勵(lì)磁等電勢(shì)法檢測(cè)粉絲中的硫酸鋁鉀含量

楊哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陳新文，孫遠(yuǎn)明*

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

硫酸鋁鉀，又稱鉀明礬，作為一種膨松劑和穩(wěn)定劑廣泛應(yīng)用于食品加工[1]。紅薯具有耐干旱和產(chǎn)量高的特點(diǎn)，是我國的主要農(nóng)作物之一，紅薯中淀粉含量約為10%～30%，其深加工產(chǎn)品紅薯粉絲及粉條深受大眾歡迎。粉絲加工過程中添加明礬，可防止粉絲斷裂，改善粉絲口感[2]。然而，長期食用明礬超標(biāo)的食品，明礬中的鋁元素在人體內(nèi)過量累積且難以代謝，對(duì)人體大腦產(chǎn)生不良影響[3]。莫頌軼等[4]研究發(fā)現(xiàn)，慢性鋁中毒導(dǎo)致小鼠認(rèn)知能力發(fā)生障礙，學(xué)習(xí)與記憶能力減弱。陳雅等[5]發(fā)現(xiàn)45.03 μmol/L硫酸鋁鉀抑制小鼠胚胎中腦細(xì)胞增殖，而3.92 μmol/L硫酸鋁鉀阻礙腦細(xì)胞分化。李亮等[6]發(fā)現(xiàn)，慢性鋁中毒影響小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力，且小鼠低密度脂蛋白降低。我國 GB 2760-2014中明確規(guī)定，粉絲中硫酸鋁鉀的殘留物鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過200 mg/kg。

目前常見的硫酸鋁鉀殘留物鋁的檢測(cè)方法包括鉻天青S分光光度法，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、石墨爐原子吸收法和電化學(xué)法。劉冬豪[7]采用鉻天青S分光光度法測(cè)定辣椒中的明礬，檢出限為0.02 g/kg，該方法需要使用硝酸和高氯酸等消解預(yù)處理，操作過程復(fù)雜；陳樹娣等[8]采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定蜂蜜中的鋁含量，檢測(cè)限為9.4 mg/kg，檢測(cè)精度高，但需要專業(yè)操作人員，檢測(cè)成本相對(duì)較高；薛巧如等[9]采用石墨爐-原子吸收分光光度法測(cè)定復(fù)方氨基酸注射液中的鋁含量為5～40 ng/mL，檢測(cè)線性關(guān)系良好，但鋁的原子化程度高，對(duì)石墨爐產(chǎn)生較大傷害，不利于使用壽命；郭蒙等[10]采用伏安法測(cè)定食品中的鋁含量，其檢出限為2.2×10-8mol/L。與Pryor等[11]研究相似，基于變壓器的工作參數(shù)可表征電解質(zhì)溶液理化特性。勵(lì)磁等電勢(shì)法依據(jù)變壓器原理，向初級(jí)線圈施加不同頻率及勵(lì)磁電壓的正弦交流信號(hào)，次級(jí)線圈中的樣品溶液產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，差異性感應(yīng)電勢(shì)根據(jù)不同樣品溶液的理化特性分配在測(cè)量端和次級(jí)線圈中。因此，通過檢測(cè)感應(yīng)電勢(shì)的變化，可分析次級(jí)線圈中樣品特定成分的含量。而利用勵(lì)磁等電勢(shì)法測(cè)定食品中的硫酸鋁鉀鮮有報(bào)道。

本文采用勵(lì)磁等電勢(shì)檢測(cè)分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鋁鉀溶液的電學(xué)特性，并選取4種市售的粉絲產(chǎn)品檢測(cè)其硫酸鋁鉀含量，探究勵(lì)磁等電勢(shì)法檢測(cè)粉絲中硫酸鋁鉀的可行性，為食品中硫酸鋁鉀的檢測(cè)提供新的方法。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

