KMnO4 氧化-單掃描示波極譜法間接測(cè)定食品中甜蜜素

王 瑩，陳 文，張 浩

(成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都 610059)

甜味劑是對(duì)食物有重要影響的食品添加劑，是禁糖人士的福音。甜蜜素(CYC)屬于甜味劑的一種，其對(duì)光、熱穩(wěn)定，甜度為蔗糖的30～80倍[1]，應(yīng)用范圍很廣。CYC 化學(xué)名稱是環(huán)己基氨基磺酸鈉(C6H11NHSO3Na)，為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，無(wú)臭，水溶性好。CYC 可溶于水和丙二醇，在兩者中的溶解度為1 g/5 mL[2]，0.1 kg·m－3CYC溶液的pH 約為6.5。自2009年廣東省“真果粒奶味飲料”中CYC 超標(biāo)事件發(fā)生以來(lái)，CYC 的安全使用問(wèn)題受到了公眾的廣泛關(guān)注。人體每天代謝的CYC 的量有限，CYC的最大攝入量為每公斤體重11 mg。攝入過(guò)量的CYC不僅會(huì)加重肝臟負(fù)擔(dān)，還對(duì)腎臟有一定的毒副作用[3]；有研究表明，甜蜜素還對(duì)成骨細(xì)胞的增殖和分化有明顯的的抑制作用[4]。因此，建立一個(gè)簡(jiǎn)單、快速、有效地測(cè)定食品中CYC 含量的方法，對(duì)于食品安全的保障具有十分重要的意義。

目前，CYC的測(cè)定方法有氣相色譜法[5-6]、高效液相色譜法[7-8]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[9-10]、分光光度法[11]、薄層層析法[12]和離子色譜法[13-14]等。這些方法各有其應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)，但氣相色譜法和液相色譜法存在設(shè)備昂貴、無(wú)法在基層檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用的問(wèn)題；液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法和薄層層析法存在分析過(guò)程繁瑣、樣品前處理要求較高、操作過(guò)程不夠簡(jiǎn)便等問(wèn)題。

目前，關(guān)于采用電化學(xué)方法檢測(cè)CYC的報(bào)道不多。文獻(xiàn)[15]使用三電極系統(tǒng)，在氨性底液[含有0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)氨基苯磺酸、0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸奈乙二胺、5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氨水的混合溶液]中，建立了在－0.38 V(相對(duì)于飽和甘汞電極)下測(cè)量CYC的二次衍生極譜波的方法，但該方法需將CYC酯化，分析過(guò)程繁瑣，分析時(shí)間較長(zhǎng)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]報(bào)道，在強(qiáng)堿性溶液中，KMn O4會(huì)與CYC發(fā)生氧化還原反應(yīng)，Mn O4－被還原為綠色的Mn O42－。當(dāng)把極譜三電極置于上述反應(yīng)體系中進(jìn)行線性掃描時(shí)，Mn O4－在電極上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)還原峰，且還原峰的峰電流與CYC的含量在一定范圍內(nèi)呈顯著負(fù)相關(guān)，即CYC濃度越大，峰電流越小。

本工作先采用正己烷對(duì)樣品中的CYC 進(jìn)行提取，以將其與樣品中的色素及其他具有還原性的物質(zhì)進(jìn)行有效的分離，然后采用單掃描示波極譜法測(cè)定CYC含量，該方法分析體系簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)CYC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具有靈敏度較高、操作簡(jiǎn)便、分析成本低等特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

JP-303型示波極譜儀；三電極體系:滴汞電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極(222型)，鉑微電極為輔助電極；BS-2245型電子分析天平；H-S6型恒溫水浴箱；HC-2066 型高速離心機(jī)；優(yōu)普系列ULUP-IV-10T 型超純水機(jī)。

CYC 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:10.00 g·L－1，稱取1.000 0 g CYC 于燒杯中，用水溶解并定容至100.0 mL。

CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液:1.000 g·L－1，移取10.00 mL CYC標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液于100 mL 容量瓶中，用水稀釋至刻度。

