氣相色譜法快速測定食品用二氧化碳中的雜質(zhì)

胡德龍，宋海龍，陳家穎

（重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401121）

二氧化碳與人類的生存密切相關(guān)，也是食物鏈中的一種重要物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于碳酸飲料、啤酒，以及食品保鮮等領(lǐng)域。我國是世界第二大經(jīng)濟體，對食品級二氧化碳需求巨大，年需求量接近200 萬噸，且逐年大幅上漲。我國目前食品級二氧化碳?xì)庠粗饕獮榛ぎa(chǎn)品副產(chǎn)的二氧化碳，其中對人體有害的烴、苯、硫、醛、醇等雜質(zhì)的含量有很大的差別。食品級二氧化碳作為一種食品添加劑，對于其中有害雜質(zhì)的檢測是十分必要的。目前國內(nèi)檢測機構(gòu)存在著檢測手段不統(tǒng)一，檢測數(shù)據(jù)缺乏溯源性等問題。新標(biāo)準(zhǔn)GB 1886.228-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》［1］于2017 年1 月1 日正式實施，對于覆蓋范圍、檢測指標(biāo)及檢測方法有詳細(xì)的規(guī)定，但有些檢測方法較為繁瑣，需要的設(shè)備種類較多，溯源體系不夠完善，檢測不確定度偏大，且國內(nèi)對食品級二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究均采用單一組分，在實際檢測中，每種組分需要使用一臺儀器單獨分析。例如，在GB 1886.228-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》［2］中，分析環(huán)氧乙烷、甲醇和苯時需要一臺配置GDX 104 不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀，分析氯乙烯、甲醇和苯時需要一臺配置涂敷10%的聚乙二醇20M的固定相不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀，分析苯系物時需要一臺內(nèi)裝涂敷10%的SE30 硅氧烷固定液的不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀，分析時間較長；在 GB／T 8984 《氣體中一氧化碳、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏臏y定氣相色譜法》［3］中，分析一氧化碳、二氧化碳和甲烷時，需要一臺配置火焰離子化檢測器和甲烷化轉(zhuǎn)化器的氣相色譜儀［4-7］。由此，完成食品級二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等二氧化碳中常見雜質(zhì)的檢測時間比較長且設(shè)備成本較高。為此，筆者選用一種改造后的SC-3000 型氫火焰離子化檢測器氣相色譜儀（GC-FID），建立了食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的快速檢測方法，解決了傳統(tǒng)方法所用設(shè)備復(fù)雜，檢測不確定度偏大等問題，可以為氣相色譜儀配置較少的實驗室提供一種快速檢測二氧化碳中常見雜質(zhì)組分的新方法［8］，大大降低了檢測成本。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀：SC-3000 型，配有SCBWQ 玻璃微球柱（Φ3 mm×2 m，180～250 μm），TDX-01 碳分子篩填充柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），OV-101 阻 力 柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），KB-PLOT Q 毛細(xì)柱(30 m×0.53 mm，20 μm)，雙FID 檢測器，重慶川儀分析儀器公司；

