至还会毒害神经系统，损害心脏、肾脏功能^[6,7]。

4. 重金属

重金属是指在实验条件下能与硫代乙酰胺或硫化钠作用显色的金属盐类杂质^[8]。目前，中药中有害重金属元素通常指铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铜（Cu）等。铅是可以在人体和动物组织中蓄积的有毒金属，铅的主要毒性效应是导致贫血症、神经机能失调和肾损伤。镉（Cd）不是人体必须的元素，镉中毒的典型症状是肾功能受损害，肾小管对低分子蛋白再吸收功能发生障碍，糖、蛋白质代谢紊乱，引发尿蛋白症、糖尿病；镉进入呼吸道可引起肺炎、肺气肿；作用于消化系统则可引起肠胃炎；镉中毒者常常伴有贫血；骨骼中有过量镉积累会使骨骼软化、变形、骨折、萎缩；镉中毒也会引起癌症^[9]。砷（As）是人体非必须元素，元素砷的毒性较低而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比五价砷化合物毒性更强，有机砷对人体和生物都有剧毒，砷通过呼吸道、消化道和皮肤接触人体，如摄入量超过排泄量，砷就会在人体的肝、肾、肺、子宫、胎盘、骨骼、肌肉等部位，特别是在毛发、指甲中蓄积，从而引起慢性砷中毒，潜伏期可长达几年甚至几十年；慢性砷中毒有消化系统症状、神经系统症状和皮肤病变等；砷还有致癌作用，能引起皮肤癌。汞及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积，进入人体的无机汞离子可转换为毒性更大的有机汞，经食物链进入人体，引起全身中毒。铜是人体必须的元素，但是摄入过量可使血红蛋白变性，损伤细胞膜，抑制一些酶的活性，从而影响机体的正常代谢，并且还会导致心血管系统疾病^[10]。

5. 重金属含量的检测方法

现代化的仪器分析方法是目前最可靠、最灵敏的检测手段。目前中药中重金属含量的检测方法如下：

5.1常规方法

5.1.1比色法：该法是《中国药典》中规定的中药重金属检测的法定方法。包括硫代乙酰胺法、砷斑法和银盐比色法。比色法主要用于重金属总量和总砷的测定。该法所需仪器简单，操作简便，但准确度相对较差，受多种金属的干扰，选择性差，现多用于中药矿物药中常量元素的分析。

5.1.2紫外-可见分光光度法：该法是基于物质对紫外-可见光辐射的选择性吸收来进行分析测定的方法。本法具有快速、简便、重现性好等优点，但由于干扰因素较多，选择性较差，多用于汞、铅、镉的测定。楼小红等^[11]采用该法测定白芍中重金属的量，样品的回收率为100.7%。天津达仁堂制药厂的何跃华^[12]等采用紫外分光光度法对中成药中重金属进行含量测定，平均回收率为97.2%，RSD=1.48%，检测浓度在0～50 g，线性良好。

5.1.3原子吸收光谱法(AAS)：该法又分为冷原子吸收法、石墨炉原子吸收法、火焰原子吸收法和氢化物-原子吸收法。

（1）冷原子吸收法：专用于汞的测定，主要是利用汞在常温下蒸气压较高和在

空气中不易氧化的特点，将样品消化后还原生成Hg，用载气将汞蒸气吹出通过

石英吸收池，汞蒸气对汞空心阴极灯的辐射产生吸收，从而达到定量分析的目的。田义杰^[13]用冷原子吸收法测定藏药蕨麻中汞的量，样品经微波消解，用测汞仪测定得最低检出限为0.0608 ng，平均回收率为95.3%。戴益华^[14]等建立了流动注射-冷原子吸收法测定中药中的微量汞的方法，测定汞的最低检出限为0.334 g/g，相对标准偏差小于5%，加样回收率为98～104%，方法操作简便、快速，已广泛应用于实际中药样品中微量汞的测定。