3種粉絲（散裝圓餅粉絲、散裝長條粉絲和雙塔紅薯粉絲），購于超市和1種散裝長條粉絲購于自由市場(chǎng)；氨水、鹽酸、乙酸、乙酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、氯化鋅、二甲酚橙指示劑和剛果紅試紙（所有試劑均為分析純），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

勵(lì)磁等電勢(shì)檢測(cè)設(shè)備（根據(jù)變壓器原理自制勵(lì)磁電壓5～20 V，頻率300～700 Hz），廣東利誠檢測(cè)技術(shù)有限公司理化分析中心實(shí)驗(yàn)室自制；C-MAG磁力攪拌器，德國IKA公司；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。

1.3 試驗(yàn)條件與方法

勵(lì)磁等電勢(shì)檢測(cè)設(shè)備如圖1b所示，樣品溶液經(jīng)玻璃連接孔倒入后布滿螺旋管道，樣品溶液經(jīng)過 b、c處管道相連，形成兩個(gè)繞向相同的次級(jí)線圈。設(shè)置恒溫循環(huán)水浴溫度為 30 ℃，向初級(jí)線圈施加頻率300～700 Hz和勵(lì)磁電壓5～20 V的正弦交流信號(hào)，通過鉑電極依次檢測(cè)樣品o和位點(diǎn)a、b、c和d之間的對(duì)地電壓Vao、Vbo、Vco和Vdo，并測(cè)定a、d間的電勢(shì)差Uad。

將硫酸鋁鉀配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10、20、30、40 mg/kg的硫酸鋁鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次向初級(jí)線圈施加頻率300、400、500、600和700 Hz及5、10、15和20 V的勵(lì)磁電壓，并測(cè)定次級(jí)線圈中o點(diǎn)和a～d四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地電壓以及a和d檢測(cè)位點(diǎn)間的電勢(shì)差。并測(cè)定4種市售粉絲產(chǎn)品中硫酸鋁鉀含量，粉絲粉碎后，過300目篩，與去離子水按1:10的比例混合均勻，5000 g離心20 min，取上清液過0.45 μm水系濾膜過濾后檢測(cè)，并按照GB 1886.229-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑 硫酸鋁鉀》，采用化學(xué)法檢測(cè)粉絲樣品中硫酸鋁鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用ORIGIN 8.5和SPSS 22.0進(jìn)行制圖及數(shù)據(jù)分析，每個(gè)樣品重復(fù)檢測(cè)3次，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對(duì)硫酸鋁鉀溶液對(duì)地電壓的影響

向初級(jí)線圈施加10 V勵(lì)磁電壓，檢測(cè)20 mg/kg硫酸鋁鉀溶液在不同頻率下，次級(jí)線圈中a～d四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地電壓的變化。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在一定勵(lì)磁電壓下，隨頻率從300 Hz增加至700 Hz，硫酸鋁鉀溶液的對(duì)地電壓保持不變，因此后續(xù)選擇 300 Hz為檢測(cè)頻率值。不同頻率下，b和c點(diǎn)對(duì)地電壓基本相同，這與Edwin等研究結(jié)果一致，在同一磁通密度下，液體二次回路為等電位電池[12]。Pryor等利用變壓器原理檢測(cè)海水電導(dǎo)值，并認(rèn)為電導(dǎo)值可采用基于變壓器特性的電學(xué)參數(shù)來表征[11]。與變壓器原理相同，次級(jí)線圈中感應(yīng)電壓與初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓有關(guān)，與頻率不相關(guān)。勵(lì)磁等電勢(shì)法中，在相同勵(lì)磁電壓下，不同頻率下的硫酸鋁鉀溶液感應(yīng)電勢(shì)無顯著變化，測(cè)得各位點(diǎn)對(duì)地電壓變化較小。

