大米中鎘含量測(cè)定的濕式消解工藝優(yōu)化

潘傳榮，黃 玉，古汶玉，吳秋婷，謝宇霞，李丹青

（廣東省糧食科學(xué)研究所，廣東 廣州 510050）

民為國(guó)基，谷為民命。糧食事關(guān)國(guó)運(yùn)民生，糧食安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)[1]。2020年，我國(guó)糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)十七連豐，產(chǎn)量連續(xù)6年保持在6.5億t以上[2]。在國(guó)家政策逐年有力的保障下，糧食數(shù)量安全保障成績(jī)喜人，人們吃得飽吃得好的同時(shí)，糧食質(zhì)量安全同樣非常重要。單質(zhì)的鎘為銀白色金屬，自20世紀(jì)初以來(lái)，鎘的產(chǎn)量不斷增加。據(jù)報(bào)道[3]，全世界每年向環(huán)境中釋放的鎘達(dá)3萬(wàn)t，其中82%～94%會(huì)進(jìn)入土壤或水體中。大米是我國(guó)最主要的口糧，因其自身的獨(dú)特“基因”，稻米生長(zhǎng)對(duì)于鎘污染元素的吸附作用強(qiáng)于玉米、大豆等其他品種[4]。在農(nóng)業(yè)、糧食、市場(chǎng)相關(guān)部門(mén)監(jiān)督力度逐年加強(qiáng)的背景下，“鎘大米”流入口糧市場(chǎng)的概率小，但“鎘污染”事件的影響依然揮之不去。1931年，日本中部地區(qū)富山縣地區(qū)的水稻普遍生長(zhǎng)不良，人們出現(xiàn)了一種怪病“骨癌病”，這與一條名叫“神通川”的河流的鎘污染有密切聯(lián)系；2001年，臺(tái)灣農(nóng)業(yè)縣彰化縣發(fā)現(xiàn)面積達(dá)1.2 hm2的水稻田疑似受工業(yè)廢水污染，產(chǎn)出的稻米含鎘濃度超過(guò)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。2013年，世界衛(wèi)生組織（WHO）關(guān)于對(duì)泰國(guó)“鎘大米”狀況調(diào)查的結(jié)果認(rèn)為泰國(guó)大米鎘污染現(xiàn)狀令人堪憂。2020年4月，云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣市場(chǎng)監(jiān)督管理局在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)一批不合格的米線，溯源后，工作人員在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)上查出99.42 t重金屬超標(biāo)的大米并公開(kāi)銷(xiāo)毀[5]。

我國(guó)GB 2715—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 糧食》[6]和GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[7]規(guī)定大米鎘含量最大含量不能超出0.2 mg/kg。LS/T 6136—2019《大米中錳、銅、鋅、銣、鍶、鎘、鉛的測(cè)定 快速提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》[8]、LS/T 6125—2017《稻米中鎘的快速檢測(cè) 固體進(jìn)樣原子熒光法》[9]、LS/T 6115—2016《稻谷中鎘含量快速測(cè)定 X射線熒光光譜法》[10]和DB 45/T 1546—2017《谷物中鎘、鉛、銅、砷含量的快速測(cè)定 陽(yáng)極溶出伏安法》[11]等行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)，分別采用ICP-MS、原子熒光分光光度計(jì)、X射線熒光光譜儀和電極法檢測(cè)食品中的鎘含量。前三者儀器價(jià)格比較昂貴，檢測(cè)方法原理不同于原子吸收光譜。隨著原子吸收光譜儀國(guó)產(chǎn)化成熟和普及率的提高，原子吸收光譜儀（石墨爐法）檢測(cè)鎘時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的靈敏性，抗干擾能力強(qiáng)，普遍為行業(yè)采用。當(dāng)前大米中鎘含量測(cè)定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法是GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》[12]，相比舊版標(biāo)準(zhǔn)新的標(biāo)準(zhǔn)刪除了雙硫腙比色法和原子熒光法，只保留了石墨爐原子吸收光譜測(cè)定法。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食品大類(lèi)的鎘含量檢測(cè)方法進(jìn)行了描述和規(guī)定，包括較難消化的奶粉、豆類(lèi)和液體食品等。大米含油脂量較低，相對(duì)較容易消化。在不違背國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，隨機(jī)購(gòu)買(mǎi)了市售商品大米樣品作為研究對(duì)象，從節(jié)約成本，縮短檢測(cè)流程，提高檢測(cè)效率的角度，探索大米中鎘含量的快速檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 儀器

