食品及食品添加劑中不可溶性硅檢測(cè)方法的研究

高喜鳳，劉艷明，陳曉媛，張喜琦，董瑞，程月紅，崔玉花

（山東省食品藥品檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250101）

硅是人體必需微量元素之一，它能使人體保持柔韌性和彈性，促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)，具有維持動(dòng)脈壁彈性和保護(hù)內(nèi)壁膜的作用，如果人體的硅攝入量不足，會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)遲緩、器官萎縮、骨骼畸形，在膳食中保持一定量的硅元素的攝入，有助于延長(zhǎng)機(jī)體的衰老，延長(zhǎng)壽命。但是如果人體內(nèi)硅元素含量過高，就會(huì)引發(fā)高硅癥，影響腎臟等器官的正常工作，并且含硅類的食品添加劑如二氧化硅、滑石粉的過量添加將會(huì)對(duì)人體胃腸道細(xì)胞產(chǎn)生一定毒性，長(zhǎng)期過量食用有一定的致癌性。因而測(cè)定食品及食品添加劑中的硅含量有著重要的意義。硅分為可溶性和不可溶性的，可溶性的硅種類較少、含量低且容易檢測(cè)，而不可溶硅多以二氧化硅及硅酸鎂、硅酸鈣等硅酸鹽形式存在。二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等由于它們均具有顆粒細(xì)微、松散多孔、吸附力強(qiáng)、易吸附導(dǎo)致形成分散的水分、油脂等性質(zhì)，因此常做為抗結(jié)劑用于食品中，用來提高粉狀食品的流動(dòng)性防止其聚集結(jié)塊或改善干燥粉末在液體里的擴(kuò)散性能[1-2]，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2760-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了二氧化硅、滑石粉（其有效成分為硅酸鎂）在允許添加的食品中的最大使用限量[3]，因而檢測(cè)其中的不可溶性硅，可以積累數(shù)據(jù)，為食品監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支持。由于硅性質(zhì)的特殊性，使得二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等性質(zhì)穩(wěn)定，不與一般的酸反應(yīng)，因而不可溶性硅的檢測(cè)成為食品研究的難題。

目前我國(guó)針對(duì)食品及食品添加劑中不可溶性硅的檢測(cè)方法非常少，由于不可溶性硅的有效成分主要是二氧化硅，因而最常見的不可溶性硅的研究多為二氧化硅，劉君子[4]、盧華衛(wèi)等[5]均采用了離子色譜法，由于此方法前處理操作步驟繁瑣，檢驗(yàn)成本較高，不適用于大批量食品的檢測(cè)。其他現(xiàn)有的檢測(cè)方法大多是測(cè)定礦石中的二氧化硅，多采用灼燒法、分光光度法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等測(cè)定[6-14]，但是前兩種方法操作繁瑣、分析周期長(zhǎng)、容易受樣品基體的干擾，準(zhǔn)確度低，不適用于低含量硅的測(cè)定。而電感耦合等離子體發(fā)射光譜法分析速度快，時(shí)間分布穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，線性范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸取代前兩種方法，成為二氧化硅的主要檢測(cè)方法。但是由于食品及食品添加劑與礦石的基體差別很大，基體復(fù)雜干擾因素多，因此電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定礦石的方法不適用于食品及食品添加劑的測(cè)定。

因此尋找一種準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便的測(cè)定方式是非常有必要的。基于以上現(xiàn)狀本研究開發(fā)了一種測(cè)定食品及食品添加劑中不可溶性硅的新方法，解決了不可溶性硅難消化處理的難題，為食品監(jiān)管提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

Optima 8000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：美國(guó)PerkinElmer 公司；Mars 6 微波消解儀：美國(guó)CEM 公司；AdvantageA10 超純水機(jī)：美國(guó)密理博公司；硝酸、鹽酸、氫氟酸、30%的過氧化氫、氫氧化鉀（均為優(yōu)級(jí)純）：上海國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)；氫氟酸、氫氧化鉀：天津科密歐公司；中國(guó)計(jì)量科學(xué)院的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液1 000 μg/mL。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

稱取0.5 g 左右樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過氧化氫進(jìn)行微波消解，設(shè)定微波消解程序，見表1，消解完畢后將罐內(nèi)液體和固體殘?jiān)耆D(zhuǎn)移到定量濾紙上，過濾，水洗。將濾紙及殘?jiān)湃刖鬯姆蚁┫夤拗?，加? mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL氫氟酸微波消解，設(shè)定微波消解程序見表2，消解完畢后，向溶液中加0.1 g 氫氧化鉀反應(yīng)完畢后將待測(cè)溶液轉(zhuǎn)移定容至50 mL 塑料容量瓶中。

