陰離子交換樹脂結(jié)合近紅外漫反射光譜測定碳酸飲料中日落黃

摘 要 采用強堿性陰離子交換樹脂富集飲料中的合成食用色素日落黃，用近紅外漫反射光譜技術(shù)直接測定富集有色素的樹脂。將34個模擬樣品建模，日落黃濃度范圍為0.05～1.2 g/L。以檸檬黃和亮麗春紅5R為干擾，經(jīng)偏最小二乘回歸建模，得到?jīng)Q定系數(shù)為0.9883，標準偏差為0.0187的穩(wěn)健模型。定量預測3種不同市售飲料中的日落黃，回收率分別為95.

1%， 105.8%和99.5%。富集使樣品的最小檢出濃度達到9.94 mg/L。方法提高了近紅外光譜技術(shù)的檢測靈敏度，實現(xiàn)了飲料中微量日落黃的定量測定。

關(guān)鍵詞 近紅外光譜； 陰離子交換樹脂； 富集； 日落黃； 碳酸飲料

2010-07-06收稿；2010-12-11接受

本文系長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室（延邊大學）開放課題科研基金資助項目

E-mail: xshao@nankai.edu.cn

1 引 言

近年來，食品安全越來越為人們所重視。食品添加劑的種類及用量已成為關(guān)注焦點。合成食用色素因其能改善食品的外觀且成本低廉而被廣泛應(yīng)用，但很多合成色素因具有潛在的毒性［1］，用量受到嚴格控制。對于合成食用色素的使用，各國都有相應(yīng)的標準［2］?，F(xiàn)有的合成色素測定方法有薄層色譜法［3］、伏安法［4］、極譜法［5］、分光光度法［6］、毛細管電泳法［7，8］、離子色譜法［2］及高效液相色譜法［2，9～11］等。

近紅外光譜技術(shù)作為一種快速、無損的分析手段被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、石油、食品及醫(yī)藥等領(lǐng)域［12～15］。然而，由于近紅外光譜分析方法的檢測靈敏度較低，難以用于微量組分的檢測。本研究采用強堿性陰離子交換樹脂富集飲料中的日落黃，利用近紅外漫反射光譜技術(shù)對吸附有目標物的樹脂直接檢測，通過偏最小二乘回歸建立定量模型，對碳酸飲料中的日落黃定量分析。本方法提高了近紅外光譜分析方法的檢測靈敏度，且無需色素與吸附劑的分離，具有快速、簡便的優(yōu)點。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Vertex 70傅立葉變換多波段紅外/近紅外光譜儀（德國Bruker公司）；近紅外漫反射積分球（德國Bruker公司）；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城儀器公司）；WE-3水浴恒溫振蕩器（天津歐諾儀器設(shè)備公司）；FE20臺式pH計（梅特勒-托利多公司）；高效液相色譜儀（美國Waters公司）。

DIAION SA10A強堿性陰離子交換樹脂（≤24目，北京綠百草科技發(fā)展有限公司）；合成食用色素日落黃、檸檬黃、亮麗春紅5R（純度≥85%，上海晶純試劑有限公司）；NaOH（分析純，天津市北方天醫(yī)化學試劑公司）；聚酰胺（用于層析，200目，石家莊偉天科學儀器設(shè)備有限公司）；碳酸飲料樣品購自超市。

2.2 樣品的制備

準確稱取日落黃，制得10 g/L標準儲備液。移取標準儲備液，加入結(jié)構(gòu)相近的合成色素檸檬黃和亮麗春紅5R，作為干擾組分；將不含色素的碳酸飲料超聲脫氣，并以NaOH調(diào)至pH 6，作為溶劑，將上述儲備液稀釋并定容至100 mL，日落黃、檸檬黃及亮麗春紅5R的濃度范圍分別為0.05～1.2 g/L， 0.05～1.1 g/L和0.049～0.59 g/L。根據(jù)D-最優(yōu)化設(shè)計，得到上述濃度范圍內(nèi)分布的10個濃度梯度的34個建模集樣品。

將3種含有日落黃的市售碳酸飲料各2000 mL超聲脫氣，除去CO2，以NaOH調(diào)至pH 6，得到預測集樣品。預測集樣品采用中華人民共和國國家標準 GBT 5009.35 2003［12］，以聚酰胺為吸附劑，采用高效液相色譜法進行定量分析。

2.3 色素的富集

將建模集樣品溶液轉(zhuǎn)移至盛有2 g SA10A吸附劑的錐形瓶中，于70℃水浴中，以140 r/min振蕩30 min，真空過濾。將吸附有3種合成色素的吸附劑在室溫（25℃）放置2 h，用于近紅外漫反射光譜采集；另取上述3種預測集樣品，加入2 g SA10A吸附劑進行富集和分離，用于光譜采集。

2.4 光譜采集

采用近紅外漫反射積分球附件，在9500～4000 cm－1光譜范圍內(nèi)，以金鏡為背景，鹵素-鎢燈為光源，使用PbS檢測器采集上述樣品的近紅外光譜。分辨率為4 cm－1，掃描次數(shù)為64。

