利用同相等差感應(yīng)電壓檢測(cè)面包中的山梨酸鉀

楊哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陳新文，孫遠(yuǎn)明*

1(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，廣東 廣州，510642)2(廣東利誠(chéng)檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 中山，528436) 3(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)4(英都斯特(無(wú)錫)感應(yīng)科技有限公司，江蘇 無(wú)錫，214035)

山梨酸，又名2,4-己二烯酸，其鉀鹽作為一種防腐劑、抗氧化劑和穩(wěn)定劑廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[1]。面包營(yíng)養(yǎng)豐富，柔軟美味，加工過程中常添加山梨酸鉀等防腐劑，抑制霉菌、酵母菌及好氧細(xì)菌的活性，延長(zhǎng)面包貨架期[2]。相對(duì)于苯甲酸，山梨酸鉀的毒性較小，攝入后，可隨人體代謝分解為二氧化碳和水，然而，長(zhǎng)期食用山梨酸鉀超標(biāo)的食品，會(huì)抑制骨骼生長(zhǎng)，并對(duì)人體各組織如腎和肝臟等產(chǎn)生不良影響[3]。方心靈等[4]發(fā)現(xiàn)山梨酸會(huì)抑制促小鼠成肌細(xì)胞生長(zhǎng)因子IGF-1的分泌；李姝[5]發(fā)現(xiàn)0.1～6.0 μmol/L的山梨酸鉀誘導(dǎo)大鼠肝臟發(fā)生脂質(zhì)過氧化，損傷大鼠機(jī)體細(xì)胞。因此，我國(guó)GB 2760—2014中規(guī)定，面包中山梨酸鉀的殘留物山梨酸的含量應(yīng)小于1 g/kg。

目前檢測(cè)山梨酸鉀的主要方法包括高效液相、氣相色譜法、熒光光譜法、紫外分光光度法、紙層析法和拉曼光譜法等。張小舟等[6]采用高效液相測(cè)定辣條中的苯甲酸和山梨酸含量，檢測(cè)限為5.5×10-5g/kg，抽檢市售辣條產(chǎn)品不合格率高達(dá)66.7%；陳麗娟等[7]采用質(zhì)譜法測(cè)定蜂蜜中的山梨酸，檢測(cè)下限為0.5 mg/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差2.0%～7.9%；王書濤等[8]采用三維熒光光譜測(cè)定橙汁中的山梨酸鉀，均方誤差為1.02×10-5g/L，色譜法和熒光光譜法均需要專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備及人員，檢測(cè)成本高。桑宏慶等[9]采用紫外分光光度法測(cè)定飲料中的山梨酸鉀和苯甲酸鈉，山梨酸鉀最小檢出限為6.7×10-4g/L，檢測(cè)精度較低。電化學(xué)法作為一種新型檢測(cè)方法，操作簡(jiǎn)單且精度高，李可欣等[10]以山梨酸鉀衍生多孔碳修飾電極，采用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法檢測(cè)橙皮素，檢測(cè)范圍為0.05～15 μmol/L，檢出限為0.021 μmol/L。而采用同相等差感應(yīng)電壓法測(cè)定食品中的山梨酸鉀鮮有報(bào)道。

本文采用同相等差感應(yīng)電壓法檢測(cè)分析不同濃度山梨酸鉀溶液的電信號(hào)特性，并選取5種市售面包檢測(cè)其山梨酸鉀含量，研究同相等差感應(yīng)電壓法檢測(cè)面包中山梨酸鉀的技術(shù)方法，為食品中山梨酸鉀的快速檢測(cè)提供新的手段。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

自購(gòu)4種市售配料標(biāo)有山梨酸鉀的面包(良品鋪?zhàn)邮炙好姘蝗A夫面包、瑪嚦德紫米面包和友臣紅豆手撕面包)和1種無(wú)包裝市售面包；山梨酸鉀、冰乙酸、乙酸酐、高氯酸和結(jié)晶紫均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

同相等差感應(yīng)電壓檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)變壓器原理自制(激勵(lì)電壓45～60 V，頻率300～500 Hz)；AL204分析天平，瑞士METTLER TOLEDO儀器有限公司；低速大容量離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；C-MAG磁力攪拌器，德國(guó)IKA公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件

同相等差感應(yīng)電壓檢測(cè)設(shè)備如圖1所示，將樣品溶液從玻璃連接孔倒入，布滿螺旋管道后，形成兩個(gè)次級(jí)線圈，總?cè)莘e為100 mL。這2個(gè)樣品次級(jí)線圈繞向相同，且通過b、o和-b處聯(lián)通，向初級(jí)線圈施加不同電壓和頻率的勵(lì)磁信號(hào)(正弦波)，并采用鉑電極依次檢測(cè)樣品瞬時(shí)絕對(duì)電壓(瞬時(shí)電壓絕對(duì)值)Voa、Vob、V-bo和V-ao，并測(cè)定-a、a間的電勢(shì)差U-aa。