（2）石墨炉原子吸收法（GF-AAS）：利用石墨管高温下使样品原子化，通过

炉内光路产生吸收的原理来测定。该法具有灵敏度高，一般可达到110^-9，选择性好，方法简便，分析速度快等优点，但石墨管价格昂贵，且不能同时测定多个元素。可用于除汞以外的重金属的测定。徐铁民^[15]等用该法测定了灵芝中的砷，加样回收率为95.6%～103.9%。范华均^[16]等用该法测定中药口服液中

的铬铅镉，样品采用常温消解和密闭微波消解处理，并进行了比较，测得检出限分别为0.527 g/L、0.382 g/L、0.0395 g/L，回收率在83.4%～113%。

（3）火焰原子吸收法：将含待测元素的样品溶液喷射成雾状进入火焰，用该元

素空心阴极作光源，辐射特征谱线的光，当通过一定厚度的该元素蒸气时部分光被蒸气中基态原子吸收而减弱，从而测定其量。该法操作简便，重现性好，但由于其灵敏度受限，一般可达到110^-6，故多用于含量相对较高的元素的测定，如铜、砷、铅、汞、镉、铝、锰、锌、钴、镍、锶等。薛国庆等^[17]采用火焰原子吸收法对不同产地栽培的黄芪中13种重金属含量进行了测定，结果显示Na、K、Fe、Ca、Mg、Zn、Cu、Pb等13种元素回收率都在97.16%～102.7%之间，精密度RSD在0.5%～2.6%之间，可以看出采用火焰原子吸收法测定中药金属元素含量具有良好选择性、稳定性和准确度，是研究中药重金属含量的有效方法。

（4）氢化物-原子吸收法（HG-AAS）：氢化物-原子吸收法作为一种高效分离富集和进样技术，目前受到人们的重视，其原理是将待测元素在常温的酸性环境中与还原剂进行反应并形成气态氢化物，能与大量基体分离，显著的降低了基体干扰，并且因为气体进样的方式而极大地提高了灵敏度及进样效率，可对砷、锑、汞、铅、锗、锡、硒、铋、碲元素进行含量测定。宋青云等^[18]采用该法以硫脲-KBH4-HCl作为反应测定体系，对当归、党参、黄芪、枸杞子、龙眼肉这5种常用补益中药中铋、砷和汞3种痕量元素进行了测定，结果显示铋、砷、汞检出限分别为0.12、0.18、0.15 μgL^-1，线性范围分别为0～20.0μgL^-1、0～120.0 μgL^-1、0～25.0 μgL^-1，加标回收率为96.5%～104.5%，因此该法可同时快速、准确地测定出5种补益中药中铋、砷、汞的含量。

5.1.4原子荧光光谱法（AFS）：该法是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生荧光的发射强度，来测定待测元素的一种分析方法。原子荧光光度法的检出限低于原子吸收法，谱线简单且干扰少，但线性范围较宽，应用元素有限，仅用于砷、锑、铋、硒、碲、锗、锡、铅、锌、镉、汞的分析。郭丹等^[19]用该法测定常通口服液中重金属砷的含量，平均回收率为98.27%。姜莹^[20]用该法测定何首乌中微量铅的量，检出限为 0.43 g/L，回收率为88.0%～110.0%，方法经植物国家一级标准物质验证，结果与标准值相符。

5.2新方法

5.2.1电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)：ICP-MS仪器主要由进样系统、离子源、接口和真空系统、离子透镜、池技术、质量分析器和检测器组成^[21]。ICP-MS是以独特的接口技术将电感耦合等离子体（ICP）的高温电离特性与四极杆质量分析器（MS）的快速灵敏度扫描的优点相结合而形成一种元素和同位素分析技术。试样由载气（氩气）引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形态进入等离子体中心区，在高温和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离，转化成带正电荷的正离子，经离子采集系统进入质谱仪，质谱仪根据质荷比进行分离，根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量。ICP-MS具有分析元素覆盖面广，多元素快速分析，检出限低，线性范围宽等优点，但运行费用高，需要在严格的环境条件下运行和操作仪器。胡清源^[22]等采用ICP-MS法同时测定烟草中17种微量元素，回收率90.27%～110.4%，发现同一品种不同地区、部位的烟叶中微量元素的含量存在一定的差别。温慧敏^[23]等采用ICP-MS法测定4种中药材中重金属含量，回收率为97.5%～108.0%，为不同产地不同种类的中药材中重金属含量测定提供了方法。