原料氣體：食品添加劑二氧化碳，40 L 鋼瓶，重慶同輝氣體有限公司。

1.2 實驗原理

食品用二氧化碳含有一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等雜質(zhì)，其中除一氧化碳外都是碳?xì)浠衔?，含氫原子?shù)量較多，一氧化碳通過催化加氫的方法可以轉(zhuǎn)化為甲烷，有機化合物在氫火焰中燃燒時發(fā)生化學(xué)電離反應(yīng)，產(chǎn)生正、負(fù)離子，檢測器的發(fā)射極與收集極間有電位差，離子對在兩極間形成離子流，由收集極收集的電子流通過負(fù)載高阻產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)微電流放大器放大后輸送到記錄器，得到相應(yīng)物質(zhì)的色譜峰［9］。因此考慮采用GC-FID 進(jìn)行檢測［10-12］。由于在GC 中各組分使用分離色譜柱不同，為實現(xiàn)一次進(jìn)樣同時檢測目標(biāo)雜質(zhì)組分，在原有單流路色譜系統(tǒng)上，增加分離通道，一次進(jìn)樣，樣品同時進(jìn)入不同通道進(jìn)行分離，根據(jù)各個通道出峰時間差異，不同通道分離的組分在FID 檢測器上分別產(chǎn)生響應(yīng)信號。通過增加自動切換氣動閥和阻力柱等裝置，在不影響目標(biāo)組分出峰檢測的情況下，對每個分離通道中不必要的、保留時間較長的組分進(jìn)行切割反吹，節(jié)約色譜分離檢測時間［13］。在使用一臺GC 的情況下，得到了滿意的結(jié)果。比較國標(biāo)GB 1886.228-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》中規(guī)定采用四臺GC 分別進(jìn)樣檢測的方法，本研究所建立的方法速度更快、采用儀器少。通過實驗數(shù)據(jù)驗證，檢測時間不超過國標(biāo)法的三分之一。為了進(jìn)一步提高其靈敏度和重復(fù)性，優(yōu)化了色譜條件，增加了定量環(huán)體積，取得了滿意的結(jié)果［14］。

1.3 氣相色譜條件

SC-3000 型氣相色譜儀分析食品添加劑二氧化碳雜質(zhì)最佳實驗條件列于表1。

表1 SC-3000 型食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀最佳實驗條件

1.4 實驗方法

根據(jù)食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的不同，利用氣相色譜儀中的“閥切換”、切割反吹等功能，使不同氣路的載氣攜帶著各組分通過不同流路進(jìn)入不同的色譜柱中進(jìn)行分離，不同組分的導(dǎo)熱系數(shù)和產(chǎn)生的離子電流不同產(chǎn)生相應(yīng)強度不等的電信號，由色譜處理軟件進(jìn)行處理，得到相應(yīng)組分的分析結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的選擇

改造后的SC 3000 型食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀配備了3 種組分分析色譜柱和1 個阻力柱：SCBWQ 玻璃微球柱、TDX-01 碳分子篩填充柱、KB-PLOT Q 毛細(xì)柱、OV-101 阻力柱。3 種分析色譜柱均為非極性或弱極性色譜柱，對食品添加劑二氧化碳中各雜質(zhì)表現(xiàn)出很好的分離效果。SCBWQ柱用以分離總烴（C3H8）；TDX-01 柱用以分離一氧化碳、甲烷；KB-PLOT Q 柱用以分離環(huán)氧乙烷、丙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯。而阻力柱用以在不影響目標(biāo)組分出峰檢測的情況下，將每個分離通道中不必要的、保留時間較長的組分進(jìn)行切割反吹，節(jié)約色譜分離檢測時間。

圖1 食品級二氧化碳快速檢測氣相色譜內(nèi)部配置圖

2.2 分析進(jìn)樣閥切換時間的優(yōu)化

改造后的SC 3000 型氣相色譜儀含有3 個分離流路、3 個定量管、1 個甲烷轉(zhuǎn)化器和2 個FID 檢測器，利用2 個氣動十通自動切換閥的切換功能，控制各雜質(zhì)組分隨著載氣定量的流入不同的色譜柱，從而實現(xiàn)分離。為了準(zhǔn)確、快速的分析食品添加劑二氧化碳各雜質(zhì)組分，分析過程的閥切換時間的把控就顯得尤為重要，解決這個問題需要對改造后氣相色譜儀的構(gòu)造進(jìn)行分析，內(nèi)部配置圖如圖1 所示。