1-電源；2-初級(jí)線圈；3-鐵芯；4-次級(jí)線圈(螺旋管道)；5-恒溫腔體； 6-玻璃連接孔；7-鉑電極；8-電壓表；9-恒溫循環(huán)水浴鍋 A-示意圖；B-實(shí)物圖圖1 同相等差感應(yīng)電壓檢測(cè)設(shè)備圖Fig.1 Schematic diagram of in phase equal difference induced voltage detection equipment

在45、50、55和60 V激勵(lì)電壓及300、350、400、450和500 Hz頻率下，研究不同濃度山梨酸鉀(0、50、100、150、200 mg/kg)瞬時(shí)絕對(duì)電壓及電勢(shì)差變化，并以0 mg/kg 山梨酸鉀溶液作為對(duì)照組。測(cè)定5種市售面包產(chǎn)品中山梨酸鉀時(shí)，將50 g面包粉碎，過300目篩，將粉碎面包與離子水按照1∶10的料液比混合后，取500 mL混合液離心20 min，取上清液檢測(cè)，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。同時(shí)，按照GB 1886.39—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 山梨酸鉀》，采用化學(xué)法檢測(cè)5種市售面包樣品中山梨酸鉀的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Origin 8.5和SPSS 22.0軟件進(jìn)行制圖及數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對(duì)山梨酸鉀溶液瞬時(shí)絕對(duì)電壓的影響

測(cè)定100 mg/kg的山梨酸鉀溶液在50 V激勵(lì)電壓下，300～500 Hz頻率對(duì)次級(jí)線圈中oa、ob、-ao和-bo 4個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)瞬時(shí)絕對(duì)電壓的影響。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，山梨酸鉀的瞬時(shí)絕對(duì)電壓隨頻率的變化無(wú)顯著差異，后續(xù)選擇300 Hz為檢測(cè)頻率。在不同頻率下，Voa和V-ao瞬時(shí)電壓高于Vob和V-bo，b、o和-b點(diǎn)等電位，STACEY等[11]認(rèn)為在相同磁通密度及線圈匝數(shù)比下，液體樣品的二次回路為等電位電池。YANG等[12]采用電位法測(cè)定雞蛋蛋白和蛋黃的電導(dǎo)率和含水量，發(fā)現(xiàn)雞蛋蛋白和蛋黃終端電壓與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)。理想狀態(tài)下，體系Vob和V-bo瞬時(shí)絕對(duì)電壓趨于0 mV，而實(shí)際測(cè)量值，Vob和V-bo約為10 mV，次級(jí)線圈中感應(yīng)電壓作用下，帶電離子運(yùn)動(dòng)加劇，產(chǎn)生較小的瞬時(shí)電壓。與變壓器電磁感應(yīng)特性相似，次級(jí)線圈感應(yīng)電壓與初級(jí)線圈激勵(lì)電壓和匝數(shù)比有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)。同相等差感應(yīng)電壓檢測(cè)中，當(dāng)樣品次級(jí)線圈螺旋管道數(shù)與初級(jí)線圈激勵(lì)電壓均不變時(shí)，不同頻率下所測(cè)得山梨酸鉀溶液瞬時(shí)絕對(duì)電壓差異較小。

圖2 不同頻率下山梨酸鉀溶液的瞬時(shí)絕對(duì)電壓Fig.2 Instantaneous absolute voltages of potassium sorbate solution under different frequencies

2.2 激勵(lì)電壓對(duì)山梨酸鉀溶液瞬時(shí)絕對(duì)電壓的影響

圖3 不同激勵(lì)電壓下山梨酸鉀溶液的瞬時(shí)絕對(duì)電壓Fig.3 Instantaneous absolute voltages of potassium sorbate solution under different excitation voltages

2.3 頻率對(duì)不同濃度山梨酸鉀溶液電勢(shì)差的影響

在60 V激勵(lì)電壓下，測(cè)定300～500 Hz頻率對(duì)不同濃度的山梨酸鉀溶液a和-a位點(diǎn)間電勢(shì)差U-aa的影響。山梨酸鉀溶液呈弱堿性，25 ℃下其電導(dǎo)率隨濃度的增加而增大，與俞巨樂等[15]的研究結(jié)果相同，溶液電導(dǎo)率與濃度呈正向遞增關(guān)系。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，山梨酸鉀溶液的U-aa隨頻率的變化維持在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，隨山梨酸鉀含量的升高，U-aa增大。60 V，300 Hz下，0～200 mg/kg山梨酸鉀溶液的U-aa分別為198.3、415.2、500.4、597.0、688.5 mV，200 mg/kg山梨酸鉀溶液的U-aa較0 mg/kg提高247.2%。程樹康等[16]將鹽溶液置于磁場(chǎng)處理1 h，磁場(chǎng)環(huán)境使水分子磁矩偏轉(zhuǎn)，鹽溶液電導(dǎo)率增加。隨著山梨酸鉀含量的增加，體系帶電陰陽(yáng)離子數(shù)量增加，電導(dǎo)率升高，次級(jí)線圈中帶電離子在感應(yīng)電壓作用下，發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，碰撞幾率增加，離子傳導(dǎo)加劇，體系電勢(shì)差增大。