900-T原子吸收光譜儀（石墨爐）：Perkin-Elmer PinAAcle公司；HT-300電熱板（0.4 m×0.5 m，防腐）：格丹納公司。

1.1.2 試劑

硝酸（分析純）、高氯酸（分析純）：廣州化學(xué)試劑廠。

1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)品

糙米粉中Cd、As成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW(E)100378）：Cd含量（0.169±0.015）mg/kg，國(guó)家糧食局科學(xué)研究院；檢定用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鎘溶液（GBW(E)130079）：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

1.1.4 大米樣品準(zhǔn)備

隨機(jī)購(gòu)買(mǎi)普通市售大米（10 kg），依據(jù)GB/T 5491—1985《扦樣、分樣法》[13]，用包裝扦樣器從包裝大米的一端斜插到包裝的另一端，然后槽口向上取出（如果檢測(cè)對(duì)象是一批大米，每包的取樣重量應(yīng)該一致），集成一個(gè)約為500 g的大米樣品。采取四分法或分樣器法，縮分成具有代表性均勻樣品約50 g 。用水分磨將大米磨成均勻細(xì)度的粉樣。

1.2 大米鎘含量檢測(cè)

1.2.1 稱(chēng)量

6個(gè)潔凈小燒杯，依次用記號(hào)筆編號(hào)K-1、K-2、G-1、G-2、Y-1、Y-2，分別代表各兩平行的試劑空白，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品。為了保持一致，所有樣品稱(chēng)量建議稱(chēng)取0.500 0～0.505 0 g。

1.2.2 濕式消解

在稱(chēng)好樣品及作有標(biāo)記的小燒杯中，加10 mL優(yōu)級(jí)純硝酸，4滴分析純高氯酸，浸泡過(guò)液后，加表面皿蓋好，放在電熱板上，設(shè)置溫度120 ℃，約20 min后，硝酸反應(yīng)冒泡完成。液面相對(duì)穩(wěn)定，升溫到200 ℃，消化約3 h，直到冒出白煙，或燒杯底呈現(xiàn)有白色結(jié)晶鹽類(lèi)物質(zhì)，用鑷子夾住燒杯移出電熱板，注入2 mL水溶解消化后的物質(zhì)，再自然冷卻，轉(zhuǎn)移定容至25 mL規(guī)格比色管，加玻璃塞搖勻，轉(zhuǎn)移到原子吸收的樣品杯中，待測(cè)。流程見(jiàn)圖1。

1.2.3 上機(jī)測(cè)試

鎘空心陰極燈特征波長(zhǎng)選用228.8 nm，進(jìn)樣量設(shè)為20 μL，加熱程序可參照儀器默認(rèn)值，標(biāo)準(zhǔn)曲線采用5 ng/mL，利用儀器的單點(diǎn)稀釋配制0、1、2、3、4 ng/mL，一次線性擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時(shí)測(cè)試樣品得出結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液母液選擇

目前市面上有GBW(E)130079鎘原子吸收標(biāo)準(zhǔn)系列提供，鎘濃度系列有0.0、0.5、1.0、3.0、5.0 ng/mL，加上銅和氯化鈉，每瓶50 mL，主要用于原子吸收儀器檢定用途，有效期為1年。同時(shí)還可選擇的有GBW08612鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，濃度為1 000 μg/mL的高濃度溶液，有效期為5年。不管用到哪種型號(hào)的原子吸收光譜儀，GBW(E)130079鎘原子吸收標(biāo)準(zhǔn)系列均適用，對(duì)于經(jīng)常測(cè)定鎘元素的工作者來(lái)說(shuō)更為便利，雖然有效期短，但可節(jié)省稀釋定標(biāo)的時(shí)間。

