紅外光譜法和X-射線熒光能譜法快速鑒別硫熏八角及其粉制品

施磊 宋小嬌 徐露琦 宋浩 陳怡洪

摘? 要：本研究采用傅里葉變換紅外光譜法和X-射線熒光能譜法分別測定試驗室模擬不同干燥處理方法得到的干八角及其粉制品、市售八角、市售八角粉制品，詳細探討了不同制樣方法對測試結果的精密度的影響，以為食品安全監(jiān)督部門快速鑒別硫熏和非硫熏八角提供方法和技術參考。紅外光譜測試結果表明八角硫熏后，1 464cm-1、1 248cm-1和965cm-1等處的吸收峰有明顯變化;同一八角的不同部位成分有差異，其中尖部比根部的八角茴香油等油脂類成分要高。X-射線熒光能譜法的測試結果表明，八角硫熏后，硫元素的相對含量明顯上升;相較于切片法、切片后壓片法，粉末壓片制樣法測定硫元素相對含量的結果的精密度最好。運用建立的兩種方法，測定市售的10種八角及粉制品，發(fā)現(xiàn)有4種在干燥過程中進行了硫磺熏蒸。硫磺熏蒸對八角的化學成分以及其中的硫元素含量有一定的影響，因此綜合應用傅里葉變換紅外光譜法和X-射線熒光能譜法可有效、直觀、快速地鑒別硫熏和非硫熏八角。

關鍵詞：八角;粉制品;硫熏;紅外光譜法;X-射線熒光能譜法

中圖分類號：R155.5

基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（省級指導）。

作者簡介：施磊，男，本科，研究方向為刑事科學技術鑒定。

八角，俗稱大料、大茴，為木蘭科植物八角茴香干燥后的成熟果實，因其形如八角，故稱八角。八角具有抗炎、鎮(zhèn)痛、溫陽散寒、理氣止痛等功效，可用于腎虛腰痛、胃寒嘔吐、腰腹脹痛等疾病[1]。

由于八角收獲季節(jié)多為雨季，自然晾干有可能引起八角霉變，影響其經濟價值。因此，加工商販多采用硫磺熏制八角，熏制后雖然可以除去水分，達到防霉、防蛀蟲、漂白護色的效果，使八角表面變得鮮亮，品相更好，但是硫磺熏制后部分二氧化硫殘留在八角中，不僅會改變八角的成分、影響其口感，還對人體有一定的危害。所以鑒別八角干燥過程中是否進行了硫熏，既是食品檢測部門監(jiān)控食品安全的工作內容之一，又是購買的食品是否安全的依據(jù)之一。

鑒別硫磺熏蒸食品的方法有很多，例如滴定法[2]、離子色譜法[3]、熒光分光光度法[4]、氣相色譜法[5]、高效液相色譜-質譜法[6]、表面解吸常壓化學電離質譜法等。2010年，Shu X[7]從八角中提取出多糖，并用紅外光譜法和高效液相色譜法對八角中的多糖進行了定性和定量研究，該論文對于人們了解、認識八角中的糖類成分及含量有較好的參考價值。2013年，羅麗萍等[8]自行研制出表面解吸常壓化學電離質譜儀進行鑒定，實現(xiàn)了硫磺熏制八角的快速鑒別，具有很高的市場價值，但是其使用的檢驗儀器為自行研制產品，儀器尚未商用化，無法普遍推廣。2017年，耿志旺等[9]提出采用便攜式X-射線熒光光譜儀快速篩選硫熏八角，具有很強的實際意義，但便攜式儀器檢測的靈敏度有限。本文旨在建立快速區(qū)分硫熏八角與非硫熏八角的測樣方法及前處理方法，為市場監(jiān)管部門進行硫磺熏蒸產品的檢測鑒定提供方法和技術指導。

1 試驗部分

1.1 儀器、試劑及耗材

Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀：賽默飛世爾科技（中國）有限公司，使用DTGS檢測器、ATR附件、OMNIC軟件;X-射線熒光能譜儀：EDAX聚焦熒光能譜儀，采用ORBIS系統(tǒng)，軟件為ORBIS Vision;Mini-Pellet Press型紅外光譜壓片機：美國SPECAC公司;BJ-150型研磨儀：拜杰電器有限公司;YP20002型電子天平：上海光正醫(yī)療器械有限公司。