第6期李積慧等： 陰離子交換樹脂結(jié)合近紅外漫反射光譜測定碳酸飲料中日落黃

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附條件的優(yōu)化

合成食用色素日落黃、檸檬黃和亮麗春紅5R均為含有磺酸根的芳香族偶氮類化合物，在中性水溶液中，化合物易溶解，并以磺酸鹽陰離子的形式穩(wěn)定存在。磺酸鹽陰離子與具有CH2（CH3）3N＋（OH）－官能團的強堿性陰離子交換樹脂SA10A產(chǎn)生靜電作用，使色素被富集。與聚酰胺［12］相比，SA10A吸附容量達到330 mg/g。因此，本實驗選用DIAION SA10A作為吸附劑。

在實驗過程中，根據(jù)不同量吸附劑光譜的均方根誤差［15］，吸附劑用量選擇為2 g。

研究發(fā)現(xiàn)，吸附過程為吸熱反應(yīng)。在25℃條件下，將100 mL含有0.6012 g/L日落黃、0.3951 g/L亮麗春紅5R和0.6012 g/L檸檬黃的溶液同時加入到盛有2.0 g SA10A樹脂的錐形瓶中， 圖1 吸附時間隨吸附溫度變化曲線

Fig．1 Variation of adsorption time with temperature振蕩吸附5 h，肉眼觀察可見明顯的色素殘留，吸附不完全。此外，分別在50， 60， 65， 70及75℃條件下，上述濃度的色素以2.0 g SA10A樹脂為吸附劑，采用分光光度法在481.0， 426.5和506.5 nm處測得溶液吸光度分別為0.004，0003和0.003，可認為3種色素均吸附完全。圖1為吸附時間隨溫度變化的關(guān)系。隨著溫度的提高，吸附速度逐漸加快，吸附時間逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在70℃時，吸附時間為23 min。因此，富集過程的溫度確定為70℃。

溶液的pH值直接影響色素的電離程度和離子交換樹脂的離子存在形式，進而影響吸附反應(yīng)進行的程度和時間。飲料脫氣后，pH≈3.0，70℃時，上述濃度的色素被完全吸附需95 min。 圖2 經(jīng)FIR，CWT處理后的近紅外漫反射光譜圖

Fig．2 Fourier transform near infrared spectra treated by finite impulse response （FIR） and continuous wavelet transform（CWT）

以NaOH調(diào)節(jié)飲料至pH 6.0，相同條件下，色素被完全吸附所需時間為23 min，反應(yīng)速度明顯提高。因此實驗過程保持pH＝6.0。

3.2 模型的建立及驗證

建模集和預測集樣品近紅外漫反射光譜采用有限脈沖響應(yīng)（FIR）、連續(xù)小波變換（CWT）近似求導進行預處理，用于扣除光譜背景、噪聲的干擾。處理后的光譜如圖2所示。

在9500～4000 cm－1光譜范圍內(nèi)，偏最小二乘回歸用于建立定量模型。模型的因子數(shù)通過留一交叉驗證得到，其預測殘差平方和（PRESS）隨因子數(shù)變化（圖3）。隨著因子數(shù)的增加，預測殘差平方和快速減小。當因子數(shù)>4時，PRESS變化趨于平緩；因子數(shù)由4到6，PRESS 值略有降低。結(jié)合圖3，考慮樣品中多種干擾組分的存在，本研究模型因子數(shù)選擇5。

圖4為建模集34個樣本的濃度預測值和參考值之間的相關(guān)圖。模型的決定系數(shù)（R2）為0.9883，標準偏差（SD）為0.0187。為了驗證模型的預測精度，使用3個飲料樣品對所建立的偏最小二乘模型進行檢驗。表1列出了樣品中日落黃的參考濃度、預測濃度及回收率。由表1可知，日落黃的回收率分別為95.0%，105.8%和99.5%。

圖3 模型的PRESS隨因子數(shù)變化的關(guān)系圖

Fig．3 Variation of prediction residual error sum of squares（PRESS） with number of latent variable

圖4 建模集34個樣品濃度預測值與參考值之間的關(guān)系圖

Fig．4 Relationship between the predicted value and reference

結(jié)果表明，強堿性陰離子交換樹脂結(jié)合近紅外漫反射光譜技術(shù)可以用于飲料中的合成食用色素日落黃的定量分析。本方法提高了近紅外漫反射光譜技術(shù)的檢測靈敏度，在同類色素干擾情況下，能得到穩(wěn)健的定量模型和滿意的回收率。

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Determination of Sunset Yellow in Carbonated Drinks by Anion Exchange

Resin in Combination with Near Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy

LI Ji-Hui， DU Guo-Rong， KANG Jun， CAI Wen-Sheng， SHAO Xue-Guang

（College of Chemistry， Nankai University， Tianjin 300071）

Abstract Synthetic colorant sunset yellow in carbonated drinks was enriched by alkaline anion exchange resin， and of the resin with adsorbate was measured directly by near infrared diffuse reflectance spectroscopy （NIDRS）. Then the calibration model was built by partial least squares （PLS）regression with 34 spiked samples and the concentrations were in the range of 0.05－1.2 g/L. The coefficient of determination （R2） and standard deviation of the calibration model were 0.9883 and 0.0187， respectively. Meanwhile， three concentrated commercial drinks with sunset yellow were used for validation and the recoveries of sunset yellow were 95.01%， 105.8% and 99.54%. As a result， the trace amount of sunset yellow in commercial samples with interference was quantitatively detected and the sensitivity of near infrared spectroscopy technology was improved by this preconcentration method.

Keywords Near infrared spectroscopy; Anion exchange resin; Preconcentration; Sunset yellow; Carbonate drinks

（Received 6 July 2010; accepted 11 December 2010）