組合分析法檢測(cè)小麥粉中4種非法添加物

孫興權(quán)，曾 澤，趙景紅，王秋艷，張建華，董偉峰，林維宣，*

(1.遼寧出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心，遼寧大連116001;2.中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)遼寧有限公司，遼寧大連116001)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)僅次于稻谷的第二大糧食品種，小麥粉(俗稱面粉)是小麥的主要加工品，在人們的飲食結(jié)構(gòu)中占有很大的比重，可以制作成饅頭、面條、包子、餃子等深受廣大群眾喜愛的傳統(tǒng)食品。面粉質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到下游面食制品的質(zhì)量，同時(shí)也關(guān)系到消費(fèi)者的身心健康和經(jīng)濟(jì)利益，是目前公眾關(guān)注的食品安全熱點(diǎn)問題之一。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，有些商家和商販為了牟取暴利，不惜在面粉中非法摻入大量大白粉、石膏粉和滑石粉等物質(zhì)，在增加份量的同時(shí)還可以使面粉雪白好看而好賣。2011年，衛(wèi)生部等部門出臺(tái)了禁止生產(chǎn)和在面粉中添加增白劑過氧化鈣的規(guī)定，而添加了過氧化鈣和大白粉、石膏粉、滑石粉等物質(zhì)的面粉一般感官方法不易鑒別，相關(guān)檢測(cè)多為自動(dòng)化程度和靈敏度均較低的滴定分析實(shí)驗(yàn)和鑒別反應(yīng)［1－5］，且以面粉中滑石粉的研究居多。面粉中滑石粉的其他檢測(cè)方法涉及到X射線衍射分析法［6－7］，太赫茲光譜法［8］，微波消解－電感耦合等離子發(fā)射光譜法［9］，傅里葉變換－紅外光譜法［10］和火焰原子吸收法［11］等，而對(duì)于其他三種添加物目前我國(guó)尚缺乏相關(guān)的有效檢測(cè)方法。為避免過氧化鈣在市場(chǎng)上再次出現(xiàn)，以及其他非法添加物的濫用，本文以過氧化鈣(CaO2)、大白粉(主成分碳酸鈣，CaCO3)、石膏粉(主成分硫酸鈣，CaSO4)和滑石粉(主成分含水硅酸鎂(3MgO·4SiO2·H2O)為研究對(duì)象，通過多種方法組合分析的研究模式建立了一種可以快速分辨和確證小麥粉中該類物質(zhì)的檢測(cè)分析方法。

表1 XRF測(cè)試條件Table 1 The test condition of XRF

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酚酞(0.1%乙醇溶液);pH試紙(1～14);過氧化鈣、魯米諾、纖維素粉 阿拉丁試劑(上海)有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、硼酸、氧化鈣 分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;鐵氰化鉀 分析純，沈陽(yáng)市試劑二廠;大白粉、石膏粉、滑石粉 市售;實(shí)驗(yàn)用水 Mill－Q純水儀制備;小麥粉 購(gòu)自于超市。

馬弗爐 日本YAMATO公司;可調(diào)萬用電爐龍口市先科儀器有限公司;暗箱 自制;YYJ－40型半自動(dòng)壓樣機(jī) 長(zhǎng)春邁維儀器設(shè)備有限公司;SRS3400型X射線熒光光譜儀 德國(guó)布魯克公司;DMAX－2200型X射線衍射儀 日本理學(xué)株式會(huì)社;Mill－Q純水儀 美國(guó)Millipore公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酸堿度分辨篩選法 a.稱取試樣5g，加水200mL，攪拌2min，過濾后使用精密 pH試紙、酚酞(0.1%乙醇溶液)進(jìn)行酸堿度測(cè)試。b.稱取試樣100g，高溫灰化(1000℃，2h)后，加水 10mL，攪拌2min，過濾后使用精密pH試紙、酚酞(0.1%乙醇溶液)進(jìn)行酸堿度測(cè)試。

1.2.2 魯米諾化學(xué)發(fā)光法［12］將試樣10g放入燒杯中，加入50mL水?dāng)嚢?，加?mL鹽酸溶液(1+3，v/v)，輕微攪拌約3s，立即加入2mL氫氧化鈉溶液(20%)，攪拌，再加入3mL魯米諾溶液，攪拌，將燒杯放入暗箱中，加入少量鐵氰化鉀后，攪拌觀察。

1.2.3 灰分的測(cè)定［13］稱取試樣100g，均勻分布在預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，試樣完全炭化后轉(zhuǎn)入馬弗爐中550℃灰化4h，冷卻至室溫后準(zhǔn)確稱重。

1.2.4 灰分X射線熒光全元素分析法(XRF)［14］將試樣灰分與纖維素(1+1，w/w)充分混勻，用硼酸作為外殼壓片成型后，上XRF儀測(cè)定，測(cè)試條件見表1。