硫磺、乙醇：均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;去離子水，18.2MΩ·cm。

手術刀片、邁拉膜、樣品杯、干燥器、坩堝。

1.2 儀器工作條件

紅外光譜測試參數(shù)：硅碳棒光源;掃描次數(shù)為32次;光譜分辨率為4cm-1。切片樣本采用ATR法測試，數(shù)據(jù)采集范圍為4 000～650cm-1;粉末樣本采用透射法測試，數(shù)據(jù)采集范圍為4 000～650cm-1。

X-射線熒光能譜測試參數(shù)：真空環(huán)境下測試;電壓40V;電流800μA;X-射線光斑大小為2mm，金屬擋板為25μm鋁板。

1.3 樣品采集與制備

1.3.1 新鮮八角的干燥及熏蒸

新鮮八角購于廣西玉林，均為同一批次且體型相當。首先將新鮮八角均分為兩部分，每部分500g，通過直接干燥和殺青干燥兩種不同的干燥工藝對八角進行預處理。直接干燥即將新鮮八角攤曬在草席上暴曬7d，每隔24h翻動一次。殺青干燥即將新鮮八角放入盛有沸水的鍋中，持續(xù)加熱攪拌十分鐘后撈出，攤曬在草席上暴曬7d，每隔24h翻動一次。

從上述處理好的兩部分八角樣品中各取250g，分別進行硫磺熏蒸，硫磺熏蒸模擬裝置見圖1。熏蒸方法如下：稱取10g硫磺置于坩堝中，將坩堝置于干燥器的底層，并點燃坩堝中的硫磺。在干燥器內放上瓷板后并在瓷板上鋪上濾紙，將250g待熏蒸八角置于濾紙上，蓋上干燥器的蓋子，熏蒸12h后取出。樣品的制備處理過程及其編號，見圖2。

1.3.2 市售干八角及粉制品的采集

通過網(wǎng)絡途徑和實體店鋪采購八角及粉制品樣品共10種，其中完整八角8種，八角粉末2種，樣本的詳細信息見表1。

1.4 試驗方法

通過顯微法觀察同一個八角的不同部位，發(fā)現(xiàn)根部和尖部有較為明顯的差異。其中，八角的尖部顏色呈棕紅色、質地較軟，根部的顏色較深、質地更硬，切開所需要的力更大。因此，本研究對同一八角樣本的不同部位進行了紅外吸收光譜和X-射線熒光能譜分析。

1.4.1 傅里葉變換紅外光譜法

切片法：對于上述自制的干八角樣品及采購的干八角樣本，用手術刀分別從同一八角的根部和尖部切取平整的樣品片，置于ATR附件上，采集其紅外吸收譜圖。

粉末壓片法：將自制的干八角樣品及采購的干八角樣本置于研磨儀中研磨成粉末，采用溴化鉀壓片法制成薄片，采用透射法采集其紅外吸收譜圖。

1.4.2 X-射線熒光能譜法

切片法：樣本的制備方法與紅外光譜法的切片法相同。

切片壓片法：將切好的樣品片置于液壓機的模具中壓成緊實的薄片。

粉末壓片法：將研磨后的樣本粉末置于液壓機的模具中壓片。

將三種方法制成的樣品放置于X-射線熒光能譜的樣品杯中，測定樣品的X-射線熒光能譜圖。

2 結果與討論

2.1 傅里葉變換紅外光譜法檢驗八角及粉制品

2.1.1 同一八角不同部位的均一性研究

采用衰減全反射紅外光譜法分別測定5個不同八角的尖部和根部的紅外吸收譜圖，發(fā)現(xiàn)同一樣本的尖部和根部的吸收譜圖均有著較為明顯的差異，見圖2～圖3。八角的尖部和根部在3 290cm-1、2 916cm-1、2 849cm-1、1 608cm-1、1 509cm-1、1 463cm-1、1 441cm-1、1 417cm-1、1 376cm-1、1 244cm-1、1 174cm-1、964cm-1、838cm-1、736cm-1、756cm-1處均有相同的吸收峰，但是在1 733cm-1、1 576cm-1、1 111cm-1、719cm-1處八角的尖部吸收峰較為明顯，在3 023cm-1、2 955cm-1、2 931cm-1、1 539cm-1、1 733cm-1處八角的根部吸收峰較為明顯。其中，尖部在2 916cm-1、2 849cm-1和1 733cm-1處的吸收峰比根部高，尖部在3 023cm-1處的吸收峰比根部低。2 916cm-1、2 849cm-1和1 733cm-1這3處吸收峰均由于八角茴香油所引起[10]，其中2 916cm-1和2 849cm-1是由亞甲基C-H伸縮振動的吸收峰所引起、1 733cm-1是由碳氧雙鍵伸縮振動的吸收峰所引起，此三處吸收峰均歸屬于酯類[11];3 023cm-1處吸收峰是由不飽和碳上的碳氧單鍵伸縮震動所引起，歸屬于糖類和蛋白質。因為同一個八角不同部位的紅外譜圖的吸收峰并不相同，所以在用切片法制備八角樣品時，不能隨意切取八角制樣，應對八角的不同部位取樣。