5.2.2电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)：ICP-AES是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。ICP-AES包括了三个主要的过程^[24]，即：由光源提供能量使样品蒸发形成气态原子，并进一步使气态原子激发而产生光辐射；将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线，形成光谱；用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不同，发射强度不同，可实现元素的定量测定。ICP-AES具有灵敏度高、选择性好、分析速度快、用量小、能同时进行多元素的定性和定量分析等优点，成为重金属分析中最常用的手段之一。但ICP-AES仪器价格昂贵，操作费用高，部分元素检出限较高，对有些元素优势并不明显。喻昕^[25]等采用FI-HG-ICP-AES对草珊瑚含片和银杏叶囊中砷和汞的量进行了测定，回收率分别为As102.6%，99.8%；Hg97%，98.2%，检出限为0.8 g/L，0.7 g/L。唐睿^[26]等用湿法硝酸-双氧水消解和ICP-AES法测定中药黄连中6种微量元素，回收率为92.5%～103.9%。

5.2.3高效液相色谱法（HPLC）：痕量金属离子与有机试剂形成稳定的有色络合物，然后用HPLC分离，紫外-可见检测器检测，可实现多元素同时测定。叶啉类试剂灵敏度高，能和多种金属元素生成稳定的络合物，目前已广泛用作HPLC测定金属离子的衍生试剂。但络合试剂的选择有限，给HPLC的广泛应用带来了局限性。杨亚玲^[27]等采用固相萃取富集-高效液相色谱对三七、牛角天麻、无根藤和虫草中的铜、镍、锡、镉、铅和汞进行测定，检出限分别为1.8、1.5、2.2、1.5、1.8、2.2 ng/L，回收率分别为98%、102%、103%、99%、96%、102%。

5.3微波消解技术在中药重金属检测中的应用

样品的前处理过程是仪器分析工作的前奏，其重要性不言而喻。尤其对于原子吸收光谱，有机基体在原子化阶段产生的背景吸收会在一定程度上影响灵敏度，降低信噪比。而中药中的重金属元素含量一般都很低，稍有污染或挥发损失，将会带来较大的误差，因此中药中微量重金属元素含量检测准确与否，关键问题是样品的前处理。

样品处理传统的方法主要有湿法消化和干法灰化。湿法消化是在适量的样品中加入硝酸、高氯酸、硫酸等氧化性强酸，结合加热来破坏有机物，在消化过程中产生大量的有害气体，危害性过大，且试剂用量也较多，空白值偏高；干法消化是在高温灼烧下，使有机物氧化分解，剩余无机物供测定，此法消化周期长，耗电多，被测成份易挥发损失，坩埚材料对被测成分也有吸留作用，致使回收率降低。70 年代中期，Abu-Aamara^[28]等开始利用微波技术进行生物样品湿法消解。此后30多年来，国内外对此进行过许多研究。微波消解（Microwave assisted digestion，MAD）技术克服了传统样品前处理方法的缺点，它具有简单、快速、节能、节省化学试剂、减轻环境污染、空白值低和劳动强度低等优点，是一种革新的样品处理技术。微波消解技术是目前测定中药中重金属元素的最佳前处理方法，重金属元素中的汞、砷等采用其他消解方法经常造成消解损失，微波消解技术可以弥补其他方法的此项不足。

5.3.1微波消解的原理

微波是频率在300MHz300GHz的电磁波。目前，微波消解仪器所使用的频率基本上都是 2450MHz。当微波通过试样时，极性分子随微波频率快速变换取向，分子每秒钟变换方向 2.4510⁹次，分子来回转动，与周围分子相互碰撞摩擦，分子的总能量增加，使试样温度急剧上升。同时，试液中的带电粒子（离子、水合离子等）在交变的电磁场中，受电场力的作用而来回迁移运动，也会与临近分子撞击，使得试样温度升高。

