食品添加劑二氧化碳氣體中雜質(zhì)含量的分析方法

周陽，尹強，葉麗芳，賈相銳，毛沅文

（廣東省計量科學研究院，廣州 510415）

二氧化碳是一種重要的食品添加劑，廣泛應(yīng)用于碳酸飲料、啤酒的生產(chǎn)中。我國的食品級二氧化碳原料主要來源于化肥廠、石灰窯、釀酒廠的尾氣以及熱電站、煉鐵廠煙道氣等副產(chǎn)品［1］。由于部分企業(yè)生產(chǎn)、提純工藝落后，食品級二氧化碳氣體常含有多種雜質(zhì)。食品級二氧化碳的質(zhì)量與廣大消費者的身體健康息息相關(guān)，其中的各種雜質(zhì)若超標將對人體造成極大的危害。我國于2016 年8 月31號發(fā)布了國家標準GB 1886.228-2016 《食品安全國家標準 食品添加劑 二氧化碳》，對氣態(tài)二氧化碳中各雜質(zhì)含量提出了十分嚴格的控制指標，具體要求見表1。

表1 氣態(tài)二氧化碳理化指標

二氧化碳來源不同，其雜質(zhì)含量相差較大。現(xiàn)有二氧化碳標準物質(zhì)大多采用單一組分制備，但每種雜質(zhì)所用設(shè)備的種類和方法復雜，例如氧雜質(zhì)含量的分析，可用氣相色譜法［2］或者電化學法［3］；一氧化碳含量分析，可用長光程差分吸收光譜法［4］或光腔衰蕩法［5］；一氧化氮和二氧化氮雜質(zhì)，可用化學發(fā)光法［6-7］；二氧化硫、總硫（二氧化硫除外）、苯和含氧有機物等雜質(zhì)含量分析，可用氣相色譜法［8-10］；氰化氫雜質(zhì)含量分析，可用頂空氣相色譜法［11］；氨氣雜質(zhì)含量分析，可用光腔衰蕩法［12］。為了對食品添加劑中各雜質(zhì)含量進行準確的定性定量，需要了解各種分析方法的特點。筆者根據(jù)國家標準GB 1886.228-2016 對二氧化碳中的氧、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、苯、甲醇、乙醛、環(huán)氧乙烷、氯乙烯、氨、氰化氫等雜質(zhì)含量的分析方法進行綜述。

1 分析方法

1.1 微量及痕量氧分析方法

氧含量是食品級二氧化碳純度分析的一個重要指標，現(xiàn)行國家標準要求食品級氣態(tài)二氧化碳中氧雜質(zhì)含量不高于30 μL／L。隨著高純氣體的發(fā)展，有多種方法可以對氣體中痕量氧濃度進行精確檢測，如氣相色譜法［2］、電化學法［3］、傳感器法［13］等。

1.1.1 氣相色譜法

吳夢一等［14］建立了二氧化碳中微量氧的氣相色譜分析方法。該研究選用配置了氦離子化檢測器（PDHID）的氣相色譜儀，配有一根硅膠柱、一根5A 色譜柱。選用硅膠柱為預柱，用于排空二氧化碳；5A 柱作為分離柱，分離氧及其它組分。閥切換時間設(shè)置如下：0 min 六通閥開，四通閥關(guān)；0.2 min 六通閥關(guān)；0.8 min 四通閥開。該研究得到最佳二氧化碳中氧含量的測量條件：5A 柱柱溫為120 ℃，檢測器溫度為120 ℃，柱流量為60 mL／min，樣品流量為150 mL／min。實驗結(jié)果表明，二氧化碳中微量氧的氣相色譜分析方法檢測限達10 nmol／mol，精密度優(yōu)于0.37%，可用于食品級二氧化碳中氧雜質(zhì)含量的檢測。

1.1.2 電化學法

電化學法又分為原電池法、燃料電池法及赫茲電池法。該法適用于不與電化學反應(yīng)器(化學電池)發(fā)生化學反應(yīng)且不干擾測定的氣體。將被測組分以適當形式置于化學電池中進行檢出和測定。

李春瑛等［15］采用重量法制備了二氧化碳中氧氣體標準物質(zhì)，使用GPR 1600 型微量氧分析儀以電化學法對二氧化碳中氧雜質(zhì)的濃度進行確認，測得數(shù)瓶二氧化碳原料氣中痕量氧雜質(zhì)的濃度為0.05～0.94 μmol／mol。