圖1 為初始狀態(tài)，2 個切換閥V1，V2 均為關(guān)閉狀態(tài)，色譜柱中只有載氣流過。分析開始進(jìn)樣后，切換氣動閥V2，樣氣經(jīng)過V1 的3-2 通道、5-4 通道以及氣動閥V2 的10-9 通道、6-5 通道、2-1 通道分別進(jìn)入定量環(huán)1（Loop1）、定量環(huán)2（Loop2）和定量環(huán)3（Loop3），完成進(jìn)樣。載氣2（SFV2）將定量環(huán)1（Loop1）中樣品帶入TDX-01 中，CO 和CH4組分首先被色譜柱分離，CO 經(jīng)甲烷化轉(zhuǎn)化器MC轉(zhuǎn)化為CH4，進(jìn)入FID-A 檢測器被檢出，再啟動氣動閥程序V1回復(fù)初始位，剩余組分被載氣1（SFV1）N2 反吹排空，避免TDX-01 色譜柱保留時間長的組分在柱上殘留和大量的CO2進(jìn)入MC 甲烷轉(zhuǎn)化爐。與此同時，啟動氣動閥程序V2，載氣4（SFV4）將定量環(huán)3（Loop3）中樣品經(jīng)分流／不分流進(jìn)樣口帶入PLOT-Q 毛細(xì)管色譜柱中，甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯被毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行預(yù)分離，再進(jìn)入FTD-B 上檢測，而另一路載氣3（SFV3）將定量環(huán)2（Loop2）中樣品帶入SCBWQ 中分離，經(jīng)FID-A 檢測總揮發(fā)烴（THC）。系統(tǒng)同時進(jìn)樣FID-A 和FID-B 分別采集一張色譜圖。CO，CH4，THC 在FID-A 色譜圖中顯示，CH4，C3H8，CH2-CH2O，CH3OH，CH3CHO，CH2CHCl，C6H6在FID-B色譜圖中依次顯示，其中CH4既可在FID-A 圖譜中定量，也可以通過FID-B 圖譜中進(jìn)行定量，二者可以起到相互驗證比對的作用。

為了實現(xiàn)食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)準(zhǔn)確快速分析，首先要進(jìn)行定量進(jìn)樣。改造后的氣相色譜儀準(zhǔn)備就緒后（0 min）要立即打開氣動閥V2，樣品分別經(jīng)定量環(huán)1（Loop1）、定量環(huán)2（Loop2）和定量環(huán)3（Loop3）進(jìn)行充分進(jìn)樣2 min 后，將氣動閥V1 打開，TDX-01 填充柱預(yù)分離組分CO 和CH4，CO 經(jīng)甲烷化轉(zhuǎn)化器MC 轉(zhuǎn)化為CH4，1.8 min左右出現(xiàn)一個色譜峰即CH4，說明CO 和CH4已經(jīng)在TDX-01 填充柱上充分分離。由FID-A 檢測出CO、CH4峰后，立即啟動氣動閥程序V1 回復(fù)初始位，剩余組分被載氣N2反吹排空，避免TDX-01 色譜柱保留時間長的組分在柱上殘留和大量的CO2進(jìn)入MC 甲烷轉(zhuǎn)化爐。在氣動閥V1 打開的同時，啟動氣動閥V2，V2 是雙進(jìn)樣閥，SCBWQ 柱預(yù)分離總揮發(fā)烴，經(jīng)載氣帶到FID-A 檢測，大概在0.5 min左右出峰即為總揮發(fā)烴（THC）；PLOT-Q 毛細(xì)管色譜柱預(yù)分離甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯；8.5 min 左右最后一個組分苯完全流出，說明食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯已經(jīng)充分分離，在10.5 min 啟動氣動閥程序V2 完成所有組分分析檢測。

2.3 氣相色譜儀柱箱溫度的優(yōu)化

針對食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的分析檢測，預(yù)設(shè)了兩種柱箱溫度方案。第一種方案：柱箱溫度恒定在100℃，試驗結(jié)果表明，甲醇和乙醛色譜峰為一個大而寬的合峰，無法很好地分離，同時苯大概在14 min 才出峰，時間較長；第二種方案：采用程序升溫模式，初始溫度設(shè)為80℃，保持5 min 后，以10 ℃／min 升溫至120℃，保留5 min。在第二種方案下，F(xiàn)ID 通道的組分由于柱箱溫度降低，流出速度變慢。甲醇和乙醛可以很好的出峰，苯組分流出速度增大，可有效地縮短分析時間，至此甲烷、一氧化碳、揮發(fā)性總烴、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯雜質(zhì)組分色譜峰可以通過峰切割而各自進(jìn)行定量分析。因此選擇第二種程序升溫方案為食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)分析最佳實驗條件。

