氧彈量熱儀測定食品熱量

曲世超 陳 溪 黃大亮 崔 晗 沈葆真 崔 妍

(大連出入境檢驗(yàn)檢疫局 遼寧莊河 116400)

1 前言

營養(yǎng)標(biāo)簽是向消費(fèi)群體提供食品營養(yǎng)特性的描述，包括營養(yǎng)成分標(biāo)識和營養(yǎng)補(bǔ)充信息。它顯示了食品的營養(yǎng)特性與相關(guān)信息，是消費(fèi)者了解食品營養(yǎng)組成和特征的主要途徑，從而引導(dǎo)消費(fèi)者合理選擇食品，進(jìn)而改善消費(fèi)者膳食結(jié)構(gòu)，提高消費(fèi)者身體素質(zhì)。目前世界各國的預(yù)包裝食品管理?xiàng)l例比以前更加完善，美國、歐盟、日本、韓國、澳大利亞、加拿大和巴西等國的標(biāo)簽法規(guī)對進(jìn)口食品標(biāo)簽上各種指標(biāo)的誤差值要求非常嚴(yán)格，這也意味著對進(jìn)出口檢測單位的檢驗(yàn)水平和能力有了更高的要求［1］。

按照《預(yù)包裝食品營養(yǎng)標(biāo)簽通則》［2］要求，食品營養(yǎng)標(biāo)簽的幾個(gè)重要指標(biāo)應(yīng)該包括能量、蛋白質(zhì)、脂肪、有效碳水化合物、鈉。做為核心營養(yǎng)成分之一的熱量，成為了消費(fèi)者關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著生活質(zhì)量的提高，人們對食品的營養(yǎng)成分更加講究。同時(shí)為了減輕體重，防止疾病，健康飲食，人們也更加重視控制食品中的熱量，低熱量的物質(zhì)受到了關(guān)注。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)中有固體和液體燃料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［3］，其中的第二部分就包括了氧彈量熱儀測定熱量的方法;美國也有氧彈量熱儀測定液態(tài)烴類燃料熱值的方法［4］，可見氧彈式量熱儀在國際上的使用是比較廣泛的。而國家標(biāo)準(zhǔn)《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》［5］中規(guī)定的熱量需要用蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、乙醇、有機(jī)酸、膳食纖維這六種營養(yǎng)標(biāo)簽指標(biāo)來換算。這種換算法勞動強(qiáng)度大，操作時(shí)間長，測定時(shí)的樣品及易耗品用量很大，而且這些成分換算出的結(jié)果也會有一定的偏差。本文采用了IKA C2000量熱儀測定食品中能量的儀器法，把樣品分別進(jìn)行凍干和烘干后進(jìn)行檢測，與此同時(shí)，與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。

2 材料與方法

2.1 材料

IKA C2000氧彈量熱儀及其配件購于德國IKA公司;自動水控制系統(tǒng):包括溫度調(diào)節(jié)、量熱儀內(nèi)桶注水和排空;萬分之一天平購于德國sartorius公司;自動充氧式分解氧彈。

2.2 方法

2.2.1 樣品前處理

本實(shí)驗(yàn)用原料魚肉作為樣品進(jìn)行檢測，取足量的鱈魚分別進(jìn)行凍干和烘干處理，烘干樣品待冷卻后進(jìn)行均質(zhì)，放置于干燥器中。

2.2.2 儀器條件及操作步驟

2.2.2.1 儀器條件

自動水控制系統(tǒng)溫度為20℃且室內(nèi)溫度控制在20℃ －22℃之間，室內(nèi)濕度控制在80%以下。測定模式分為4種:周邊等溫25℃，周邊等溫為30℃，快速動態(tài)25℃，快速動態(tài)30℃(本實(shí)驗(yàn)測定樣品時(shí)使用周邊等溫25℃)。

2.2.2.2 操作步驟

2.2.2.2.1 開機(jī)及系統(tǒng)軟件設(shè)置

開機(jī)前先將氧氣瓶打開，調(diào)節(jié)氧氣至32bar。打開電腦后將軟件語言選為中文，設(shè)定好儀器條件后進(jìn)入C2000系統(tǒng)，選擇周邊等溫25℃(周邊等溫方法具有測量結(jié)果更準(zhǔn)確、穩(wěn)定等特點(diǎn)，而快速動態(tài)方法則適合大批量檢測，與周邊等溫相比的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間，測定速度快，但相對來說準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性稍差)，調(diào)節(jié)至稱量。