1.2 痕量一氧化碳分析方法

一氧化碳是一種無色、無臭、無刺激性氣味的氣體，極易與血紅蛋白結(jié)合，使血紅蛋白喪失攜氧能力，造成組織窒息，嚴重時會導致人死亡。食品添加劑二氧化碳國家標準要求一氧化碳濃度不超過10 μL／L。一氧化碳濃度的檢測方法主要有氣相色譜法、吸收光譜法等［16］。其中，吸收光譜法成本低，靈敏度高，測量快速，可靠性高，被越來越多運用于痕量氣體測量［17］。測量一氧化碳的光譜方法主要有長光程差分吸收光譜法、光腔衰蕩光譜法、非色散紅外光譜法等。

1.2.1 長光程差分吸收光譜法

近年來，應(yīng)用量子級激光器（QCL）對處于紅外“指紋區(qū)”的氣體進行痕量檢測分析的發(fā)展十分迅速。QCL 具有單色性好、量子效率高、波長設(shè)計靈活、溫度穩(wěn)定性好以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點［18］。呂默等［4］采用配有波長為4.65 μm 量子級聯(lián)激光器的新型一氧化碳檢測儀，利用長光程差分吸收光譜技術(shù)在系統(tǒng)光程為12 m 的條件下對一氧化碳進行檢測，儀器檢測下限為1.08×10-7mol／mol，靈敏度達到6.1×10-8mol／mol，在2 h 的穩(wěn)定性測試中，儀器穩(wěn)定度可達2.1×10-3mol／mol，在長達12 h 的穩(wěn)定性測試中，穩(wěn)定度仍可達到1.7×10-2mol／mol。

1.2.2 光腔衰蕩光譜法

光腔衰蕩方法利用高品質(zhì)光腔，對一氧化碳的有效吸收長度可達數(shù)百千米，具有很高的探測靈敏度，而基于通訊波段的分布式反饋半導體（DFB）激光器的光腔衰蕩技術(shù)（CRDS）可以補償在近紅外波譜線的劣勢。

陳兵等［5］介紹了利用通訊波段DFB 激光器搭建的探測痕量一氧化碳氣體的CRDS 裝置，該裝置對一氧化碳的測量極限可達4 nmol／mol，光譜頻率的相對精度可達0.000 26 cm-1，筆者進一步應(yīng)用該裝置對實際大氣中的一氧化碳含量進行了實時監(jiān)測。

1.3 痕量一氧化氮分析方法

食品級二氧化碳中的一氧化氮等雜質(zhì)通過食品進入人體，會對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害［19］。一氧化氮在空氣中不穩(wěn)定，很快轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸a(chǎn)生刺激作用，氮氧化物主要對人體呼吸道有損害作用。通常利用一氧化氮與O3反應(yīng)的化學發(fā)光法（chemiluminescence，CL）對一氧化氮濃度進行測定，該法靈敏度較高，可達0.05 μmol／mol［6］。

文秋真［20］采用稱量法制備了濃度為1～10 μmol／mol 的氮中一氧化氮氣體標準物質(zhì)，并采用化學發(fā)光法對氮中一氧化氮進行比較定值。采用國家一級氣體標準物質(zhì)（GBW 08192 氮中一氧化氮）標定儀器，對三瓶制備的氮中一氧化氮混合氣體進行6 次連續(xù)進樣，相對標準偏差分別為0.14%、0.05%和0.01%，分析測試方法的相對標準偏差遠小于標準物質(zhì)的合成不確定度，該法具有良好的重復性。

1.4 痕量二氧化氮濃度分析方法

二氧化氮具有腐蝕性，毒性和生理刺激作用，可通過呼吸作用進入人體肺部，當二氧化氮含量過高時，對人體的呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)造成損害，誘發(fā)一系列的呼吸系統(tǒng)疾病，長期吸入還可能改變肺部構(gòu)造［21-22］。因此，控制二氧化氮含量至關(guān)重要。目前測量二氧化氮的分析方法主要有化學發(fā)光法、腔衰蕩光譜技術(shù)等。

