電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中二氧化硅研究

胡家勇 周陶鴻 尹思睿 程銀棋 姚曉帆 宋 政

(湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院;湖北省食品質(zhì)量安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，武漢 430060)

食品添加劑用二氧化硅分為氣相二氧化硅、水合硅膠、沉淀二氧化硅三類。這三類食品添加劑用二氧化硅均為人工合成的高純度二氧化硅白色粉末。人工合成的二氧化硅具有比表面積大，它能在粉末物質(zhì)的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時(shí)也促進(jìn)了粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，另外其還具有孔隙率高、吸附性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在食品工業(yè)常被用作抗結(jié)劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。目前，礦石、建材、水體等材料中二氧化硅的測(cè)量方法報(bào)道較多，主要有：X射線熒光光譜法[1-2]；硅鉬藍(lán)分光光度法[3-5]；硅鉬黃分光光度法[6-8]；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)[9-14]；電感耦合等離子體質(zhì)譜法[15]；氟硅酸鉀滴定法[16-18]；氫氟酸揮散重量法[19-20]；離子色譜法[21-22]。但關(guān)于食品中二氧化硅的檢測(cè)鮮有報(bào)道。二氧化硅作為食品添加劑，可用于粉末油脂制品[23]、蛋白粉[24]、香精香料[25]、固體飲料等，我國(guó)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760—2014)[26]明確規(guī)定其使用范圍以及最大使用量，但是我國(guó)尚未建立食品中二氧化硅檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法，使得食品添加劑二氧化硅的監(jiān)管缺乏技術(shù)支撐，食品質(zhì)量安全監(jiān)督管理部門無法對(duì)其實(shí)施監(jiān)管，為了規(guī)范添加劑用二氧化硅的添加使用，為了維護(hù)消費(fèi)者的身體健康，有必要針對(duì)食品中二氧化硅建立高效、快速、準(zhǔn)確定量的檢測(cè)方法，為加強(qiáng)二氧化硅規(guī)范使用的監(jiān)管提供方法參考，以切實(shí)保護(hù)廣大消費(fèi)者舌尖上的安全。

本研究建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中二氧化硅的方法，此方法采用微波消解作為前處理方式，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀檢測(cè)，微波消解操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、干擾少，因此此方法具有操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、精密度與重復(fù)性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、相對(duì)干擾少等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足食品中二氧化硅的檢測(cè)。建立食品中二氧化硅的檢測(cè)方法以期為食品中二氧化硅的測(cè)定提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品購(gòu)于本地超市。

食品添加劑二氧化硅：天津龍華化工有限公司；無水碳酸鈉(分析純)： 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸(優(yōu)級(jí)純)：Merck；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

Icap 7400 DUO電感耦合等離子體：賽默飛世爾科技公司；ME203/02電子天平、ME2002E/02電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；KLS15/13馬弗爐：德國(guó)THERMCONCEPT公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

微波消解： 準(zhǔn)確稱取0.400 0～1.000 0 g試樣于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸進(jìn)行微波消解，微波消解程序設(shè)置如下：溫度爬坡10 min升溫至120 ℃，溫度保持5 min；溫度爬坡10 min升溫至190 ℃，保持20 min；冷卻25 min降溫至55 ℃。消解完成后將消解液用定量濾紙過濾，用100 mL蒸餾水清洗濾渣，然后將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測(cè)液。

濕法消解： 準(zhǔn)確稱取5.00～20.00 g試樣于200 mL燒杯中，加20 mL硝酸，蓋上表面皿，置于電熱板上消解，至無黃煙冒出。消解完成后將消解液用定量濾紙抽濾，用裝有蒸餾水洗瓶沖洗燒杯，邊洗邊過濾，待燒杯壁無明顯附著物后，再依次用50 mL三氯甲烷、50 mL無水乙醇少量多次清洗燒杯，邊洗邊過濾。將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測(cè)液。

1.3.2 測(cè)定

1.3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備：稱取二氧化硅基準(zhǔn)試劑于定量濾紙上，將二氧化硅高純?cè)噭┻B同濾紙一起放入鎳坩堝中，加入2.0 g無水碳酸鈉，再將鎳坩堝置于500 ℃馬弗爐炭化20 min，然后將馬弗爐升溫至960 ℃熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管中。