表1 不同濃度山梨酸鉀溶液的電導(dǎo)率Table 1 Conductivities of potassium sorbate solutions with different mass fractions

圖4 不同頻率下山梨酸鉀溶液的電勢(shì)差Fig.4 Potential differences of potassium sorbate solution under different frequencies

2.4 激勵(lì)電壓對(duì)不同濃度山梨酸鉀溶液電勢(shì)差的影響

300 Hz頻率下，測(cè)定45～60 V激勵(lì)電壓對(duì)不同濃度山梨酸鉀溶液a和-a位點(diǎn)間電勢(shì)差U-aa的影響。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，山梨酸鉀溶液的U-aa隨激勵(lì)電壓及山梨酸鉀含量的增加而增大。60 V，300 Hz下，100 mg/kg山梨酸鉀溶液的U-aa較0 mg/kg提高152.3%。WU等[17]采用磁電耦合水解玉米棒，隨激勵(lì)電壓的增加，水解產(chǎn)生的還原糖含量提高56%。WANG等[18]采用脈沖電場(chǎng)處理甘油-葡萄糖，隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，樣品抗氧化活性提升39.36%，美拉德反應(yīng)加劇。徐志明等[19]采用電場(chǎng)處理CaCO3結(jié)垢，隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，污垢熱阻下降58.3%。隨溶液中山梨酸鉀含量的增加，溶液中自由離子增加，當(dāng)初級(jí)線圈激勵(lì)電壓增大，次級(jí)線圈中離子反應(yīng)加劇，電勢(shì)差升高，且激勵(lì)電壓對(duì)次級(jí)線圈中溶液電勢(shì)差的影響高于頻率的變化。

圖5 不同激勵(lì)電壓下山梨酸鉀溶液的電勢(shì)差Fig.5 Potential differences of potassium sorbate solution under different excitation voltages

2.5 面包樣品中山梨酸鉀的測(cè)定

采用Origin 8.5分析頻率X1、激勵(lì)電壓X2和U-aa電勢(shì)差X3及溶液中山梨酸鉀含量Y的關(guān)系，得到線性方程Y=279.94-0.05X1-6.27X2+0.44X3，R2=0.916。本研究中，面包樣品溶液中面包的添加量為10%，故面包中山梨酸鉀總含量為10Y。在300 Hz、60 V下測(cè)定5種市售面包樣品的U-aa，并根據(jù)線性方程計(jì)算其山梨酸鉀總含量。由表2可以發(fā)現(xiàn)，所有樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%，同相等差感應(yīng)電壓法檢測(cè)面包樣品中山梨酸鉀含量具有良好的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。山梨酸鉀有利于延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，然而，過量使用會(huì)影響食品品質(zhì)。AL-KURAIEEF等[20]采用山梨酸鉀溶液浸泡處理草莓，4 ℃冷藏下草莓貨架期延長(zhǎng)至21 d，但其維生素C含量顯著下降。王飛等[21]發(fā)現(xiàn)過量使用山梨酸鉀對(duì)面包面團(tuán)粉質(zhì)和拉伸指數(shù)具有副作用。同相等差感應(yīng)電壓法和化學(xué)法檢測(cè)樣品E中山梨酸鉀含量分別為1 462.3 mg/kg和1 446.6 mg/kg，遠(yuǎn)超面包中山梨酸鉀允許使用量，存在食品安全隱患。因此，高效可靠的檢測(cè)方法有利于促進(jìn)食品添加劑的規(guī)范使用。

表2 面包樣品中山梨酸鉀含量的測(cè)定Table 2 Determination of potassium sorbate in bread samples

3 結(jié)論

采用同相等差感應(yīng)電壓法，即向初級(jí)線圈施加45～60 V激勵(lì)電壓及300～500 Hz頻率的正弦交流信號(hào)，探究次級(jí)線圈中不同濃度山梨酸鉀溶液的電信號(hào)特性，并選取5種市售面包檢測(cè)其山梨酸鉀含量。研究發(fā)現(xiàn)，一定添加量的山梨酸鉀溶液的瞬時(shí)絕對(duì)電壓隨頻率變化維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，但隨激勵(lì)電壓的增加而增大。當(dāng)山梨酸鉀溶液濃度增加時(shí)，隨頻率及激勵(lì)電壓的增加，體系電勢(shì)差增大。山梨酸鉀含量、頻率、激勵(lì)電壓及電勢(shì)差呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.916，且檢測(cè)5種市售面包山梨酸鉀含量，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在2%以內(nèi)，與化學(xué)法測(cè)定山梨酸鉀含量的結(jié)果相比，相對(duì)誤差均在4%以內(nèi)，檢測(cè)方法具有良好的準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性。同相等差感應(yīng)電壓法為食品中山梨酸鉀的快速測(cè)定提供了一種新的檢測(cè)方法。