2.4 食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)在氣相色譜中的分離順序

實驗所用色譜柱均為非極性或弱極性色譜柱，通常相對分子質(zhì)量越小、沸點越低的組分先流出；若沸點相同或相近，飽和烷烴先流出；碳數(shù)相同的飽和烴類，異構(gòu)程度復(fù)雜的組分先流出；不飽和烴則是雙鍵在中間的組分先出峰。

為了準(zhǔn)確確定各自組分的出峰時間，采用外標(biāo)法確定食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的保留時間，結(jié)果如圖2 和圖3 所示。圖2 為FID-A 通道檢測結(jié)果，出峰時間分別是揮發(fā)性總烴（0.503 min），一氧化碳（1.105 min）和甲烷（1.817 min）；圖3 為FID-B 通道檢測結(jié)果，出峰時間分別是甲烷（1.105 min），丙烷（2.618 min），環(huán)氧乙烷（2.999 min），甲醇（3.465 min），乙醛（3.629 min），氯乙烯（4.465 min），苯（8.487 min）。

圖2 FID-A 通道氣相色譜圖

圖3 FID-B 通道氣相色譜圖

2.5 線性方程、線性范圍和檢出限

在1.2 氣相色譜儀最佳分析條件下，分別在改造后的氣相色譜儀上對進(jìn)樣濃度為5.00，25.0，50.0 μmol／mol 甲烷、一氧化碳、丙烷標(biāo)準(zhǔn)氣體；1.00，2.00，5.00 μmol／mol 環(huán)氧乙烷標(biāo)、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行定量分析。以標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度（x）為橫坐標(biāo)，以色譜峰面積（y）為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，計算線性方程和相關(guān)系數(shù)，以3 倍基線噪聲所對應(yīng)待測雜質(zhì)組分的質(zhì)量計算方法檢出限。線性方程、線性相關(guān)系數(shù)及檢出限列于表2。由表2 可知，食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分分析方法線性度良好，線性相關(guān)系數(shù)不小于0.999 8。

表2 食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.6 精密度與準(zhǔn)確度試驗

在1.3 色譜條件下，重復(fù)測定二氧化碳中8 種雜質(zhì)的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，進(jìn)行精密度試驗［16］與準(zhǔn)確度試驗，試驗結(jié)果見表3。由表3 可知，8 種雜質(zhì)測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%，與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差小于2%，說明該方法準(zhǔn)確度較高。

2.7 比對試驗

為了驗證本試驗方法可以準(zhǔn)確快速的分析出食品添加劑中各雜質(zhì)組分的含量，與采用國標(biāo)GB1886.228-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》分析測量方法進(jìn)行了對比試驗。試驗表明，采用改造后的氣相色譜儀，在優(yōu)化試驗條件下測量食品添加劑二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等雜質(zhì)的時間為48 min 左右；而采用國標(biāo)分析方法測量時，檢測時間為135 min 左右。本方法的檢測時間較國標(biāo)規(guī)定的方法，縮短為近三分之一。

表3 精密度與準(zhǔn)確度試驗結(jié)果

3 結(jié)語

選用一種改造后的SC-3000 氣相色譜儀，快速準(zhǔn)確地分析食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分。該氣相色譜儀配備有二閥四柱系統(tǒng)，同時配備了三個定量管、二個FID 檢測器可以自動合并，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地分析出食品添加劑二氧化碳中各雜質(zhì)組分。采用外標(biāo)法確定了食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的保留時間，很好的實現(xiàn)了定性分析。該方法可以通過一次性進(jìn)樣，快速的準(zhǔn)確的分析食品添加劑二氧化碳中的總烴、一氧化碳、甲烷、環(huán)氧乙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯含量，且分析方法線性度良好，精密度較高，與現(xiàn)行國標(biāo) 《GB1886.228-2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》檢測方法，使用4 臺甚至更多儀器設(shè)備來檢測，提高了工作效率。

該方法適用于食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的測定，為食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)分析提供了一種新的快速分析手段。該方法成本低，符合國家提倡的綠色和環(huán)保方向。