聚谷氨酸修飾電極測(cè)定食品中的麥芽酚

朱 琪,鄧振旭

(1.菏澤學(xué)院化學(xué)化工系,山東菏澤 274015;2.菏澤學(xué)院生命科學(xué)系,山東菏澤 274015)

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聚谷氨酸修飾電極測(cè)定食品中的麥芽酚

朱 琪1,鄧振旭2,*

(1.菏澤學(xué)院化學(xué)化工系,山東菏澤 274015;2.菏澤學(xué)院生命科學(xué)系,山東菏澤 274015)

建立一種用聚谷氨酸修飾電極測(cè)定麥芽酚的新方法。制備了聚谷氨酸修飾電極,用循環(huán)伏安法研究了麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)表明:聚谷氨酸修飾電極對(duì)麥芽酚的電化學(xué)氧化具有明顯催化作用,與未修飾的玻碳電極相比,麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的氧化峰電流明顯增大;在pH8.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(sodium hydrogen phosphate-citric acid buffer solution,PBS)中,麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上呈現(xiàn)不可逆的氧化峰,氧化峰電流與麥芽酚濃度成正比,線性范圍為2.40×10-6～6.61×10-4mol/L,檢出限為8.0×10-7mol/L。用該種方法測(cè)定了面包、飲料、啤酒中的麥芽酚,回收率在98.8%～103.7%之間，結(jié)果滿意。該方法靈敏、準(zhǔn)確、實(shí)用,對(duì)食品中麥芽酚的測(cè)定具有實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

聚谷氨酸修飾電極,麥芽酚,循環(huán)伏安法

麥芽酚,化學(xué)名稱:3-羥基-2-甲基-4-吡喃酮,是一種廣譜香味增效劑,有很強(qiáng)的增甜增鮮、增香、固香和抑制苦、酸、澀味的作用,作為食品增香劑常添加于焙烤食物,冰淇淋和糖果等[1]。但是一些資料顯示麥芽酚具有誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的毒性作用[2],大劑量的攝入會(huì)導(dǎo)致惡心頭痛、嘔吐、呼吸困難等癥狀,甚至可能傷及肝腎,還有可能有弱的致突變活性,對(duì)人體健康危害較大。世界衛(wèi)生組織食品添加劑專業(yè)委員會(huì)和聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織議定,以體重計(jì),人均每天麥芽酚攝入量不能超過(guò)2 mg/kg[3]。所以尋找能夠快速、準(zhǔn)確、方便的檢測(cè)食品中麥芽酚含量的方法是十分必要的。目前,麥芽酚測(cè)定方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜法[4]、HPLC-安培檢測(cè)法[5]、紫外-可見(jiàn)光度法[6]、FIA-電化學(xué)發(fā)光法[7]等。而使用電化學(xué)分析方法操作比較簡(jiǎn)便,靈敏度高,分析的速度也較快[8-9],但目前已報(bào)道的電化學(xué)修飾電極對(duì)麥芽酚的測(cè)定方法還很少。

本工作研究了測(cè)定麥芽酚的電化學(xué)新方法,制備了聚谷氨酸修飾電極,研究了麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的電化學(xué)行為,建立了測(cè)定麥芽酚的新方法,該方法操作簡(jiǎn)單,并且測(cè)定線性范圍較寬,檢出限較低。該方法靈敏、準(zhǔn)確、實(shí)用,對(duì)食品中麥芽酚的測(cè)定具有實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

CH1660C電化學(xué)工作站 上海辰華儀器有限公司;KH-100DB型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;實(shí)驗(yàn)用聚谷氨酸修飾電極做工作電極,對(duì)電極用鉑絲電極,Ag/AgCl電極為參比電極。

麥芽酚(分析純) 上海市阿拉丁試劑有限公司,配制成濃度為8.00×10-3mol/L的溶液;谷氨酸(分析純) 上海新興醫(yī)藥保健品科技開(kāi)發(fā)中心,配制成濃度為1.00×10-2mol/L的溶液；PBS緩沖溶液 由0.2 mol/L磷酸氫二鈉(分析純)與0.1 mol/L檸檬酸(分析純)(Na2HPO4-C6H8O7·H2O)配制成;溶液均用二次去離子水配制。

1.2 樣品制備

取10.0 g面包碾碎,加20.0 mL二次蒸餾水浸泡半個(gè)小時(shí),抽濾,濾渣重復(fù)操作兩次,合并濾液,定容到50 mL,制成樣品溶液,5 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