2.2.2.2.2 稱量

在萬分之一天平上用小鐵坩堝稱量1.000g(±0.010g)樣品(因?yàn)榉纸庋鯊椏沙惺艿臒崃孔畲蟛荒艹^40000J，所以不能燃燒的物質(zhì)一般取1g樣品比較適中)，穩(wěn)定后按傳輸鍵，待C2000系統(tǒng)出現(xiàn)稱量質(zhì)量后將坩堝拿出。

2.2.2.2.3 安裝氧彈

將坩堝放在氧彈燃燒架上，將棉線套在架上并將另一頭埋入樣品中，然后把燃燒架放入氧彈，將外套擰上(注意不要擰太緊，以免實(shí)驗(yàn)結(jié)束打不開)。

2.2.2.2.4 樣品燃燒

將氧彈固定在量熱儀的懸掛架上，在電腦系統(tǒng)上點(diǎn)開始實(shí)驗(yàn)，懸掛架開始下降到量熱儀內(nèi)，這時(shí)馬上晃動一下氧彈，聽到氧氣針扎進(jìn)去且氧彈固定就說明成功注入氧氣，整個(gè)燃燒過程約持續(xù)22min。

2.2.2.2.5 讀數(shù)與處理

燃燒結(jié)束后懸掛架自動升起，電腦系統(tǒng)上也會自動出現(xiàn)結(jié)果，讀數(shù)并保存。然后將氧彈摘下，在通風(fēng)櫥中用排氣針扎入排廢氣，按原順序?qū)⒀鯊棽鹦稕_洗晾干即可，小坩堝洗刷后可反復(fù)使用。

3 結(jié)果與討論

3.1 儀器原理

從量熱儀所測量的熱量來說，有兩種，一種是恒容條件下測量的，在等容條件下，若體系不做功，則體系的內(nèi)能與等容過程中體系所獲得的熱量是相同的，如我們使用的氧彈式量熱儀所測量的就是等容過程的熱效應(yīng);另一種是等壓條件下測量的，如中和反應(yīng)的熱效應(yīng)就是等壓過程的熱效應(yīng)［6］。

量熱儀測定法是利用樣品在氧彈中燃燒產(chǎn)生的熱量使周圍固定溫度的水上升的溫度來自動換算出樣品的能量。這種直接測定食品中的熱量，方法簡便、準(zhǔn)確、減少了消耗、縮短了操作時(shí)間，從而大大減少檢測人員的勞動強(qiáng)度。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 凍干鱈魚6次實(shí)驗(yàn)的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

表2 烘干鱈魚6次實(shí)驗(yàn)的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

通過表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，凍干鱈魚平均值比烘干鱈魚稍大，但數(shù)據(jù)比較接近，說明凍干和烘干樣品的熱量基本都沒有流失。因此在實(shí)驗(yàn)過程中對于樣品可以進(jìn)行凍干處理，也可以進(jìn)行烘干處理，差異不大，且RSD%滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.3 與《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》中規(guī)定的換算結(jié)果對比

3.3.1 材料、試劑耗費(fèi)量的比對

使用量熱儀檢測時(shí)只需要量熱儀主機(jī)、自動水控制系統(tǒng)以及電腦系統(tǒng)正常開機(jī)檢測即可，且測定只需要約1g樣品。

《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》中規(guī)定的換算法則需要同時(shí)檢測蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維以及灰分。這就需要大量的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿試劑和有機(jī)溶劑，例如:濃硫酸、氫氧化鈉、硫酸鉀、硫酸銅、硼酸、乙醚、乙醇、丙酮、硅藻土、酶試劑包(蛋白酶、α淀粉酶)等。還需要一些測定裝置和輔助性儀器，例如凱氏定氮儀、索氏抽提裝置、膳食纖維專用過濾器、磁力攪拌器等、馬弗爐等。而且測定這4種營養(yǎng)標(biāo)簽中指標(biāo)需要至少15g樣品。

由此來看，使用量熱儀方法測定食品中熱量比《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》要求的換算法節(jié)約能源以及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、酶等試劑和有機(jī)溶劑等易耗品。

3.3.2 操作時(shí)間的比對

使用量熱儀測定食品中熱量時(shí)，從開機(jī)到后續(xù)清洗和關(guān)機(jī)工作中只需要約40min的時(shí)間。而按照《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》規(guī)定的換算法測定蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維和灰分時(shí)，則至少需要2d時(shí)間才能完成，且后續(xù)整理數(shù)據(jù)以及計(jì)算工作也比較復(fù)雜，所以量熱儀測定法比國標(biāo)換算法節(jié)約檢測人員的勞動時(shí)間，也大大減少了檢測人員的勞動強(qiáng)度。

3.3.3 測量與計(jì)算結(jié)果的比對

國家標(biāo)準(zhǔn)《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》中熱量的換算方法如下(單位以kJ/100g計(jì)):