因?yàn)槟壳昂芏嘣游諆x可提供“單點(diǎn)配標(biāo)”功能，本次標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)試采用5 ng/mL，利用儀器的單點(diǎn)稀釋配制0、1、2、3、4 ng/mL，一次線性擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。這樣操作就進(jìn)一步節(jié)省了時(shí)間，如果不“單點(diǎn)配標(biāo)”，可將0.0、0.5、1.0、3.0、5.0 ng/mL依次擺放到樣品標(biāo)架上，依次測(cè)定，效果相差不大。但5.0 ng/mL這個(gè)濃度點(diǎn)對(duì)石墨爐來(lái)說(shuō)濃度可能太高，超出朗勃比爾定律適用范圍，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)曲線尾部下彎。

2.2 相關(guān)性和準(zhǔn)確性

在儀器分析中，標(biāo)準(zhǔn)曲線的情況往往反映的是整臺(tái)儀器的狀態(tài)是否良好，可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線“直不直”來(lái)看儀器的自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)運(yùn)行情況。在用到石墨爐法時(shí)，人們習(xí)慣于從一次線性擬合回歸相關(guān)系數(shù)是否超過(guò)0.995來(lái)判斷。從圖2可以看出，本次分析相關(guān)系數(shù)R2為0.999 7這只能反映出本次原子吸收工作狀態(tài)是良好的，但能不能繼續(xù)往下分析應(yīng)該從有證的參考物質(zhì)測(cè)試準(zhǔn)確與否才能判斷。由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)G-1，G-2鎘含量分別為0.167，0.166 mg/kg，兩份標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鎘含量均未超出證書(shū)出具的參考值（0.169±0.015） mg/kg的區(qū)間。只保證標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性良好的情況還不能往下測(cè)試樣品，還要參考物質(zhì)測(cè)試要落在證書(shū)規(guī)定值的區(qū)間才行，因?yàn)閰⒖嘉镔|(zhì)的測(cè)試結(jié)果反映的是標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率是否準(zhǔn)確。確保了標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性和參考物質(zhì)準(zhǔn)確性良好的兩個(gè)因素時(shí)，測(cè)試未知樣品的結(jié)果才是可信的。

2.3 平行性和稀釋倍數(shù)

從表1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)G-1，G-2和樣品Y-1，Y-2的雙試誤差均小于國(guó)標(biāo)方法要求的20%，說(shuō)明濕式消解法對(duì)大米樣品的平行性測(cè)試效果是良好的。消解的原則往往認(rèn)為是在充分氧化有機(jī)物質(zhì)的前提下“既不帶來(lái)干擾又不導(dǎo)致樣品的損失”，大米樣品的濕式消解后期在消解的燒杯中應(yīng)呈現(xiàn)出“近干而又未干”無(wú)黃色液體存在，冒白煙的一種狀態(tài)。在這種狀態(tài)下硝酸幾乎完全分解，高氯酸將大米中油脂類(lèi)的物質(zhì)進(jìn)行氧化，分解出鹽酸呈白煙狀態(tài)。在消解燒杯移出電熱板冷卻后如果發(fā)現(xiàn)有白色結(jié)晶無(wú)機(jī)鹽狀物質(zhì)存在，效果更為良好。

表1 樣品測(cè)試結(jié)果

表2收集了廣東歷年產(chǎn)約1 800份稻米樣品按鎘含量區(qū)間進(jìn)行樣品數(shù)的統(tǒng)計(jì)。由表2可知，稻谷原糧（以糙米計(jì)）鎘含量在0.16 mg/kg以上的樣品數(shù)量呈下降之勢(shì)，大部分樣品鎘含量為0.01 ～0.15 mg/kg，稱(chēng)量0.5 g樣品消化轉(zhuǎn)移定容至25 mL后，樣品溶液鎘質(zhì)量濃度為0.2～3.0 ng/mL，落在0.0 ～ 4.0 ng/mL的范圍內(nèi)。