2.1.2 切片制樣法檢測八角硫熏前后紅外吸收光譜的研究

采用切片制樣法，分別從硫熏前后兩種不同干燥方法制得的八角的不同部位上取樣，測定其紅外吸收譜圖，見圖5～圖6。對比相同干燥方法制得的八角的同一部位在硫磺熏蒸前后的差異，可以發(fā)現(xiàn)在1 464cm-1、1 248cm-1和965cm-1這三處硫熏前后吸收峰有較為明顯的變化。其中，經過硫磺熏蒸的八角在965cm-1處的吸收峰比未經過硫磺熏蒸的八角的吸收峰更高，這是因多糖的碳氧雙鍵變形振動而產生的;硫熏后的八角在1 248cm-1處的峰比硫熏前八角在該處的吸收峰高，這是由于八角經過硫磺熏蒸后，增加了硫氧雙鍵和硫氧單鍵而引起吸收峰增強，且硫磺熏蒸過的八角在1 464cm-1處的吸收峰會與1 510cm-1處的吸收峰的高度更接近，可用于區(qū)分八角是否經過硫磺熏蒸。

2.1.3 粉末壓片制樣法檢測八角硫熏前后紅外吸收光譜的研究

通過分析切片制樣法檢測八角不同部位的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)八角的不同部位成分存在差異。為獲得更全面的八角樣品成分信息，將八角磨成粉末后，用KBr壓片法制成薄片，測定其紅外吸收譜圖，結果見圖7～圖8。對于，通過分析硫熏前后八角粉末的吸收峰可以發(fā)現(xiàn)，硫熏后的粉末在1 510cm-1處產生的吸收峰比硫熏前粉末的吸收峰更高，硫熏后會在1 282cm-1和1 174cm-1處產生一個新的吸收峰，這是由于酯類共價鍵破壞、消失、整合，從而形成了新的酯類，此處吸收峰的形成可用于鑒別八角粉末是否經過硫磺熏蒸。

2.1.4 市場購得的10種八角樣品紅外譜圖分析

將八角磨成粉末充分混勻后，采集的紅外譜圖能獲得樣本更穩(wěn)定、信息更全面，因此將市場上購得的10種八角樣品中的8種完整八角分別研磨成粉末，與購買的兩種八角粉末樣品，分別使用紅外光譜法測定其紅外吸收譜圖，見圖9。通過分析紅外光譜圖可以發(fā)現(xiàn)，2、6、7以及10號樣本在1 510cm-1處產生的吸收峰較高，且這4個八角樣本1 464cm-1處的吸收峰會與1 510cm-1處的吸收峰的高度更接近。結合上述試驗結果，可以認定2、6、7以及10號樣本八角經過硫磺熏蒸。

2.2 X-射線熒光能譜法檢驗八角及粉制品

紅外光譜法檢驗八角主要是通過吸收峰的位置、數(shù)目、形狀、強度的差異來判斷八角在干燥過程中是否采用硫磺熏蒸，但無法準確確定硫元素的含量的變化，而X-射線熒光能譜法能簡便、快速檢測出八角中元素組成及元素的相對含量，故采用X-射線熒光能譜法進一步檢測八角樣本，以給出八角硫熏前后硫元素相對含量的變化。