1.4.1 化學發(fā)光法

化學發(fā)光法響應(yīng)時間短，測量結(jié)果可信，靈敏度高，已成為環(huán)境監(jiān)測站測量二氧化氮的首選方法［7］。

曹瑋等［23］建立了一套氮氧化物光解反應(yīng)裝置，二氧化氮在390～395 nm 光源下光解后轉(zhuǎn)化為一氧化氮，再利用化學發(fā)光法檢測。研究表明，基于光解技術(shù)的化學發(fā)光法可使亞硝酸和過氧乙?；跛狨ィ≒AN）等其它含氮物質(zhì)對測定二氧化氮的干擾小于3%，且該法具有較高的光解轉(zhuǎn)化效率（約80%）。與PLC860-CLD88p (ECO PHYSICIS)進行了比對試驗，二氧化氮的測量結(jié)果基本一致，驗證了該法實際測量的可信度。

1.4.2 腔衰蕩光譜技術(shù)

腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）測量原理是分析光在衰蕩腔內(nèi)多次反射的衰蕩時間來獲得腔內(nèi)待測氣體的濃度信息，即腔體內(nèi)二氧化氮氣體濃度與不含二氧化氮時的本底衰蕩時間以及含有二氧化氮時的衰蕩時間存在函數(shù)關(guān)系，通過測量上述兩個時間來計算二氧化氮的濃度。

Osthoff 等［24］以YAG 激光器為光源，利用脈沖腔衰蕩光譜技術(shù)在532 nm 處測量大氣中的二氧化氮濃度，檢測限為0.04 nmol／mol，在實驗室條件下儀器響應(yīng)準確度在±4%內(nèi)。CRDS 測量簡單，功耗低，靈敏度高，時間分辨率高，且不受其它氣體干擾，為二氧化氮高靈敏度和高時間分辨率的測量提供了一種新的方法。

1.4.3 傅里葉變換紅外光譜法

李劍等［25］建立了用于精確測量低濃度二氧化氮的傅里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的分析方法。該分析方法運用動態(tài)稀釋法測量不同濃度二氧化氮標準氣體的濃度，顯示出良好的線性響應(yīng)，并以此建立校準方程。筆者采用9.78 μmol／mol 的氮中二氧化氮標準氣體對系統(tǒng)進行準確度驗證，與標稱值比較，相對差值為0.3%，表明該系統(tǒng)測量結(jié)果準確；兩組穩(wěn)定性試驗的相對標準偏差分別為0.2%和0.5%，說明該分析方法可以長期穩(wěn)定使用。

1.5 痕量二氧化硫分析方法

二氧化硫是一種在常溫下具有強烈辛辣窒息性氣味的氣體，當空氣中二氧化硫的濃度為0.3 μmol／mol 時，敏感者便能聞到臭味，二氧化硫可使人呼吸道變狹窄，導致呼吸道疾病，高濃度時，可造成死亡，如果長時間小劑量接觸二氧化硫，也會造成二氧化硫慢性中毒［26-27］。GB 1886.228-2016 食品添加劑二氧化碳中嚴格要求食品添加劑二氧化碳中的二氧化硫含量不大于1.0 μmol／mol。

李春瑛等［8］研究制備了1～10 μmol／mol 的二氧化碳中的二氧化硫氣體標準物質(zhì)，并對其進行了分析和定值。該研究采用帶有氫火焰離子化檢測器（FPD）的日本島津2014 型氣相色譜儀對二氧化碳中二氧化硫進行檢測，F(xiàn)PD 是一種硫化物檢測器，含硫的物質(zhì)在火焰燃燒時會發(fā)出特征光譜。該研究考察了最佳分析條件：色譜柱為Gaspro（0.32 mm×25 μm，30 m，美國瓦里安公司），柱溫為170 ℃；檢測器溫度為210 ℃，進樣口溫度為150 ℃，柱流量為5 mL／min，尾吹氣流量為8 mL／min，流量模式為恒流，定量管為0.5 mL。該檢測方法的檢測限可達10 nmol／mol，精密度為0.5%～1.2%，可滿足食品添加劑中二氧化硫含量分析要求。

1.6 總硫（除二氧化硫）分析方法

食品級二氧化碳來源廣泛，含有多種硫化物雜質(zhì)，例如硫化氫、二氧化硫、硫醇、羰基硫、硫醚等?；诟鞣N硫化物對于添加劑的副作用程度，在我國現(xiàn)行標準GB 1886.228-2016 對于二氧化硫和其它形態(tài)的硫化物的限量要求也不同，例如，二氧化硫限量濃度為1.0 μmol／mol，而除二氧化硫外總硫限量濃度要求為0.1 μmol／mol。