1.2.5 灰分X射線晶體衍射法(XRD)［15］將試樣灰分裝入有凹槽的玻片上，壓緊使其上表面平整后，上XRD儀測(cè)定。測(cè)試條件為:Cu靶型，固體探測(cè)器，管壓40kV;管流46A;發(fā)散狹縫:1mm;散射狹縫:1mm;接受狹縫:0.1mm;分段掃描，掃描范圍(2θ):5°～60°;采樣步寬:0.02°/步;掃描速度:4°/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 半定量限值的選擇和確定

根據(jù)我國(guó)以往允許在小麥粉加工中使用的過氧化鈣最大使用限量為500mg/kg，即0.05%，美國(guó)食品化學(xué)品法典(FCC)第五版(2004)規(guī)定食品級(jí)石膏粉在谷類產(chǎn)品和面點(diǎn)制品中的推薦最大用量為0.5%，和按照糧食加工業(yè)的國(guó)際慣例，在磨麥子等糧食加工過程中，為防止粉碎機(jī)生熱使得糧食粘連機(jī)子，作為分散劑的滑石粉加入量在2%～3%的范圍，本文選擇0.05%過氧化鈣，0.5%石膏粉，2%滑石粉為界限，半定量地測(cè)定其在小麥粉中的存在情況。對(duì)于大白粉，雖然其主要成分碳酸鈣已作為面粉增白劑過氧化苯甲酰的稀釋劑而不得在面粉中添加，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化小麥粉》［16］規(guī)定:碳酸鈣在面粉中添加量為4～8g/kg，主要用于強(qiáng)化補(bǔ)鈣。鑒于此，選擇0.5%大白粉作為其在面粉中的半定量限值。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在以上半定量限值下，本文所建方法和儀器測(cè)試樣品的靈敏度可以達(dá)到要求。

2.2 酸堿度分辨篩選法

通過對(duì)小麥粉，分別摻雜0.05%過氧化鈣，0.5%大白粉，0.5%石膏粉和2%滑石粉的小麥粉等五組研究對(duì)象進(jìn)行酸堿度測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:小麥粉和分別摻雜石膏粉、大白粉的小麥粉水溶液顯中性。摻雜滑石粉的小麥粉酸堿度在pH8左右，加酚酞試劑不變色。添加過氧化鈣的小麥粉水溶液顯堿性，加酚酞變色。在理論上，根據(jù)小麥粉組成和理化性質(zhì)，其水溶液酸堿度應(yīng)該呈中性。而碳酸鈣和硫酸鈣因水溶性差，所以二者的水溶液也呈中性。對(duì)于滑石粉，根據(jù)美國(guó)食品化學(xué)法典，其1∶10與水混合后的 pH 為 7.0～10.8，呈堿性［17］，而對(duì)于過氧化鈣，其與水1∶100混合后的pH為12.0左右［18］。由此可見，過氧化鈣比滑石粉具有更強(qiáng)的堿性，而酚酞變色范圍是pH8.2～10.0，所以對(duì)于同樣稀釋倍數(shù)并有小麥粉基質(zhì)存在的情況下，會(huì)出現(xiàn)添加過氧化鈣小麥粉的水溶液加酚酞后變色，而添加滑石粉小麥粉的水溶液不變色的現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步將水溶液pH呈中性的小麥粉和分別摻雜大白粉和石膏粉的小麥粉分辨開來，可將三者進(jìn)行高溫灰化(1000℃，2h)處理，小麥粉灰化產(chǎn)物中無顆粒物出現(xiàn)，而其他兩試樣灰化產(chǎn)物中則發(fā)現(xiàn)有少量白色粉末顆粒存在，將殘?jiān)芙夂?，加大白粉的水溶液顯堿性，加石膏粉的為中性。這主要是因?yàn)楦邷叵滦←湻鬯袡C(jī)物和相對(duì)含量較高的K和P等無機(jī)物基本完全耗盡，而大白粉灰化產(chǎn)物主要為氧化鈣，其在水中的酸堿度為堿性，石膏粉灰化產(chǎn)物主要為硫酸鈣，其在水中溶解度較低，所以酸堿度為中性。分析判斷流程圖見圖1。

圖1 小麥粉及含有4種非法添加物小麥粉的酸堿度分析判斷流程圖Fig.1 The pH value analysis flow chart of wheat flour and wheat flour containing 4 illegal additives

2.3 魯米諾化學(xué)發(fā)光法

通過魯米諾反應(yīng)觀察試樣小麥粉是否產(chǎn)生熒光來判定其是否具有氧化性，結(jié)果表明:添加0.05%過氧化鈣的小麥粉產(chǎn)生了較為明顯的藍(lán)色熒光，其他試樣則無發(fā)光現(xiàn)象。