采用X-射線熒光能譜法測定八角切片和粉末中硫元素相對含量時，經過多次試驗發(fā)現(xiàn)，八角切片和粉末中P、S、K、Ca、Mn、Fe的6種元素所占含量百分比較高，見圖10～圖13，故后續(xù)X-射線熒光能譜法僅選擇測定八角中P、S、K、Ca、Mn、Fe這6種元素的含量作為判斷硫元素相對含量高低的比較值，即所測定的八角中硫元素相對含量為硫元素在這6種元素中的所占比，為相對標準含量。

2.2.1 同一八角不同部位硫元素相對含量均一性研究

分別取3個硫熏前后直接干燥、殺青干燥的八角樣品，從每個八角的5個不同角的根部和尖部取樣測試，測定數(shù)據(jù)結果見表2。分析所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同一八角的不同角的同一部位的硫元素相對含量的相對標準偏差在1.5%～6.62%，說明采用切片制樣法檢測八角的硫元素相對含量有一定的可行性。

分析試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，直接干燥法所得的八角硫元素相對含量普遍高于殺青干燥所得的八角硫元素相對含量，可說明殺青干燥法比直接干燥法更能有效降低八角中的硫元素相對含量，可為八角的干燥方法提供一定的參考。通過比較八角硫熏前后同一部位的硫元素相對含量發(fā)現(xiàn)，經過硫磺熏蒸的八角，其根部和尖部的切片硫元素相對含量較未經硫熏的八角具有明顯差異，直接干燥后熏蒸后硫元素相對含量為熏蒸前的1.9倍，殺青干燥后經過硫磺熏蒸所得的八角硫元素相對含量變?yōu)檠羟暗?.8倍，其中熏蒸后八角硫元素相對含量增幅最大可達熏蒸前的2.2倍，硫元素相對含量增幅最小的也達到熏蒸前的1.65倍，說明經過硫磺熏蒸，八角的根部和尖部硫元素相對含量確實會有一定的且較為明顯的變化，由此為通過測定八角中硫元素相對含量的變化鑒別八角是否經過熏蒸提供了依據(jù)和基礎。

2.2.2 切片制樣法測定不同八角同一部位硫元素相對含量的重復性研究

分別隨機取同一批八角硫熏前、硫熏后的5個樣品，采用切片制樣法分別測量根部和尖部硫元素相對含量，測定數(shù)據(jù)結果見表3。通過分析數(shù)據(jù)，計算各組數(shù)據(jù)的平均含量以及相對標準偏差可知，同一批次的八角硫磺熏蒸前后，通過切片制樣法檢測所得的相對標準偏差為1.75%～6.53%，相對標準偏差總體偏大，因此用切片制樣法檢測八角硫元素相對含量雖然具有一定的可行性，但并不是檢測八角硫元素相對含量的最優(yōu)方法。分析試驗數(shù)據(jù)可知，同一批八角經過硫磺熏蒸后，其硫元素相對含量具有一定的穩(wěn)定性，具備進行重復性研究的條件。比較同一批八角硫磺熏蒸前后試驗數(shù)據(jù)可知，硫磺熏蒸后八角的硫元素相對含量有著較為明顯的變化，其中硫磺熏蒸后的八角硫元素相對含量增幅最小的為熏蒸前的1.75倍，硫元素相對含量增幅最大的達到熏蒸前的3倍。

2.2.3 切片壓片制樣法測定八角中硫元素相對含量

采用切片制樣法制樣測定八角中的硫元素相對含量時，通常會出現(xiàn)同一八角的不同部位、不同八角同一部位所測得的硫磺相對含量存在差異的情況，從而使得數(shù)據(jù)不具備較好的穩(wěn)定性，且相對標準偏差偏大。分析制樣方法，推斷可能是由于切片制樣法制得的八角樣品的厚薄不均，且未將八角纖維組織細胞中的水除去，使測定結果中氧元素的相對含量偏高，導致硫熏與未硫熏八角中硫元素相對含量差異不明顯，數(shù)據(jù)相對標準偏差偏大。所以，將硫磺熏蒸前后兩種不同的方法制得的八角，分別從根部和尖部切片后置于壓片機中壓片后，再測定其硫磺的相對含量，每類八角取樣5個，試驗結果見表4。分析試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，測定通過檢測壓片法制得的樣本，其硫元素相對含量數(shù)據(jù)的精密度更好，數(shù)據(jù)的相對標準偏差更小。將壓片法制得的硫磺熏制后的樣本與切片法制樣所得的樣本，進行硫元素相對含量的比較，可以發(fā)現(xiàn)，切片壓片制樣法制得的硫磺熏蒸后的樣本普遍高于切片制樣法制樣所得的樣本的硫元素相對含量，這也是由于壓片法可以將八角纖維組織細胞中的水除去，間接降低了八角中氧元素的占比，提高了硫的相對標準含量。