表1 微波消解程序1Table 1 Microwave digestion procedure 1

表2 微波消解程序2Table 2 Microwave digestion procedure 2

1.2.2 儀器工作條件

儀器工作參數(shù)為功率：1 500 W，等離子體流量：10 L/min，霧化器流量：0.55 L/min，輔助氣流量：0.2 L/min，進(jìn)樣延遲：45 s（如選用自動(dòng)進(jìn)樣模式延遲改為60 s），選取251.611 nm 做為分析譜線進(jìn)行測(cè)試。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線

用5%的硝酸、2%鹽酸、1%氫氟酸（體積分?jǐn)?shù)）溶液逐級(jí)稀釋硅的標(biāo)準(zhǔn)溶液1 000 μg/mL，配制成濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、10.0 μg/mL 的一系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。R2=0.999 645，表明在 0.1 μg/mL～10.0 μg/mL范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 消解溫度的選擇

試驗(yàn)選取了一種食品添加劑滑石粉，考察了從25 ℃到200 ℃的消解溫度，對(duì)硅回收率的影響如圖2所示。

圖2 不同消解溫度對(duì)不可溶性硅測(cè)定的影響Fig.2 Effects of different digestion temperatures on the determination of insoluble silicon

從圖2中可以看出消解溫度較低的情況下，樣品消解不完全，回收率低，當(dāng)消解溫度達(dá)80 ℃以上時(shí)，回收率達(dá)到較為理想的要求，但是實(shí)際試驗(yàn)過程中需要消解濾紙，消解溫度達(dá)150 ℃以上，濾紙及過濾后的殘?jiān)拍芟鈴氐淄耆?，溶液呈現(xiàn)無色透明狀，但是消解溫度過高對(duì)微波消解儀及罐體損害較大，且硅可能會(huì)有損失，所以最終確定消解溫度為150 ℃。

2.2 前處理方式的選擇

2.2.1 分步消解體系的選擇

2.2.1.1 基底效應(yīng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)各隨機(jī)選取了掛面、小麥粉、嬰幼兒米粉、奶粉、復(fù)配食品添加劑各6個(gè)分別稱取0.5 g 左右于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過氧化氫按照表1中設(shè)定的程序進(jìn)行微波消解，消解完畢后用超純水定容至50 mL 塑料容量瓶中待用，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上機(jī)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)試樣中硅的含量掛面為30.01 mg/kg～43.43 mg/kg，小麥粉為11.65 mg/kg～32.46 mg/kg，嬰幼兒米粉為7.418 mg/kg～14.17 mg/kg，奶粉為7.879 mg/kg～20.63 mg/kg，復(fù)配添加劑為9.665 mg/kg～51.28 mg/kg。由此可見食品及食品添加劑中含有由此可見食品及食品添加劑中含有可溶性硅元素，因而需要分步前處理去除，進(jìn)而進(jìn)行食品及食品添加劑中不可溶性硅的測(cè)定。

2.2.1.2 酸體系的選擇

在微波消解的高溫高壓條件下，硝酸、過氧化氫能夠氧化分解樣品中的有機(jī)物，將不可溶性硅與其他可溶性的硅分離開來，硝酸-鹽酸-氫氟酸的酸體系中，氫氟酸溶解不可溶性硅，硝酸用于氧化分解濾紙等物質(zhì)，而鹽酸的存在可以加速反應(yīng)的進(jìn)行。消解完畢后在消解液中加入氫氧化鉀用于中和一部分酸，降低酸度對(duì)儀器的損害。

2.2.2 消解方式的選擇

由于文獻(xiàn)報(bào)道的不可溶性硅的前處理方法多為堿融的方法，本研究以不可溶性二氧化硅為例選取0.5 g 含有二氧化硅試樣在進(jìn)行第一步硝酸-過氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后分別進(jìn)行堿融后加酸微波消解和直接加酸微波消解的方式進(jìn)行前處理比對(duì)，堿融的具體操作步驟為過濾后濾渣加入0.1 g 氫氧化鉀，鎳坩堝 200 ℃熔融 20 min，用 8 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸洗滌轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯消解罐中，按照表2的微波消解程序進(jìn)行微波消解，消解完畢后轉(zhuǎn)移定容至50 mL 塑料容量瓶。發(fā)現(xiàn)堿融的回收率為88.4%～95.7%，滿足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)于加標(biāo)回收的要求[15]，可做為不可溶性硅的檢測(cè)方法，但由于堿融方法操作較為復(fù)雜繁瑣，容易損失，不適用于大批量樣品的測(cè)定，因此本試驗(yàn)選取直接加酸微波消解的方式做為不可溶性硅的測(cè)定方法，堿融方法可以做為食品及食品添加劑中不可溶性硅測(cè)定的比對(duì)方法。