NaOH 飽和溶液:23 mol·L－1，稱取92.0 g NaOH 于燒杯中，加入100 mL水溶解，冷卻至室溫后真空抽濾，濾液備用。

KMn O4溶液:0.033 5 mol·L－1，稱取1.7 g KMnO4固體于500 mL 水中，蓋上表面皿，加熱至沸騰并保持微沸狀態(tài)1 h，冷卻至室溫，溶液保存于棕色試劑瓶中，并在室溫下靜置5 d后，用砂芯漏斗過(guò)濾備用[12]。其含量用草酸基準(zhǔn)試劑標(biāo)定。

十二烷基磺酸鈉(SDS)溶液:1.0×10－3mol·L－1，稱取0.014 4 g SDS于燒杯中，用水溶解并定容至50.0 mL。

CYC標(biāo)準(zhǔn)品純度為99%；NaOH 為優(yōu)級(jí)純；其他試劑均為分析純；試驗(yàn)用水為RO 純凈水。

果凍、話梅、菠蘿啤酒樣品采購(gòu)于當(dāng)?shù)爻小?/p>

1.2 儀器工作條件

起始電位－0.20 V；掃描速率0.40 V·s－1；靜止時(shí)間4 s；掃描次數(shù)3 次；汞柱高度45 cm；量程0～4.0×102nA；測(cè)試溫度常溫。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取固體樣品果凍約70 g或話梅約15 g，加水約30 mL，用玻棒搗碎后攪拌10 min，濾紙過(guò)濾，濾液備用；將20 mL 液體樣品菠蘿啤酒放入50 ℃水浴鍋，保溫20 min除去其中的二氧化碳，冷卻至室溫，備用。

取上述處理好的固(液)體樣品溶液20 mL于50 mL 離心管中，加入10 mL 正已烷，振蕩提取5 min后，以2 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心10 min，收集上清液于50 mL燒杯中，加入30 mL水，于70℃保溫30 min，除去溶液中的正己烷，即得到待測(cè)樣品溶液。在10.0 mL 的比色管中依次加入樣品溶液1.0 mL、KMn O4溶液0.10 mL、少量水、NaOH 飽和溶液0.90 mL和SDS溶液0.75 mL，用水稀釋至刻度，搖勻后放入50 ℃恒溫水浴中保溫20 min，冷卻至室溫后倒入10 mL燒杯中，在儀器工作條件下進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 底液的選擇

2.1.1 KMnO4用量

試驗(yàn)通過(guò)KMn O4峰電流與CYC 含量的負(fù)相關(guān)性來(lái)檢測(cè)CYC的，因此KMn O4的濃度需適當(dāng)過(guò)量，使其峰電流足夠大，以保證CYC 能與其完全反應(yīng)，但是KMn O4的用量過(guò)大，又會(huì)使CYC 對(duì)其消耗量不足，難以造成峰電流的明顯改變，所以KMn O4的用量選擇非常關(guān)鍵。

試驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)CYC的質(zhì)量濃度為0.50 g·L－1時(shí)，KMn O4用量分別為0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.50 mL 時(shí)，峰電流分別為6.000×102，5.969×102，6.000×102，4.188×102，5.938×102，3.344×102nA。由此可見(jiàn)，在KMn O4溶液用量為0.05～0.20 mL 時(shí)，峰電流響應(yīng)最好，綜合考慮，試驗(yàn)選擇KMn O4溶液用量為0.10 mL。

2.1.2 NaOH 飽和溶液用量

KMn O4與CYC 的反應(yīng)只有在強(qiáng)堿性條件下才能進(jìn)行，但堿性太強(qiáng)不僅會(huì)腐蝕試驗(yàn)器皿，還會(huì)使反應(yīng)不再均勻緩和地進(jìn)行。試驗(yàn)考察了CYC 標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度分別為0.10 g·L－1(低)和0.50 g·L－1(高)時(shí)，不同用量NaOH 飽和溶液對(duì)峰電流的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 NaOH 用量對(duì)峰電流的影響Fig.1 Effect of the volume of NaOH solution on the peak current