取某品牌格瓦斯飲料100 mL,加熱微沸5 min,驅(qū)除二氧化碳。定容至100 mL制成樣品溶液,5 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

取某品牌啤酒100 mL,加熱微沸5 min,驅(qū)除二氧化碳。定容至100 mL制成樣品溶液,5 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 制備修飾電極

首先在濕潤(rùn)的粒度為1000的金相砂紙上將Φ=3.8 mm玻碳電極磨光,然后用粒徑為0.05 μm的Al2O3懸乳液拋光,拋光后的玻碳電極呈鏡面效果即可,用亞沸蒸餾水沖洗干凈,依次用1∶1(v/v)HNO3、無(wú)水乙醇、亞沸蒸餾水超聲清洗。將處理后的電極放入含有0.5×10-3mol/L谷氨酸的pH6.0 PBS溶液中,以玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)比電極,Ag/AgCl電極為參比電極,在-0.1～2.0 V范圍內(nèi)循環(huán)掃描13圈,掃描速度為100 mV/s,取出,用亞沸蒸餾水沖洗干凈。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 最佳聚合條件的選擇 以玻碳電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)比電極,Ag/AgCl電極為參比電極,在含有一定濃度谷氨酸的PBS底液中用循環(huán)伏安法進(jìn)行聚合。用得到的修飾電極為工作電極,繼續(xù)采用三電極體系,在含有1 mL 8.00×10-3mol/L麥芽酚的PBS(pH5.0)溶液中,在0.3～1.2 V的電位范圍內(nèi),以100 mV/s的掃描速度進(jìn)行掃描,記錄循環(huán)伏安圖。分別依次改變聚合底液的pH、聚合周數(shù)、起始電位、終止電位及掃描速率進(jìn)行電極修飾,根據(jù)所測(cè)麥芽酚氧化峰電流的大小,選擇修飾電極最佳制備條件。

1.4.2 測(cè)定麥芽酚的條件選擇 用在最佳聚合條件下制備的聚谷氨酸修飾電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)比電極,Ag/AgCl電極為參比電極,分別依次改變測(cè)試底液的pH、高低電位、掃描速度、攪拌時(shí)間進(jìn)行掃描,記錄循環(huán)伏安圖。

測(cè)定麥芽酚底液pH的選擇:固定其它條件不變,分別用不同pH的PBS為底液,加入1 mL 8.00×10-3mol/L麥芽酚,以聚谷氨酸修飾電極為工作電極,鉑絲電極為對(duì)比電極,Ag/AgCl電極為參比電極,在0.3～1.2 V的電位范圍內(nèi),以100 mV/s的掃描速度進(jìn)行掃描,記錄循環(huán)伏安圖。

其它測(cè)定麥芽酚的條件選擇方法與選擇pH的方法相似,固定其它條件不變,只改變待選擇條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.4.3 回收率測(cè)定 取5.0 mL面包樣品溶液,加入2 mL EDTA,2 mL NH4F,掩蔽干擾離子,加入10 mL pH8.0的PBS緩沖溶液和1 mL的水,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。

取1.0 mL格瓦斯樣品溶液,加入2 mL EDTA,2 mL NH4F,掩蔽干擾離子,加入10 mL pH8.0的PBS緩沖溶液和5 mL的水,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。

取1.0 mL啤酒樣品溶液,加入4 mL NH4F,掩蔽干擾離子,加入10 mL pH8.0的PBS緩沖溶液和5 mL的水,進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 在玻碳電極上修飾聚谷氨酸的最佳條件

選擇最佳的聚合條件,分別依次改變聚合底液pH、聚合周數(shù)、起始電位、終止電位及掃描速率進(jìn)行電極修飾。圖1表明聚合的條件不同,修飾電極對(duì)麥芽酚的響應(yīng)電流也不同。

圖1 在不同條件下的聚谷氨酸修飾電極上麥芽酚的氧化峰電流變化Fig.1 Variations in oxidation peak response of maltol in the poly process of glutamic acid on the graphene modified electrode

結(jié)果表明,在pH6.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中,在-0.1～2.0 V電位范圍內(nèi),掃描速度為100 mV/s時(shí),聚合13周,谷氨酸濃度為5.0×10-4mol/L時(shí)所聚合的聚谷氨酸膜對(duì)麥芽酚的測(cè)定效果最佳,氧化峰電流響應(yīng)值最大,聚合圖見(jiàn)圖2。

圖2 制備聚谷氨酸修飾電極的循環(huán)伏安曲線Fig.2 Cyclic voltammetry curves for the preparation of poly glutamic acid modified electrode