5.3.2微波消解的设备

微波消解设备主要由微波炉和消解罐组成。早期的微波消解系统一般就是一台经改造的微波炉，通过改变微波炉的功率使得消解容器内的压力随之发生变化。近年来，随着对实验自动化要求的不断提高，目前生产的微波消解系统都是由微波消解器和主控计算机组成。操作者只需在消解前设定好消解条件，系统启动后，整个消解过程都是在程序的控制下完成的，大大节省了实验的人力。由于绝大多数消解都是在高温高压且有强酸的存在下进行的，因此，用于消解的容器必须具有很好的化学稳定性。同时，用于制造消解容器的材料应当是微波辐射的绝缘体，即其吸收的微波功率很小，而可以使大部分的微波辐射通过。聚四氟乙烯 PFA（Teflon PFA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸醋、石英等均可作为消解器。从材质上讲，PTFE是最理想的消解材料，稳定性好，且能将消解过程中的污染降低到最低限度。但其成品价格昂贵，目前使用最多的是Teflon PFA材料的消解器。在密闭消解中，由于罐中压力最大可达十几个大气压，因此消解罐必需装有压力释放阀，以免在压力过大时发生危险。

6. 总结与展望

中药材在加工及贮藏过程中易出现虫蛀、发霉等现象，硫磺熏蒸能有效地防腐、防虫、杀菌，且成本低，操作简便，已广泛用于中药材的加工及贮藏。天麻经硫磺熏蒸后虽然能很大程度地解决虫蛀、发霉的问题，但硫磺熏蒸也会导致二氧化硫及有害重金属等的残留，对天麻品质、临床疗效及人体健康均造成极大影响与危害。因此，对硫熏天麻中重金属的残留量进行准确、有效的检测显得至关重要。

中药材重金属检测的常用方法比较

按照先进、标准、普及、适用的原则，我们采用原子吸收法对硫熏天麻中重金属的残留量进行检测，从而更深入地探究硫磺熏蒸对天麻中重金属残留量的影响，期望能够更好地指导天麻的加工，保证天麻商品的质量，为人类的身体健康作出贡献。

7. 参考文献

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3. 设计方案和技术路线

一、 研究方案

1. 实验的分组：将采收后的鲜天麻水洗除弃泥土，放于蒸笼中蒸至断面无白心，然后将其分成蒸法组、直接硫磺熏蒸组、五成干时熏蒸组、八成干时熏蒸组、直接熏蒸两次组、直接熏蒸三次组进行实验，得到各组的天麻样品。

2. 供试品溶液的制备：取各组的天麻样品，选择最佳的微波消解条件进行样品消解，制备各组的重金属供试品溶液。

3. 标准曲线的制备：分别制备铅、镉、铜、汞、砷的一系列不同浓度的标准溶液，采用原子吸收法进行测定，制备各重金属的标准曲线。

4. 重金属含量的检测：采用原子吸收法，选择最佳的原子吸收的仪器工作条件进行测定，从各重金属的标准曲线上读出各组供试品溶液中重金属的含量。

5. 数据处理：通过比较六组实验所得的数据，总结归纳出硫磺熏蒸对天麻中重金属残留量的影响。

二、

4. 工作计划

第一阶段：2022.01-02文献综述研究及实验方案制定；

第二阶段：2022. 03-04对各组供试品溶液的初步试验、实验条件选择；

第三阶段：2022.04-05对各组的重金属残留量进行实验研究；

5. 难点与创新点

1. 本实验研究采用石墨炉原子吸收法对各组天麻样品的重金属含量进行检测。该法利用石墨管高温下使样品原子化，通过炉内光路产生吸收的原理来测定。具有灵敏度高，一般可达到110^-9，选择性好，方法简便，分析速度快等优点，能够很好地检测出样品中的微量重金属。

2. 本实验研究通过对不同干燥程度、不同熏蒸次数的样品的实验数据进行分析，可以更深入地探究硫磺熏蒸对天麻中重金属残留量的影响，从而更好地指导天麻的加工，保证天麻商品的质量，确保人们的用药安全，为人类的身体健康作出贡献。

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