2.2.4 粉末壓片制樣法測定八角硫元素相對含量重復性研究

前文分別采用了兩種不同的制樣方法測定八角中的硫元素相對含量，切片制樣法和切片壓片制樣法測定八角中硫元素相對含量時，因為八角不同部位的物質成分有差異，且組織細胞中的水未除去，故使所測得的數(shù)據(jù)波動性較大，從而導致相對標準偏差偏大。為進一步提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，本文進一步改進了制樣方法，將硫磺熏蒸前后兩種不同干燥方法制得的八角，經研磨儀研磨成粉末后壓成薄片，每組重復取樣5次，試驗測定所得結果見表5。

分析試驗數(shù)據(jù)可知，使用粉末壓片制樣法測定八角粉末中的硫元素相對含量時，其相對標準偏差的波動范圍為1.5%～3.8%，較切片制樣法和切片壓片制樣法相比，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性明顯提高。對比硫熏前后兩種不同的八角粉末的硫元素相對標準含量數(shù)據(jù)可知，直接干燥法制成的八角所研磨成的粉末，硫元素相對含量普遍高于殺青干燥所得的八角制成的粉末。直接干燥和殺青干燥后經過硫磺熏蒸的兩種八角，其硫元素相對含量為原未經過熏蒸的八角中硫元素相對含量的1.5倍以上，八角硫熏前后的硫元素相對含量存在較為明顯的差異。殺青干燥后的八角在硫熏前后的硫元素相對含量均低于直接干燥后八角的硫元素相對含量，說明殺青干燥法更能夠降低八角中的硫元素相對含量。

2.2.5 市場購得的八角及粉制品硫元素相對含量測量

綜合比較切片制樣法、切片壓片制樣法以及粉末壓片制樣法這3種制樣方法，可以發(fā)現(xiàn)粉末壓片制樣法能有效除去組織細胞中的水分，并能使八角中各部位混合均勻，測定的數(shù)據(jù)精密度最好，相對標準偏差最小。因此，在檢測市場上購得的八角及八角粉中的硫元素相對含量時，采用了粉末壓片制樣法。將市場上購得的8種完整八角樣本研磨成粉末和市場上購得的2種八角粉末分別壓片制樣，測定其硫元素相對含量，測定結果見表6。分析試驗數(shù)據(jù)可知，硫元素相對含量相對標準偏差在1.9%～4.1%，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，說明粉末壓片制樣法對于檢測八角中的硫元素相對含量的效果最好。在市場上購得的常見的10種八角及粉制品中，有4種樣本的硫元素相對含量在10.19%～13.19%范圍，其余6種測得的硫元素相對含量最高的僅為5.34%，最低的只有4.80%。因此，測定的10種八角及粉制品中，編號為2、6、7、10的樣本經過硫磺熏蒸，與紅外光譜法測定結果相吻合。

3 結論

本文旨在建立傅里葉變換紅外光譜技術和X-射線熒光能譜技術快速鑒別硫熏與非硫熏八角的方法，為食品安全監(jiān)督管理部門提供執(zhí)法依據(jù)。在利用紅外光譜法檢測同一八角樣品成分的均一性試驗中發(fā)現(xiàn)其不同部位成分存在一定差異，因此采用切片法取樣時，要注意對不同部位進行分析。與切片法相比較，粉末壓片制樣法則將樣品磨成粉末，充分混勻后，采用溴化鉀壓片制樣法進行多次平行測試，可獲得分析樣品組成成分的綜合信息。X-射線熒光能譜圖可快速獲得樣品的元素組成及相對含量的信息。相較于切片法和切片后壓片法，采用粉末壓片制樣法制備樣品，測試分析樣品中硫元素的相對含量，所得結果的精密度較好。綜合運用優(yōu)化后的樣品制備方法以及建立FT-IR和XFS方法分析市售八角及粉制品是否經過硫熏，不僅可為食品安全檢測部門提供可靠的分析方法，還可為打擊食品、藥品等領域違法犯罪活動提供指導和證據(jù)。

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