2.2 勵(lì)磁電壓對(duì)硫酸鋁鉀溶液對(duì)地電壓的影響

初級(jí)線圈頻率為300 Hz，檢測(cè)20 mg/kg硫酸鋁鉀溶液在不同勵(lì)磁電壓下，次級(jí)線圈中a～d四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地電壓的變化。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，隨勵(lì)磁電壓從5 V提高至20 V，硫酸鋁鉀溶液Vao增大，20 V下Vao較5 V時(shí)增大27.08%。而Vdo則減小，20 V下Vdo較5 V時(shí)下降96.49%。隨勵(lì)磁電壓的增大，a位點(diǎn)到d位點(diǎn)的對(duì)地電壓下降趨勢(shì)逐漸增加，因此后續(xù)采用20 V為檢測(cè)勵(lì)磁電壓值，a至d檢測(cè)位點(diǎn)的電勢(shì)差Uad為電信號(hào)指標(biāo)。與Zakrevskii等[13]研究相似，交變電場(chǎng)作用下，聚合物薄膜中大分子遷移加速，電傳率增加。Guo等[14]利用微波輔助萃取茶多酚，發(fā)現(xiàn)物理場(chǎng)作用下，提取時(shí)間縮短97.70%，提取物穩(wěn)定性提高。隨勵(lì)磁電壓的增大，次級(jí)線圈中硫酸鋁鉀溶液感應(yīng)電勢(shì)增加，體系中帶電離子碰撞幾率增加，熱運(yùn)動(dòng)加劇，離子傳導(dǎo)增強(qiáng)，輸出電壓增大。

2.3 頻率對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鋁鉀溶液電勢(shì)差的影響

向初級(jí)線圈施加20 V勵(lì)磁電壓，檢測(cè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鋁鉀溶液在300～700 Hz頻率下，次級(jí)線圈中電勢(shì)差Uad的變化。硫酸鋁鉀溶液呈酸性，在 30 ℃下其電導(dǎo)率隨硫酸鋁鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增加。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在不同頻率下，硫酸鋁鉀溶液的Uad保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，隨硫酸鋁鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，體系電勢(shì)差增大。300 Hz，20 V條件下，40 mg/kg硫酸鋁鉀溶液的Uad較0和10 mg/kg的Uad分別增大88.38%和42.37%。程樹康等[15]發(fā)現(xiàn)氯化鈉溶液經(jīng)磁場(chǎng)處理后，溶液中水分子磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，削減了溶液的電泳效應(yīng)，電導(dǎo)率升高。孟嫚等[16]利用電磁感應(yīng)原理提取松茸多糖，發(fā)現(xiàn)隨頻率的增加，松茸多糖產(chǎn)量下降。隨溶液中硫酸鋁鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，體系電導(dǎo)率增加，次級(jí)線圈中帶電自由離子受到交變感應(yīng)電勢(shì)的影響，發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)離子傳導(dǎo)，體系電勢(shì)差增大，但不隨初級(jí)線圈頻率變化發(fā)生改變。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下硫酸鋁鉀溶液的電導(dǎo)率Table 1 Conductivities of aluminum potassium sulfate solutions with different mass fractions

2.4 勵(lì)磁電壓對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鋁鉀溶液電勢(shì)差的影響

初級(jí)線圈頻率為300 Hz，檢測(cè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鋁鉀溶液在5～20 V勵(lì)磁電壓下，次級(jí)線圈中電勢(shì)差Uad的變化。從圖 5中可以發(fā)現(xiàn)，硫酸鋁鉀溶液Uad與勵(lì)磁電壓呈正相關(guān)，且電勢(shì)差變化趨勢(shì)隨硫酸鋁鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。在300 Hz頻率下，當(dāng)勵(lì)磁電壓從5 V增加至20 V時(shí)，20 mg/kg硫酸鋁鉀溶液Uad提高78.79%。ZhanG等[17]發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)處理導(dǎo)致復(fù)合物中甲醇分子相對(duì)位置旋轉(zhuǎn)，電荷轉(zhuǎn)移，且極性發(fā)生改變。Qiu等[18]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)作用下，納米沉淀物發(fā)生二次共沉淀，其核化率增加。當(dāng)溶液中硫酸鋁鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，體系中自由帶電離子數(shù)量提高，隨初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓的增大，次級(jí)線圈中感應(yīng)電壓逐漸增大，離子傳導(dǎo)效率增加，次級(jí)線圈電勢(shì)能不斷累積，電勢(shì)差變化趨勢(shì)急劇增大。