1.3.2.2 ICP測(cè)定條件：高頻發(fā)生器功率：1 350 W；霧化器壓力：0.20 MPa；輔助氣流量：0.50 L/min；垂直觀測(cè)高度：12 mm；分析泵速：50.0 r/min；積分時(shí)間：15 s；穩(wěn)定時(shí)間：5 s；沖洗時(shí)間：20 s；沖洗泵速：50.0 r/min；重復(fù)次數(shù)：3次。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

以樣品稱樣量(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g)、硝酸使用量(4、6、8、10 mL)、熔劑無水碳酸鈉使用量(1、2、3、4 g)為影響因素，以二氧化硅含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素水平進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析線波長(zhǎng)選擇

在ICP光譜分析中，分析譜線的選擇對(duì)于樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性具有重要影響。ICP光譜儀中硅有多條譜線，選取3條較為靈敏的硅分析線進(jìn)行測(cè)定，其波長(zhǎng)分別為251.667、212.412、288.158 nm，以20.0 mg/L的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試液，在儀器最佳工作條件下，觀察不同波長(zhǎng)譜線的波形圖，結(jié)果表明波長(zhǎng)212.412 nm的譜線其波形圖較好、峰形穩(wěn)定、背景值低、精密度好，并且波長(zhǎng)251.667、288.158 nm譜線下都存在鈉的干擾，而無水碳酸鈉作為二氧化硅的熔劑，待測(cè)液里存在高濃度的鈉鹽，影響測(cè)定結(jié)果，因此選擇波長(zhǎng)為212.412 nm的譜線作為本方法中二氧化硅的分析線。

2.2 不同消解方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)

考察不同消解方式對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，由表1可以看出，不同的消解方式，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，當(dāng)濕法消解稱樣量水平在5～10 g測(cè)定結(jié)果與微波消解測(cè)定結(jié)果基本一致，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出隨著稱樣量的增加，硝酸量不足，消解不完全，影響測(cè)定結(jié)果。因?yàn)槲⒉ㄏ廨^濕法消解操作更加簡(jiǎn)便，并且更易于控制變量。因此最終選定的消解方式為微波消解。

表1 不同消解方式對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.3 最佳稱樣量確定

考察不同稱樣量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，其中硝酸使用量為8 mL，熔劑無水碳酸鈉使用量為2 g。由圖1可以看出，稱樣量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，稱樣量為0.2 g時(shí)，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性差，原因是稱樣量太少，稱樣時(shí)存在不均勻性。稱樣量0.4～1.0 g，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩(wěn)定性均比較好。因此最終確定稱樣量為0.4～1.0 g。

圖1 不同稱樣量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.4 熔劑無水碳酸鈉最佳使用量確定

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無水碳酸鈉的使用量對(duì)二氧化硅的測(cè)定結(jié)果有影響，考察無水碳酸鈉使用量不同對(duì)二氧化硅測(cè)定結(jié)果的影響，其中稱樣量為0.6 g，硝酸使用量為8 mL。由圖2可以看出，熔劑無水碳酸鈉使用量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異性，熔劑無水碳酸鈉4.0 g時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏低，可能的原因是高濃度的Na+對(duì)二氧化硅測(cè)定結(jié)果有一定的干擾，熔劑使用量1.0～3.0 g，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)熔劑使用量為3.0 g，測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性稍遜于1.0與2.0 g。因此最終確定熔劑無水碳酸鈉使用量為1.0～2.0 g。

圖2 熔劑使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.5 硝酸使用量

考察硝酸使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，其中稱樣量為0.6 g，熔劑無水碳酸鈉使用量為2 g。由圖3可以看出，硝酸使用量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，稱樣量為4 mL時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏低，可能的原因是硝酸使用量偏少，樣品消解不完全，影響結(jié)果測(cè)定，硝酸使用量6～10 mL，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩(wěn)定性均比較好。因此最終確定硝酸使用量為6～10 mL，從消解完全和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度考慮，建立硝酸使用量為6～8 mL。

圖3 硝酸使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.6 方法學(xué)驗(yàn)證

2.6.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

在本實(shí)驗(yàn)所確定的實(shí)驗(yàn)條件下，分別將標(biāo)準(zhǔn)工作溶液依次進(jìn)樣測(cè)定。以標(biāo)準(zhǔn)溶液中二氧化硅濃度為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。二氧化硅在0.0～30.0 μg/mL范圍內(nèi)呈良好線性相關(guān)性，線性方程為y=696.7x+112.5，相關(guān)系數(shù)為0.999 7；方法檢出限依據(jù)連續(xù)測(cè)定11次空白溶液的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差得出，其方法檢出限為0.04 g/kg。結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限測(cè)定結(jié)果