魯米諾化學(xué)發(fā)光反應(yīng)能否發(fā)生主要取決于活性氧的生成條件。實(shí)際操作中，控制樣品的狀態(tài)為半流體粘稠糊狀是實(shí)驗(yàn)控制關(guān)鍵點(diǎn)。添加有0.05%過氧化鈣的小麥粉充分混合均勻后，加入少量水使其成半流體粘稠糊狀。再加入少量稀鹽酸，以使試樣中的過氧化鈣在酸性條件下釋放過氧化氫。2～3s之后迅速加入一定的堿液，在終止上述化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)為下一步的魯米諾反應(yīng)提供一定的堿性環(huán)境，然后攪拌均勻。以上整個(gè)過程中保持樣品為半流體粘稠糊狀，主要是為了對(duì)加酸后生成的過氧化氫有一定的保留作用，減緩其釋放活性氧的速度，從而控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。然后加入魯米諾試劑，再加入少量催化劑—鐵氰化鉀固體粉末，立即將整個(gè)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)體系置于暗箱中，邊攪拌邊觀察。起初燒杯中的樣品局部即有隱隱藍(lán)色熒光出現(xiàn)，后續(xù)隨著攪拌幅度的加大，整個(gè)燒杯均呈現(xiàn)藍(lán)色。

雖然過氧化苯甲酰也可以發(fā)生同樣的魯米諾化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，但其不溶于水，酸堿度為中性，加酚酞不變色。所以，通過以上魯米諾反應(yīng)，再結(jié)合前面的酸堿度測(cè)試實(shí)驗(yàn)基本可以判定小麥粉中是否加入了過氧化鈣。

2.4 灰分測(cè)試

不同分級(jí)指標(biāo)小麥粉的灰分范圍為0.70%～1.40%［19］，如果超過1.40%的閾值則提示小麥粉中含有外來物質(zhì)，可以以此作為判斷小麥粉中是否存在外來添加物的判斷指標(biāo)。結(jié)果表明，含有4種非法添加物小麥粉的灰分均超過閾值，灰化過程中應(yīng)注意加熱速度不可太快，以防爆燃。為了減少小麥粉基質(zhì)效應(yīng)的影響，同時(shí)對(duì)待測(cè)物進(jìn)行一定的富集，以提高檢測(cè)靈敏度，所以后續(xù)儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)選用試樣的灰分進(jìn)行。

2.5 灰分X射線熒光全元素分析法(XRF)

XRF法是通過試樣對(duì)X射線的吸收隨其中所含成分及含量多少而變化來定性或定量的。試樣灰分經(jīng)粉末壓片后進(jìn)行XRF測(cè)定，對(duì)于相對(duì)含量小于10%的元素未列出，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:小麥粉灰分中主要存在K、P兩種元素。與小麥粉灰分元素組成相比，分別添加0.05%過氧化鈣和0.5%大白粉小麥粉的灰分中除K、P外，均有鈣含量增高的現(xiàn)象，且后者增高幅度較大，提示試樣中添加有含有鈣元素的物質(zhì)，且后者含量較高;而添加0.5%石膏粉小麥粉的灰分則出現(xiàn)鈣和硫兩種元素含量增高的情況，提示試樣中添加有含有鈣元素和硫元素的物質(zhì)，且二者相對(duì)含量比值與CaSO4中的鈣硫含量比值相近;添加0.5%滑石粉小麥粉的灰分除K、P外，鎂和硅兩種元素的含量增高，提示試樣中添加有含有鎂元素和硅元素的物質(zhì)，且二者相對(duì)含量比值與滑石中的鎂硅含量比值相近。

通過以上XRF實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本可以判定出分別添加0.5%石膏粉和2%滑石粉的小麥粉，但不能判定分別添加過氧化鈣和碳酸鈣的小麥粉，二者可通過X射線衍射法(XRD)從晶體結(jié)構(gòu)角度來進(jìn)行分辨分析。

2.6 灰分X射線晶體衍射法(XRD)

XRD主要用于非金屬無機(jī)物的鑒別，一般通過衍射特征三強(qiáng)線的d值來判斷其組成和結(jié)構(gòu)。分別對(duì)小麥粉和含有半定量限值非法添加物的小麥粉進(jìn)行灰化處理，所得灰分在保證顆粒方向隨機(jī)分布的同時(shí)，在有凹槽的玻片上用載玻片壓緊壓平，上XRD儀測(cè)定，結(jié)果見圖2～圖5。

表2 小麥粉及含有4種非法添加物小麥粉的XRF分析結(jié)果Table 2 XRF analysis results of wheat flour and wheat flour containing 4 illegal additives