國家標準GB／T 28727-2012 測定總硫的方法為測定總硫和二氧化硫的總量，扣除二氧化硫的量，即為總硫的計算量。單曉萍等［9］選擇并驗證輔助分析技術(shù)，建立分析方法，使二氧化碳中總硫的分析方法更加便捷、準確，分析氣路圖見圖1。具體方法為：采用配置有火焰光度檢測器的GSD-D040 型氣相色譜儀（中昊光明化工設(shè)計院有限公司），載氣為高純氮、高純氧，流量為30～100 mL／min，燃氣為氫氣，流量為30～100 mL ／min，助燃氣為壓縮空氣，流量為30～50 mL ／min，色譜柱為聚四氟乙烯柱（1.5 m×3 mm，GDX104）；進樣體積為0.5～2.0 mL。啟動分析儀器待基線穩(wěn)定后，經(jīng)過脫二氧化硫柱通入樣品測量。

圖1 分析氣路流程圖

該分析方法以GB／T 28727-2012 為分析依據(jù)，不需對二氧化碳基體進行分離和反吹，總硫檢出限為0.02 μL／L；總硫在不進行基體分離模式的精密度的相對偏差小于5%；采用靶向二氧化硫脫除柱，可有效脫除二氧化硫，但對除二氧化硫之外的硫化物無損失。該分析方法結(jié)合無基體分離的總硫FPD 測定技術(shù)，可實現(xiàn)對非二氧化硫總硫的直接測定。

1.7 微量及痕量甲烷分析方法

食品添加劑二氧化碳中普遍含有甲烷雜質(zhì)。雖然低濃度甲烷基本無毒，但空氣中甲烷達25%～39%時，可引起頭暈、頭痛、乏力等不良反應(yīng)。因此，現(xiàn)行國家標準GB 1886.228-2016 食品添加劑二氧化碳嚴格要求食品級二氧化碳中甲烷的含量不得高于50 μmol／mol。

楊波等［28］建立了二氧化碳中甲烷的氣相色譜分析方法。以配有氫火焰離子化檢測器（FID）的氣相色譜儀為分析儀器，探討了二氧化碳中痕量甲烷的最佳分析條件。具體的分析方法如下：色譜柱為TDX-01，最佳柱溫為120 ℃，檢測器溫度為200 ℃，進樣口溫度為150 ℃，柱流量為45 mL／min。該法對于1 μmol／mol 的二氧化碳中甲烷濃度分析的精密度小于1.0%。該方法測量檢測限為1×10-8mol／mol，線性誤差小于1.0%，儀器線性度良好，能滿足二氧化碳中痕量甲烷雜質(zhì)含量分析的要求。

1.8 痕量苯、氯乙烯、環(huán)氧乙烷、甲醇、乙醛分析方法

微量苯可刺激人的上呼吸道黏膜，苯可引起慢性中毒、輕重度中毒、血液疾病，還會導致基因缺陷［29］。氯乙烯無色且有毒，具有易燃易爆等特性，不僅可能刺激人體皮膚和呼吸系統(tǒng)，抑制人體的中樞神經(jīng)，在長期接觸的情況下還有可能引發(fā)癌癥［30］。研究顯示，環(huán)氧乙烷急性暴露會對人體的呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成影響，若長時間暴露于含環(huán)氧乙烷的環(huán)境下，甚至有誘發(fā)腫瘤、毒害生殖系統(tǒng)的可能［31］。甲醇，又稱為“木醇”或“木精”，具有毒性，對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)有刺激作用［32-33］。GB 1886.228-2016 規(guī)定甲醇含量不能超過10 μmol／mol。乙醛是一種強大的肌肉毒素，毒性高達乙醇的30 倍，越來越多的研究表明乙醛具有致癌性［34］。