2.2 麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的電化學(xué)行為

圖3為麥芽酚在裸電極(a)和聚谷氨酸修飾電極(b)上的循環(huán)伏安曲線。結(jié)果表明,麥芽酚在玻碳電極上氧化峰電流與電位分別為:ipa=-7.43 μA,Epa=0.833 V,而在聚谷氨酸修飾電極上,ipa=-10.42 μA,Epa=0.791 V,與裸電極相比麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極的氧化峰明顯增大,說(shuō)明修飾電極對(duì)麥芽酚的電化學(xué)氧化具有很好的電催化作用。循環(huán)伏安曲線上無(wú)還原峰,說(shuō)明在聚谷氨酸修飾電極上麥芽酚的氧化反應(yīng)為不可逆過(guò)程。

圖3 麥芽酚在電極上循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammograms of maltol on electrode 注:(a)裸玻碳電極;(b)修飾電極。

2.3 測(cè)定麥芽酚的條件選擇

2.3.1 試液pH的影響 分別用不同pH的PBS為底液,對(duì)一定濃度的麥芽酚溶液用聚谷氨酸修飾電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示麥芽酚氧化峰電流隨著溶液pH改變而變化,pH增大,氧化峰電流減小,變化過(guò)程中峰電位負(fù)移,在pH2.2時(shí),氧化峰電流值最大(圖4)。

圖4 麥芽酚在不同pH PBS中的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammograms of maltol in PBS of various pH注:從1到7的pH為:2.2、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0; 內(nèi)插圖為氧化峰電位與測(cè)定底液pH的關(guān)系曲線，麥芽酚濃度4.0×10-4 mol/L。

在pH為2.2～8.0之間,Epa與pH呈線性關(guān)系,線性方程為:Epa=1.07-0.050pH,r=0.9927(見(jiàn)圖4內(nèi)插圖)。

在對(duì)實(shí)際樣品的分析測(cè)定中,由于選擇EDTA作為掩蔽劑,在pH2.2的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中的掩蔽效果較差,影響對(duì)麥芽酚的測(cè)定。對(duì)樣品在不同pH的PBS中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)定結(jié)果表明,在pH8.0的PBS中,EDTA的掩蔽效果最好,對(duì)麥芽酚濃度的測(cè)定最為準(zhǔn)確,所以選擇pH8.0的PBS作為測(cè)定底液。

2.3.2 高低電位的影響 選擇測(cè)定條件時(shí),高低電位的影響也很重要。首先,選擇1.0 V為高電位,改變低電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn),低電位為-0.1 V時(shí),麥芽粉在聚谷氨酸修飾電極上的電流響應(yīng)值最大。設(shè)定-0.1 V為低電位,改變高電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn),當(dāng)高電位為1.2 V時(shí),麥芽粉在聚谷氨酸修飾電極上的電流響應(yīng)值最大。所以,選擇在-0.1～1.2 V的電位范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。

2.3.3 掃描速度與攪拌時(shí)間的影響 以pH8.0的PBS為測(cè)定底液,固定高低電位,改變掃描速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明隨著掃描速度的增大,氧化峰電位發(fā)生正移,麥芽酚的氧化峰電流也逐漸增大(圖5)。氧化峰電流與掃描速率呈線性關(guān)系,當(dāng)掃速在60～300 mV/s之間時(shí),線性方程為:ipa(A)=-1.09×10-5-5.66×10-6v(mV/s),r=0.9938,說(shuō)明麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的電極過(guò)程為吸附過(guò)程。掃描速度為100 mV/s時(shí),麥芽酚氧化峰峰形好,且靈敏度高,因此選擇掃描速度為100 mV/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

圖5 麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上隨掃速變化(60～300 mV/s)的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of maltol on the modified electrode under different sweep rates(60～300 mV/s)

不同的攪拌富集時(shí)間對(duì)麥芽酚測(cè)定的結(jié)果影響。每20 s記錄掃描循環(huán)伏安圖,攪拌富集時(shí)間從20 s逐漸增大至100 s,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間的增加,氧化峰電流逐漸減弱(圖6),因此選擇攪拌富集時(shí)間為20 s。

圖6 麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上隨攪拌時(shí)間變化(20～100 s)的循環(huán)伏安圖Fig.6 Cyclic voltammograms of maltol on the modified electrode under different stirring time(20～100 s)