2.5 粉絲樣品中硫酸鋁鉀的檢測(cè)

表2 粉絲樣品中硫酸鋁鉀含量的測(cè)定Table 2 Determination of aluminum potassium sulfate in vermicelli samples

利用ORIGIN 8.5分析溶液中硫酸鋁鉀含量Y與頻率X1、勵(lì)磁電壓X2和電勢(shì)差X3的關(guān)系，得到線性方程Y=-6.75-0.01X1-2.20X2+0.25X3，相關(guān)系數(shù)(r)為0.94，該研究中粉絲樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%，故其硫酸鋁鉀總含量為10Y。在20 V，300 Hz下測(cè)定4種市售粉絲樣品的電勢(shì)差Uad，并依據(jù)線性方程計(jì)算其硫酸鋁鉀總含量。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，樣品C中硫酸鋁鉀總含量極低，該樣品中未添加硫酸鋁鉀，檢測(cè)樣品A～D中硫酸鋁鉀總含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在1.50%以內(nèi)，且與樣品化學(xué)法檢測(cè)結(jié)果相比，相對(duì)誤差均在2.00%以內(nèi)，勵(lì)磁等電勢(shì)法具有良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。適量使用硫酸鋁鉀可改善食品品質(zhì)，唐歡歡等[19]使用2.63‰的明礬提高了粉絲的硬度、咀嚼性，改善其蒸煮品質(zhì)。然而，范子瑋[20]發(fā)現(xiàn)明礬在改善粉絲品質(zhì)的同時(shí)，其 Al3+在胃部和腸道溶出率僅為 50%和10%，血液、肝臟和腦部等區(qū)域 Al3+含量顯著升高。市售包裝粉絲大多不含有硫酸鋁鉀，樣品C中檢測(cè)數(shù)值極小，該樣品不含硫酸鋁鉀，而散裝產(chǎn)品則存在較大隱患，勵(lì)磁等電勢(shì)法及化學(xué)法檢測(cè)樣品D中硫酸鋁鉀總含量分別為255.05 mg/kg和251.53 mg/kg，超過國標(biāo)允許使用量，因此，可靠有效的檢測(cè)技術(shù)為添加劑的規(guī)范使用提供了保障。

3 結(jié)論

本研究利用勵(lì)磁等電勢(shì)法，以300～700 Hz頻率及5～20 V勵(lì)磁電壓作為初級(jí)線圈電信號(hào)參數(shù)，分析次級(jí)線圈中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鋁鉀溶液的電學(xué)特性，并檢測(cè)4種市售粉絲產(chǎn)品種硫酸鋁鉀含量。研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鋁鉀溶液的對(duì)地電壓隨頻率變化無顯著差異，隨勵(lì)磁電壓的增加而增大。當(dāng)硫酸鋁鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，不同頻率下體系電勢(shì)差維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，而隨勵(lì)磁電壓的增加，體系電勢(shì)差急劇升高，在 300 Hz頻率下，當(dāng)勵(lì)磁電壓從5 V增加至20 V時(shí)，20 mg/kg硫酸鋁鉀溶液Uad提高78.79%。硫酸鋁鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、頻率、勵(lì)磁電壓和電勢(shì)差呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)（r）為0.94。檢測(cè)4種市售粉絲產(chǎn)品，檢測(cè)值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在1.50%以內(nèi)，且與化學(xué)法檢測(cè)結(jié)果相比較，測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差均小于2.00%，試驗(yàn)具有良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。將粉絲的預(yù)處理料液作為次級(jí)線圈，利用勵(lì)磁等電勢(shì)法測(cè)定其電學(xué)特性為食品中硫酸鋁鉀等添加劑的檢測(cè)提供了一種新方法。