由圖1可知:在高、低質(zhì)量濃度的CYC 標(biāo)準(zhǔn)溶液中，不同用量的NaOH 飽和溶液對(duì)峰電流的影響趨勢(shì)一致，峰電流均隨著NaOH 用量的增加而下降。綜合考慮，試驗(yàn)選擇NaOH 飽和溶液用量為0.90 mL。

2.1.3 表面活性劑的種類和用量

由于表面活性劑可以在溶液中形成膠束，能通過(guò)增大待測(cè)物在溶液中的溶解度來(lái)增大待測(cè)物在電極表面的吸附量，對(duì)峰電流具有增敏作用。

試驗(yàn)考察了表面活性劑SDS、十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)和曲拉通(Triton X-100)對(duì)峰電流的的影響。結(jié)果顯示:SDS對(duì)峰電流的影響較明顯。進(jìn)一步對(duì)其用量考察后發(fā)現(xiàn):SDS溶液的用量為0.75 mL時(shí)，對(duì)峰電流具有較大的增敏作用。試驗(yàn)選擇SDS溶液的用量為0.75 mL。

2.2 反應(yīng)溫度和時(shí)間的選擇

試驗(yàn)考察了CYC 標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度分別為0.10 g·L－1和0.50 g·L－1時(shí)，不同反應(yīng)溫度不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)峰電流的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度及時(shí)間對(duì)峰電流的影響Fig.2 Effect of the reaction temperature and time on the peak current

由圖2結(jié)果表明:在50 ℃下反應(yīng)20 min 時(shí)，KMn O4的峰電流最低最穩(wěn)定，反應(yīng)更完全。為兼顧高、低含量CYC 的檢測(cè)，試驗(yàn)選擇反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為20 min。

2.3 儀器工作條件的選擇

試驗(yàn)考察了CYC 標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度分別為0.10 g·L－1和0.50 g·L－1時(shí)，不同掃描速率(0.10～1.0 V·s－1)、不同掃描次數(shù)(1～8次)、不同靜止時(shí)間(1～10 s)、不同起始電位(－0.20～－0.70 V)、不同汞柱高度(30～55 cm)對(duì)峰電流的影響，優(yōu)化后的儀器工作條件見(jiàn)1.2節(jié)。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

配制質(zhì)量濃度分別為40，60，80，100，110，120，130，140，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700 mg·L－1的CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，在儀器工作條件下測(cè)定，以CYC 的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，KMn O4峰電流為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。CYC的質(zhì)量濃度在40～700 mg·L－1時(shí)與峰電流具有很好的曲線擬合關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為I″p(×102nA)＝－0.010 4ρ3＋0.142 1ρ2－0.645 1ρ＋1.782，相關(guān)系數(shù)為0.990 9，可以用于食品樣品中的CYC含量分析。

按照儀器工作條件對(duì)0.10 g·L－1的CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行連續(xù)10次測(cè)定，以峰電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率之比計(jì)算該方法的檢出限(3s/k)為5.3 mg·L－1，滿足分析要求。

2.5 精密度與穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照儀器工作條件對(duì)0.10 g·L－1和0.50 g·L－1的CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行6次平行測(cè)定，計(jì)算測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.56%，2.29%，說(shuō)明本方法精密度較高。

對(duì)分別含有0.10 g·L－1和0.50 g·L－1的CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液的樣品溶液的敞開(kāi)體系和密閉體系的穩(wěn)定性進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)，敞開(kāi)體系放置時(shí)間為15～90 min，密閉體系放置時(shí)間為12 h內(nèi)時(shí)，樣品溶液處于穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定性較好。

2.6 共存物質(zhì)的影響

由于食品基質(zhì)比較復(fù)雜，試驗(yàn)考察了在0.50 g·L－1CYC溶液中添加了食品中可能共存的離子和添加劑后對(duì)峰電流的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 共存物質(zhì)的干擾Tab.1 Interference of coexisting substances