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

在pH8.0的PBS中,采用循環(huán)伏安法對(duì)麥芽酚標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明,在2.40×10-6～2.40×10-5mol/L及2.40×10-5～6.61×10-4mol/L范圍內(nèi),麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的氧化峰電流與其濃度呈良好線性關(guān)系(圖7),其線性方程分別為:ipa(μA)=0.08c+1.70×10-6,ipa(μA)=0.02c+3.96×10-6;相關(guān)系數(shù)分別為0.9951及0.9995,檢出限為8.0×10-7mol/L。圖7內(nèi)插圖為麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上不同濃度下的循環(huán)伏安曲線。

圖7 不同濃度下麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的循環(huán)伏安曲線Fig.7 Cyclic voltammograms of maltol at various concentrations at poly glutamic acid modified electrode注:濃度為2.40×10-6、4.80×10-6、7.20×10-6、9.60×10-6、1.20×10-5、2.40×10-5、4.80×10-5、7.20×10-5、9.60×10-5、1.20×10-4、2.33×10-4、4.53×10-4、6.61×10-4 mol/L,內(nèi)插圖為麥芽酚的濃度與氧化峰響應(yīng)電流的關(guān)系曲線。

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)研究了一些可能共存物質(zhì)對(duì)8.0×10-5mol/L麥芽酚測(cè)定的影響。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)8.0×10-5mol/L麥芽酚進(jìn)行測(cè)定,記錄循環(huán)伏安曲線;然后將100倍的Na+、K+、Zn2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+,谷氨酸、葡萄糖、蔗糖高濃度小體積加入麥芽酚溶液中,所得循環(huán)伏安曲線與沒(méi)有加入這些物質(zhì)時(shí)循環(huán)伏安曲線基本重合,即電流大小不變,因此確定不干擾測(cè)定。

2.6 實(shí)際樣品分析

如表1所示,采用此種方法對(duì)食品樣品面包、格瓦斯飲料、啤酒中的麥芽酚含量進(jìn)行測(cè)定,回收率在98.8%～103.7%之間,結(jié)果令人滿意。

乙基麥芽酚是麥芽酚的同系物,結(jié)構(gòu)近似,性質(zhì)近似,在聚谷氨酸修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)相同,也可以用此方法進(jìn)行測(cè)定,不過(guò)二者共存時(shí)只能測(cè)定其總量。

表1 樣品分析結(jié)果Table 1 Analyzing result of sample

3 結(jié)論

本文制備了聚谷氨酸修飾電極,研究了麥芽酚在聚谷氨酸修飾電極上的電化學(xué)行為,結(jié)果表明聚谷氨酸修飾電極對(duì)麥芽酚的電化學(xué)反應(yīng)具有顯著催化作用,并且測(cè)定線性范圍較寬,檢出限較低。將該方法用于面包、飲料、啤酒中麥芽酚的測(cè)定,回收率較好。與其它方法比較,操作簡(jiǎn)單,成本較低,具有實(shí)際應(yīng)用前景。

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Determination of maltol in food by cyclic voltammetry with the poly glutamic acid modified electrode

ZHU Qi1,DENG Zhen-xu2,*

(1.Department of Chemistry & Chemical Engineering,Heze University,Heze 274015,China; 2.Department of Life Sciences,Heze University,Heze 274015,China)

A novel voltammetry methodology was developed for determination of maltol using a poly glutamic acid modified electrode. The poly glutamic acid modified electrode was prepared by cyclic voltammetry. The electrochemical behavior of maltol on the poly glutamic acid modified electrode was studied. The experimental results showed that the poly glutamic acid modified electrode exhibited significant catalytic activity for the electro-oxidation of maltol,compared with the unmodified glassy carbon electrode,the oxidation peak current increased significantly at the poly glutamic acid modified electrode. In the sodium hydrogen phosphate-citric acid buffer solution(PBS)of pH8.0,an irreversible oxidation peak of matol was obtained by cyclic voltammetry,the oxidation peak current was proportional to the concentration of maltol in the range of 2.40×10-6～6.61×10-4mol/L and the detection limit was 8.0×10-7mol/L. The method was applied for the determination of maltol in food with satisfactory recoveries of 98.8%～103.7%. This method is sensitive,accurate and practical and it has practical significance and application prospects for the determination of matol in a series of food.

poly glutamic acid modified electrode;maltol;cyclic voltammetry

2016-12-08

朱琪(1987-)，女，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電化學(xué)分析，E-mail：263867584@qq.com。

*通訊作者:鄧振旭(1964-)，男，學(xué)士，教授，研究方向：生物電化學(xué)傳感器，E-mail:dengzhenxu@126.com。

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014BL020)；山東省高?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J14LC55)。

TS207.3

A

1002-0306(2017)11-0305-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.050