2.2.3 酸使用量的優(yōu)化

本酸體系中，氫氟酸做為反應(yīng)物，鹽酸、硝酸做為溶劑消化分解樣品中的有機(jī)物及雜質(zhì)同時(shí)加速反應(yīng)的進(jìn)行，根據(jù)微波消解罐的容量及盡可能降低酸度對(duì)儀器損害的要求，酸的總量控制在15 mL 以內(nèi)，以稱樣量0.5 g，樣品中不可溶性硅（以硅計(jì)）含量在1 000 mg/kg左右為例，本試驗(yàn)考察氫氟酸使用量對(duì)硅測(cè)定的影響，如圖3所示。

圖3 氫氟酸的加入量對(duì)不可溶性硅測(cè)定的影響Fig.3 Effects of the addition of Hydrofluoric acid on the determination of insoluble silicon

從圖3中可以看出氫氟酸在2 mL 以上不可溶性硅已經(jīng)能夠完全反應(yīng)，考慮實(shí)際有些樣品中不可溶性硅的含量可能更高些，故選取氫氟酸3 mL，此時(shí)硝酸與鹽酸的量能把濾紙及殘?jiān)簟?/p>

2.2.4 溶解二氧化硅能力的試驗(yàn)

由于不可溶性硅的有效成分主要為二氧化硅，本試驗(yàn)以二氧化硅為例，考察本文所采用的方法溶解二氧化硅的能力。稱取0.5 g 奶粉，添加不同質(zhì)量的二氧化硅用硝酸-過氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后，加入7 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸微波消解，其回收率見圖4，可以認(rèn)為該酸體系能完全溶解二氧化硅質(zhì)量的上限為60 mg。以稱取0.500 0 g 干樣品計(jì)，可測(cè)定干樣二氧化硅含量的上限為120 g/kg，以稱取2.000 g 濕樣品計(jì)，可測(cè)定二氧化硅的含量上限為30 g/kg。若二氧化硅含量超過測(cè)定上限，則需要減少稱樣量重新消解樣品再測(cè)定。

圖4 溶解二氧化硅能力的試驗(yàn)Fig.4 Testing on dissolution of silicon dioxide

2.3 分析線的選擇

在電感耦合等離子體發(fā)射光譜法分析中，分析譜線的選擇對(duì)于樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密性有著重要的影響[16-18]，本試驗(yàn)選擇3 條硅元素較靈敏譜線，其波長(zhǎng)分別為 212.412、251.611、288.158 nm，以 4.0 μg/mL的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試液，在儀器最佳條件下，觀察各譜線的干擾和背景影響情況，選擇其中峰形窄、干擾少、背景值低、信噪比高的譜線251.611 nm 做為分析譜線進(jìn)行測(cè)試。

2.4 方法檢出限

在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，對(duì)方法的檢出限（method detection limit，MDL）進(jìn)行了測(cè)定，即空白樣品進(jìn)行 12 次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3 倍所對(duì)應(yīng)的濃度，結(jié)果表明以硅元素計(jì)的檢出限為0.24 mg/kg。

2.5 加標(biāo)回收及精密度試驗(yàn)

選取兩種不同食品試樣及滑石粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析及添加不同水平的二氧化硅進(jìn)行加標(biāo)回收測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。結(jié)果表明乳粉的加標(biāo)回收率為91.0%～102.9%，稻米的加標(biāo)回收率為93.8%～106.2%，滑石粉的加標(biāo)回收率為92.7%～105.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（relative standard deviation，RSD）為 4.76%，相對(duì)偏差為-1.89%，均滿足GB/T 27404-2008 對(duì)于加標(biāo)回收的要求，由此可見此方法測(cè)定二氧化硅的精密度好、準(zhǔn)確性高，即本方法測(cè)定食品及食品添加劑中不可溶性硅精密度好、準(zhǔn)確性高。

表3 不同水平的加標(biāo)回收測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of different spiked recoveries

表4 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 The experimental data of precision and accuracy

3 結(jié)論

通過對(duì)不同種類的食品及食品添加劑進(jìn)行了不可溶性硅檢測(cè)方法的研究，建立微波消解體系下的電感耦合等離子體發(fā)射光譜法檢測(cè)方法。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定不可溶性硅硅具有分析用時(shí)短、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，采用微波消解的方法進(jìn)行前處理，微波能穿透聚四氟乙烯消解罐對(duì)樣品進(jìn)行加熱，密閉的消解罐中，壓力大、消解速度快、消解效果好，回收率高，不同酸體系消解能夠扣除可溶性硅本底的影響，從而使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，消解后溶液加入氫氧化鉀能夠中和部分酸，減少大量酸對(duì)儀器的損害。此方法適用于食品以及食品添加劑中不可溶性硅的測(cè)定，從而為食品及食品添加劑的市場(chǎng)監(jiān)督與監(jiān)管提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。