2.6.2 方法精密度實(shí)驗(yàn)

稱取3個(gè)未知二氧化硅含量的咖啡各5份進(jìn)行平行性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表3可知，3個(gè)二氧化硅含量不同的樣品平行性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)在4.33～6.34%，結(jié)果表明本方法的精密度較好符合GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》對(duì)精密度的要求。

表3 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6.3 空白加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

稱取二氧化硅空白樣品3份，精確加入二氧化硅高純?cè)噭┻m量，按供試品溶液的制備與測(cè)定同法操作，計(jì)算二氧化硅加標(biāo)回收率，結(jié)果見表4。由表3可知，方法的回收率在91.93～96.98%之間，以上結(jié)果表明本方法的回收率和精密度較好符合GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》對(duì)回收率和精密度的要求。

表4 加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6.4 ICP法與硅鉬黃分光光度法比較

食品中二氧化硅的測(cè)定尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且關(guān)于食品中二氧化硅測(cè)定的報(bào)道也比較少，水中偏硅酸的測(cè)定通常采用GB 8538—2016硅鉬黃分光光度法以及硅鉬藍(lán)分光光度法。為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和可行性，以ICP-AES法和硅鉬黃分光光度法分別測(cè)定隨機(jī)選取的五個(gè)固體飲料，結(jié)果見表5，由表5可以看出兩種方法測(cè)定結(jié)果基本吻合，RSD≤7.0%。

表5 ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法比較

2.7 不同種類食品中二氧化硅使用量水平探究

本實(shí)驗(yàn)對(duì)10批次咖啡、10批次奶茶、10批次其他固體飲料、10批次香辛料、10批次乳粉以及10批次固體復(fù)合調(diào)味料實(shí)際樣品進(jìn)行了二氧化硅含量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表6。由表6可以看出，二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、固體復(fù)合調(diào)味料中使用比較普遍，原因是二氧化硅具有比表面積大，使它能在粉末物質(zhì)的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時(shí)也促進(jìn)了粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，因此在食品工業(yè)常被用作抗結(jié)劑；固體飲料及乳粉中添加二氧化硅，主要是因?yàn)槎趸枘茉诜勰┪镔|(zhì)之間起到間隔劑的作用，避免了固體飲料及乳粉在沖調(diào)過程中結(jié)塊，從而達(dá)到速溶的效果；香辛料、固體復(fù)合調(diào)味料中添加二氧化硅，主要是利用二氧化硅比表面積大，能夠促進(jìn)粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，避免了香辛料、復(fù)合固體調(diào)味料在儲(chǔ)藏過程中結(jié)塊。

表6 實(shí)際樣品中二氧化硅測(cè)定

3 結(jié)論

采用堿熔融酸化方法，以無水碳酸鈉為熔劑，經(jīng)微波消解、定量濾紙過濾、馬弗爐高溫熔融、硝酸酸化溶解進(jìn)行樣品前處理，建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中二氧化硅的方法。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定食品中二氧化硅含量，經(jīng)過分析線波長(zhǎng)選擇規(guī)避了高含量鈉離子的干擾，同時(shí)進(jìn)行了消解方式、稱樣量、熔劑使用量、硝酸使用量四個(gè)因素的單因素實(shí)驗(yàn)，確定了最佳消解方式、稱樣量、熔劑使用量以及硝酸使用量。

ICP-AES法測(cè)定食品中二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)曲線及方法學(xué)驗(yàn)證結(jié)果顯示：方法的檢出限為0.04 g/kg，線性回歸方程y=696.7x+112.5，相關(guān)系數(shù)為0.999 7、平行性精密度RSD在4.33%～6.34%之間、加標(biāo)回收率在91.93%～96.98%、ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法的檢測(cè)結(jié)果無顯著差異，側(cè)面佐證了ICP-AES法測(cè)定食品中二氧化硅結(jié)果的可靠性。經(jīng)過60批實(shí)際樣品中二氧化硅含量測(cè)定分析，結(jié)果表明二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、復(fù)合固體調(diào)味料中使用比較普遍，尤其在固體飲料和香辛料中使用量較高。