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)過氧化鈣的安全性評(píng)估結(jié)果，當(dāng)小麥粉中添加過氧化鈣的量超過20%時(shí)，在灰化過程中會(huì)產(chǎn)生明顯的燃燒現(xiàn)象，因此在圖2所示各灰分的XRD對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，采用過氧化鈣的理論熱分解產(chǎn)物氧化鈣代替過氧化鈣灰分進(jìn)行相應(yīng)的比對(duì)，結(jié)果表明效果良好。由圖2可見，與小麥粉灰分響應(yīng)相比，含有0.05%過氧化鈣小麥粉的灰分及CaO均出現(xiàn)特征峰，且二者特征三強(qiáng)線的d值和相對(duì)強(qiáng)度相近，與PDF卡給出的標(biāo)準(zhǔn)值相符(見表3)，提示二者為同一物質(zhì)。

圖2 小麥粉、含有0.05%過氧化鈣小麥粉的灰分和氧化鈣三者的XRD對(duì)比圖Fig.2 XRD of the ash of flour blank，flour containing 0.05%calcium peroxide and calcium oxide

由圖3可見，與小麥粉灰分響應(yīng)相比，含有0.5%大白粉小麥粉的灰分及CaCO3均出現(xiàn)特征峰，且二者特征三強(qiáng)線的d值和相對(duì)強(qiáng)度相近，與PDF卡給出的標(biāo)準(zhǔn)值相符(見表3)，提示二者為同一物質(zhì)。

圖3 小麥粉、含有0.5%大白粉小麥粉的灰分和大白粉灰分三者的XRD對(duì)比圖Fig.3 XRD of the ash of flour blank，flour containing 0.5%calcium carbonate and big white powder

由圖4可見，與小麥粉灰分響應(yīng)相比，含有0.5%石膏粉小麥粉的灰分及CaSO4均出現(xiàn)特征峰，且二者特征三強(qiáng)線的d值和相對(duì)強(qiáng)度相近，與PDF卡給出的標(biāo)準(zhǔn)值相符(見表3)，提示二者為同一物質(zhì)。

由圖5可見，與小麥粉灰分響應(yīng)相比，含有2%滑石粉小麥粉的灰分及滑石均出現(xiàn)特征峰，且二者特征三強(qiáng)線的d值和相對(duì)強(qiáng)度相近，與PDF卡給出的標(biāo)準(zhǔn)值相符(見表3)，提示二者為同一物質(zhì)。

圖4 小麥粉、含有0.5%石膏粉小麥粉的灰分和石膏粉灰分三者的XRD對(duì)比圖Fig.4 XRD of the ash of flour blank，flour containing 0.5%gypsum powder and gypsum powder

圖5 小麥粉、含有2%滑石粉小麥粉的灰分和滑石粉灰分三者的XRD對(duì)比圖Fig.5 XRD of the ash of flour blank，flour containing 2%talc powder and talc powder

表3 小麥粉中4種非法添加物灰分的d值和相對(duì)衍射峰強(qiáng)度(I%)Table 3 The d values and relative diffraction peak intensities of the ash of 4 illegal additives in wheat flour

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:小麥粉灰分響應(yīng)值很低，幾乎沒有特征峰出現(xiàn)，對(duì)含有過氧化鈣、大白粉、石膏粉和滑石粉的小麥粉灰分的測(cè)定不產(chǎn)生干擾。通過與PDF卡給出的標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，小麥粉中過氧化鈣、大白粉、石膏粉和滑石粉的灰化產(chǎn)物分別為 CaO、CaCO3、CaSO4和滑石，其X射線衍射峰d值均在標(biāo)準(zhǔn)值±1%誤差范圍內(nèi)。

通過樣品空白和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比對(duì)，XRD法可以從晶體結(jié)構(gòu)角度對(duì)4種非法添加物進(jìn)行準(zhǔn)確定性，同時(shí)還可以通過所設(shè)的半定量限值對(duì)其進(jìn)行半定量分析。

3 結(jié)論

本文以分別摻雜0.05%過氧化鈣、0.5%大白粉、0.5%石膏粉和2%滑石粉的小麥粉為研究對(duì)象，根據(jù)其酸堿度、氧化性、元素組成和晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異的特性，組合運(yùn)用酸堿度測(cè)試篩選、魯米諾化學(xué)發(fā)光測(cè)試、灰分測(cè)試，以及灰分的X射線熒光全元素分析(XRF)和X射線晶體衍射分析(XRD)等多種分析手段對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行了定性分析和半定量分析。所建立方法簡(jiǎn)便易行，準(zhǔn)確高效，可以在我國(guó)面粉加工行業(yè)的規(guī)范化生產(chǎn)和保護(hù)消費(fèi)者合法權(quán)益等方面提供一定的技術(shù)支持和幫助。

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