由表1可知:可能共存的離子和添加劑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)定影響較小；根據(jù)我國(guó)GB 2760－2014的規(guī)定，CYC允許添加量為0.65～8.0 g·kg－1，糖精鈉允許添加量為0.15～5.0 g·kg－1，檸檬酸添加量在10 g·kg－1之內(nèi)，均不會(huì)對(duì)CYC 的測(cè)定產(chǎn)生干擾。

防腐劑山梨酸鉀、抗壞血酸和水溶性色素如檸檬黃、日落黃、胭脂紅等添加劑因不溶于正己烷而不會(huì)在樣品提取溶液中存在，不影響CYC的測(cè)定。

2.7 極譜行為研究

為了確定電極反應(yīng)機(jī)理，按照試驗(yàn)方法配制7種不同混合溶液，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同混合溶液的二階導(dǎo)數(shù)極譜圖Fig.3 Second-order derivate polarogram of different mixture solutions

由圖3可知:在掃描電壓范圍內(nèi)，CYC 會(huì)產(chǎn)生微弱的峰電流，但是其變化無(wú)規(guī)律(曲線7)；KMn O4在－1.0 V 附近產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的還原峰(曲線1)；NaOH 溶液的還原峰電位在－0.50 V 附近(曲線5)；SDS溶液?jiǎn)为?dú)存在時(shí)，無(wú)還原峰出現(xiàn)(曲線6)；CYC-KMnO4產(chǎn)生的還原峰電流與KMn O4的一致，峰電位因CYC 的影響左移至－0.80 V 附近(曲線2)；當(dāng)加入NaOH 溶液后，二者發(fā)生氧化還原反應(yīng)，－0.80 V 處峰電流顯著降低(曲線4)；加入SDS后，－0.80 V 處的峰電流有一定程度的增大，說(shuō)明SDS對(duì)峰電流有增敏作用(曲線3)，因此，試驗(yàn)選擇將－0.80 V 處的峰作為定量檢測(cè)CYC 含量的極譜峰。

根據(jù)以上的結(jié)論，推斷電極的反應(yīng)機(jī)理為:MnO4－在滴汞電極上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靈敏的還原峰，當(dāng)在堿性溶液中時(shí)，其與CYC 發(fā)生氧化還原反應(yīng)，MnO4－被還原為MnO42－，溶液中MnO4－含量降低，其產(chǎn)生的峰電流下降，根據(jù)峰電流變化間接測(cè)定CYC 的含量。電極反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)以下反應(yīng)式:MnO4－＋e－→MnO42－。

2.8 電化學(xué)行為研究

根據(jù)試驗(yàn)方法，當(dāng)CYC標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為0.50 g·L－1時(shí)，試驗(yàn)考察了不同掃描速率對(duì)峰電流的影響。結(jié)果顯示，在掃描速度為200～1 000 mV·s－1時(shí)，測(cè)得的峰電流與掃描速率成正比，其線性回歸方程為:I″p(×102nA)＝0.003 6ν(mV·s－1)＋0.335 3(n＝10)，相關(guān)系數(shù)為0.987 4。由此可推斷，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程受吸附控制。

2.9 回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法先測(cè)定果凍、話梅和菠蘿啤酒樣品中CYC的含量，每種樣品平行測(cè)定3次，然后在其中加入已知含量的CYC 標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of test for recovery

由表2可知:CYC的回收率為90.0%～110%，說(shuō)明本方法具有較好的準(zhǔn)確度。

2.10 方法比對(duì)

用本法與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的分光光度法對(duì)3種樣品進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)其測(cè)定值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2種方法的結(jié)果比對(duì)(n＝3)Tab.3 Comparison of results obtained by the 2 methods(n＝3)

由表3可知:本法與分光光度法[17]的分析結(jié)果很接近，相對(duì)偏差較小，說(shuō)明本法具有較高的準(zhǔn)確度。

本工作建立了一種簡(jiǎn)易的KMn O4氧化-單掃描示波極譜法間接測(cè)定食品中CYC的方法，該方法線性范圍寬，檢出限低，適于甜蜜素含量較高的樣品分析。