鄒震［10］建立了二氧化碳中痕量苯、氯乙烯及含氧有機化合物的氣相色譜分析方法。以帶氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀為分析儀器，并配氰丙基甲基聚硅氧烷毛細柱(0.32 mm×3 μm，30 m)。由于食品添加劑二氧化碳中含氧有機化合物、氯乙烯及苯等含量極低，采用從色譜進樣器針注式進樣，縮短線路，減少吸附量。燃燒氣為氫氣，流量為40 mL／min，助燃氣為壓縮空氣，流量為300 mL／min，載氣為純度不低于99.999%的氮氣，流量為2.5 mL／min。檢測苯時，載氣流量為5 mL／min，檢測器溫度為250 ℃，進樣器溫度為150 ℃；測含氧有機化合物、氯乙烯時，初溫為40 ℃，保持時間為5 min，以6℃／min 速度升溫到100 ℃，保持3 min；測苯時，柱溫為100 ℃，進樣體積為5～6 mL。由于苯的出峰時間在含氧有機物、氯乙烯之后，苯、氯乙烯、環(huán)氧乙烷、甲醇、乙醛的色譜峰不重疊，互不干擾，該法可作為檢測二氧化碳中苯、氯乙烯、環(huán)氧乙烷、甲醇、乙醛雜質(zhì)含量的分析方法，其中，苯的檢出限可達1.52 nmol／mol。

1.9 痕量氰化氫分析方法

氫氰酸是一種劇毒且能與水互溶的無色液體，沸點為26℃［35］。GB 1886.228-2016 嚴格規(guī)定食品添加劑二氧化碳中氰化氫濃度不高于0.5 μmol／mol。目前，測定氰化氫的方法主要有分光光度法［36］、離子色譜法［37］和氣相色譜法［11］等。

1.9.1 紫外分光光度法

李柳佳等［35］以GBZ／T 160.29-2004［36］為依據(jù)，建立紫外分光光度法測定食品添加劑二氧化碳中氰化氫的方法。該法通過氫氧化鈉吸收氰化氫，在弱酸性溶液中，氰化鈉與氯胺T 反應(yīng)生成氯化氰，氯化氫與異煙酸反應(yīng)并水解生成戊烯二醛，戊烯二醛與巴比妥酸縮合成藍紫色化合物，在600 nm 波長下測定藍紫色化合物的吸光度。該法的最低檢出濃度為0.01 mg／m3，回收率為98%～106.7%。能較好地應(yīng)用于二氧化碳中氰化氫含量的檢測。

1.9.2 頂空氣相色譜法

李保同等［37］采用溶劑頂空毛細管氣相色譜-氮磷檢測器（NPD）建立了氰及其代謝產(chǎn)物氰化氫在小麥中殘留的分析方法。氰化氫的線性范圍為1.2～500μg／L，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，相對標準偏差為7.4%，檢出限為0.145 mg／kg，定量限為0.483 mg／kg。該分析方法操作簡單、精密度好、靈敏度高、干擾少。

1.10 痕量氨氣分析方法

氨氣是一種較為常見的大氣污染物，人體長期暴露于低濃度的氨氣環(huán)境中會引起慢性肺疾??；若濃度過高，可導致人體呼吸黏膜受損［38］，因此，食品添加劑二氧化碳中氨氣的檢測對人體健康的保護十分必要。

1.10.1 光腔衰蕩法

曲哲超等［12］以中紅外量子級聯(lián)激光器為光源的光腔衰蕩技術(shù)建立了痕量氮氣檢測的裝置。該裝置對氨氣的檢測靈敏度高達10 nL／L，為痕量氣體監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

1.10.2 增強型光聲光譜技術(shù)

Kosterev［39］等利用增強型光聲光譜技術(shù)（QEPAS）檢測低濃度氨氣氣體，并得到0.92 μmol／mol 的檢測極限。該法成本低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。張佳薇等［40］以1 531.65 nm 的DFB 激光器為光源，建立了基于QEPAS 技術(shù)的氨氣檢測系統(tǒng)，并獲得氨氣的檢測極限為140 μmol／mol；穩(wěn)定響應(yīng)時間約為40 s；4 h連續(xù)檢測的相對誤差為2.34%。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)具有穩(wěn)定性高、誤差小、響應(yīng)靈敏度高和對背景噪聲免疫的優(yōu)點，已成為一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ暮哿堪睔鈾z測手段。

2 結(jié)語

二氧化碳中的雜質(zhì)各有不同的分析方法，分析要從該氣體的性質(zhì)著手，結(jié)合不同儀器檢測限，選擇相應(yīng)的檢測儀器。二氧化碳中雜質(zhì)含量分析技術(shù)在食品添加劑發(fā)展過程中有著舉足輕重的作用，隨著二氧化碳純度要求的提高，所對應(yīng)的分析技術(shù)應(yīng)具有更高的靈敏度和準確度。此外，許多分析設(shè)備推陳出新，為分析檢測技術(shù)的發(fā)展提供了很好的基礎(chǔ)。