表3 食品中產(chǎn)能營養(yǎng)素的能量折算系數(shù)［5］

由于鱈魚中乙醇和有機(jī)酸含量可以忽略不計(jì)，因此鱈魚中熱量的計(jì)算方法可以表示為(單位以kJ/100g計(jì)):熱量=蛋白質(zhì)×17+脂肪×37+碳水化合物×17+膳食纖維×8。

碳水化合物在《食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范》中也是由計(jì)算所得，具體換算方法如下:在100g樣品中，碳水化合物=100g－蛋白質(zhì)－脂肪－膳食纖維－灰分－水分(由于本實(shí)驗(yàn)樣品都是經(jīng)過干燥處理及儲存的，所以水分可以忽略不計(jì))。

其他如:蛋白質(zhì)測定中使用的是凱氏定氮法［7］、脂肪測定中使用的是索氏抽提法［8］、膳食纖維測定中使用的是酶消解法［9］、灰分測定中使用的是灼燒法［10］，均是通過樣品檢測后得到的數(shù)據(jù)。

對2.2測定的同一樣品(凍干和烘干鱈魚)的上述四種營養(yǎng)標(biāo)簽元素進(jìn)行了6次檢測，6次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值如表4、表5。

表4 凍干鱈魚6次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值

凍干鱈魚換算能量 =1569.1KJ+14.8 KJ+7.2KJ+91.8 KJ=1682.9 KJ/100g

表5 烘干鱈魚6次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值

凍干鱈魚換算能量 =1535.1KJ+11.1 KJ+8.8 KJ+124.1 KJ=1679.1 KJ/100g

凍干鱈魚測定6次的熱量平均值為1712.4 KJ/100g，通過換算得出熱量值為1682.9 KJ/100g;烘干鱈魚測定6次的熱量平均值為1698.6 KJ/100g，通過換算得出熱量值為1679.1 KJ/100g。通過上述幾組數(shù)據(jù)對比情況來看，無論是凍干還是烘干樣品，通過國標(biāo)方法換算出的熱量值都小于量熱儀測定出的熱量，但數(shù)值相差不大，且凍干和烘干樣品國標(biāo)換算出得熱量值比較接近。

4 結(jié)論

本文使用IKA C2000量熱儀對凍干和烘干的鱈魚原料魚進(jìn)行6次平行樣品的測定，又用國標(biāo)法對凍干和烘干的鱈魚進(jìn)行了測定和換算。實(shí)驗(yàn)表明，使用量熱儀方法測定熱量具有良好的精密度，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%。儀器法測定數(shù)值稍大于國標(biāo)換算法的數(shù)值，可能是由于環(huán)境溫度控制不理想、國標(biāo)換算法檢測數(shù)據(jù)較多等原因存在一定的誤差，但總體來說儀器法和國標(biāo)法測定的結(jié)果數(shù)據(jù)相差不大。

使用量熱儀測定食品中熱量需要樣品和易耗品非常少，且快速、簡便，大大降低了檢測人員的勞動強(qiáng)度，減少了腐蝕性化學(xué)藥品對環(huán)境和人員的污染。而且使用量熱儀檢測具有很高的效率，不需要再對其他營養(yǎng)標(biāo)簽元素測定之后換算，適合樣品的高通量快速檢測，是一種值得推廣的儀器方法。

［1］國家進(jìn)出口商品檢驗(yàn)局.世界各國食品標(biāo)簽法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)匯編(下)［M］.北京:經(jīng)濟(jì)管理出版社，1996.

［2］GB 28050－2011食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)包裝食品營養(yǎng)標(biāo)簽通則［S］.

［3］DIN 51900—2—2003 Testing of Solid and Liquid Fuels;Determination of the Gross Calorific Value by the Bomb Calorimeter and Calculation of the Net Calorific Value and calculation of the net calorific value—Part 2:Method Using Isothermal or static jacket calorimeter Water Jacket［S］.

［4］ASTM D240—2009 Standard Test Method for Heat of Combustion of Liquid Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter［S］.

［5］衛(wèi)監(jiān)督發(fā)［2007］300號 食品營養(yǎng)標(biāo)簽管理規(guī)范［S］.

［6］劉振海，徐國華，張洪林，等.熱分析與量熱儀及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:18－19.

［7］GB 5009.5—2010食品中蛋白質(zhì)的測定［S］.

［8］GB/T 5009.6—2003食品中脂肪的測定［S］.

［9］GB 5009.88—2008食品中膳食纖維的測定［S］.

［10］GB 5009.4—2010食品中灰分的測定［S］.