表2 1 800份稻米樣品按鎘含量區(qū)間樣品數(shù)

稱(chēng)量0.5 g的樣品消化后轉(zhuǎn)移定容至25 mL，可直觀判斷鎘含量超標(biāo)情況。假設(shè)該份大米鎘含量為0.2 mg/kg，處鎘限量臨界狀態(tài)。稱(chēng)0.5 g，消化定容到25 mL后，稀釋倍數(shù)計(jì)算為剛好50倍，消化定容后的鎘溶液質(zhì)量濃度計(jì)算為4 ng/mL，落在校正曲線的上部。當(dāng)大米鎘含量超過(guò)0.2 mg/kg時(shí)，消化液鎘質(zhì)量濃度如果超過(guò)4 ng/mL，就可判斷該份樣品為鎘超標(biāo)大米。

2.4 4種消解模式優(yōu)劣勢(shì)比較

從表3可以看出，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)列出的4種消化模式中，各有優(yōu)劣勢(shì)。當(dāng)處理一份樣品時(shí)，相比于微波消解，濕式消解耗時(shí)多了1.5 h。但處理大批樣品用到0.5 m×0.4 m較大規(guī)格電熱板時(shí)，采用上述濕式消解快速測(cè)鎘方案，是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的，處理效率也較高。

表3 四種消解模式比較

3 結(jié) 論

本文對(duì)國(guó)標(biāo)法測(cè)定大米樣品時(shí)采用濕式消解法時(shí)的細(xì)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。以上過(guò)程描述和數(shù)據(jù)結(jié)果表明，濕式消解法消解大米更適用于處理較大批量樣品，可進(jìn)一步提升檢測(cè)速度和效率。第一，國(guó)標(biāo)法對(duì)濕式消解描述中稱(chēng)量樣品0.3 ～ 0.5 g轉(zhuǎn)移定容10 ～ 25 mL，本文建議0.5 g樣品可定容到25 mL可達(dá)到樣品是否超標(biāo)的直觀判斷；第二，國(guó)標(biāo)濕式消解中消化杯使用錐形瓶，加玻璃珠，加漏斗，加10 mL (9+1)硝酸，高氯酸混合酸。本文建議加10 mL硝酸4滴高氯酸可滿足對(duì)大米樣品基體的消化，因?yàn)榇竺妆旧碛椭枯^少，高氯酸不建議加多，加多可能對(duì)上機(jī)時(shí)的石墨管損害較大，4滴的用量就可滿足要求。用圓柱形小燒杯，不用加玻璃珠，加表面皿蓋上，結(jié)合燒杯的留口，可留有一小空隙。一方面，小燒杯的使用可減少電熱板上的使用面積。另一方面玻璃珠可能帶來(lái)二次污染，只要程序升溫，把前期電熱板溫度控制120 ℃以下，就不會(huì)出現(xiàn)消化杯“爆沸”溢出情況。第三，為了避免可能性的二次污染，本文不建議在上機(jī)過(guò)程加入基體改進(jìn)劑。因?yàn)閺谋?和圖2可以看出，采取以上方法可實(shí)現(xiàn)較好的平行性，參考樣品的測(cè)試回收率。

以上主要是基于長(zhǎng)期檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)而得出的濕式消解大米的總結(jié)，總體不偏離國(guó)標(biāo)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液的選用、稱(chēng)樣量、定容體積等而作出的一套經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)，以達(dá)到優(yōu)化過(guò)程，快速檢測(cè)的目的。但使用到的原子吸收儀價(jià)格昂貴，難于在基層普及，可探索將本方法應(yīng)用于目前流行的“陽(yáng)極溶出伏安法”[11]測(cè)試大米中的鎘。