農(nóng)產(chǎn)品成分分析中樣品預(yù)處理技術(shù)探究

◎ 童鑠云，胡偉康，方曉青，左天樂

（湖北省地質(zhì)實驗測試中心，湖北 武漢 430034）

在蔬菜、水果、菌類和谷物等農(nóng)產(chǎn)品中，各種元素均通過環(huán)境介質(zhì)流轉(zhuǎn)，在不同環(huán)境間循環(huán)交換，土壤中活化成有效態(tài)的元素被植物吸收，進入植物中的各種元素會影響其生長發(fā)育，如產(chǎn)量和品質(zhì)，再通過食物鏈進入動物和人體中，同樣會影響動物和人體的生長發(fā)育。因此，對食品中各類元素進行分析檢測是監(jiān)控食品安全的基本環(huán)節(jié)，也是保障民生不可或缺的一部分。

由于各元素在樣品中的賦存狀態(tài)不同，碎樣時的清洗、烘干、樣品粒度和稱樣量都有可能直接影響樣品的均一性和代表性，進而影響測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。在測定常量元素或較低含量元素時，上述各類處理技術(shù)的影響較小。但測定微量或痕量元素時，其對測定結(jié)果的影響不容忽視。

目前，有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品預(yù)處理的相關(guān)研究中，多涉及相關(guān)食品的預(yù)處理干制、碎樣、研磨等方法，包括農(nóng)作物產(chǎn)品加工場地與加工用具的要求，說明干樣和鮮樣的加工方法，要求磨碎后的樣品用0.42～0.25 mm（即40～60目）的尼龍篩過篩[1]；植物樣品的室內(nèi)處理過程，以及配套的消解方法和對方法檢出限的要求，沒有說明對樣品的制備和粒度要求[2]；植株根莖葉、果蔬、籽類、畜禽類、魚類和貽貝類等樣品的采集以及干基制備[3]。值得注意的是，這些研究均未涉及各類干基樣品在粉碎時的粒度要求以及對應(yīng)的粉碎方式，對其進行系統(tǒng)性研究，有利于提高各類農(nóng)產(chǎn)品樣品的分析測試效率和測試精度。

本文對農(nóng)產(chǎn)品樣品預(yù)處理過程中的縮分、清洗與烘干、粒度及粉碎方式進行了歸納總結(jié)。此外，選取了部分農(nóng)產(chǎn)品樣品來驗證不同碎樣粒度對測定結(jié)果的影響，探究不同的預(yù)處理方式對生物樣測試結(jié)果的影響，以期為同類樣品的相關(guān)研究提供參考。

1 預(yù)處理流程

1.1 樣品的縮分

微量元素常用的測試儀器有原子熒光光譜儀（Atomic Fluorescence Spectrometry，AFS）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，ICP-OES）等精密儀器，測試前需要對樣品進行消解處理。部分樣品個體的整體重量過大，需要對樣品進行縮分處理。通常，對于個體較小的樣品，如綠豆、大豆等，可以直接采用四分法進行縮分；個體稍大的，如櫻桃番茄、土豆、干香菇等，需先切碎后縮分；對于個體較大的，如大白菜、冬瓜等，則需要對樣品進行分割，取對角線的兩份，再切碎后進行四分法縮分?？s分后的質(zhì)量通常為1 kg，對于密度較低的樣品可將縮分后的質(zhì)量控制在200～500 g。若樣品量少，則無需四分法縮分，應(yīng)全部進行研磨或粉碎[4]。

1.2 清洗與烘干

在化學(xué)分析過程中，農(nóng)產(chǎn)品樣品通常都需要進行清洗，以去除其所攜帶的各類雜質(zhì)和腐敗變質(zhì)的部分。鮮樣經(jīng)清洗后，需用干凈的紗布或棉花去除表面所吸附的水分，然后置于通風(fēng)處風(fēng)干。干樣在清洗時需要根據(jù)不同的樣品種類而有所調(diào)整。不容易吸水的干樣可以在清洗完后直接烘干，如豆類、玉米、水稻等；容易因吸水而導(dǎo)致樣品發(fā)生變化的干樣，則不能用水清洗，如茶葉、干制菌類等，需要用毛刷先除去表面附著物，再用干凈的濕紗布清理一遍，然后進行烘干。

為了避免樣品中待測元素流失（如汞），日常工作一般選擇在45 ℃條件下烘干樣品，含水量較高的樣品應(yīng)于105 ℃烘干，操作時最好采用分步升溫的方式，以避免樣品因升溫過快而被烤焦變質(zhì)。值得注意的是，砷、鎘、銅、鉻、鎳、鉛和鋅等元素在上述溫度下的適應(yīng)性均表現(xiàn)良好，而汞元素在冷凍干燥、45 ℃條件下存在不適用情況，在105 ℃條件下有較大流失。

1.3 粒度

由于各農(nóng)產(chǎn)品樣品的形狀、組成、含水量具有很大差異，選擇適宜的碎樣方式將樣品進行細碎和均一化對樣品的檢驗分析至關(guān)重要。根據(jù)樣品的大小、形狀、硬度、稠度、含水量、化學(xué)成分和數(shù)量，可以選用不同的碎樣技術(shù)對樣品進行破碎和研磨。

趙枝新等[5]通過對比不同粉碎粒度對近紅外分析儀測定樣品干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)含量的影響發(fā)現(xiàn)，將粒度分別控制在0.50 mm和0.75 mm時，豆粕和魚粉的測定結(jié)果無明顯差異，但對玉米的測定結(jié)果有顯著影響。蔡曙光等[6]研究了牧草樣品粒度對其營養(yǎng)檢測值的影響，發(fā)現(xiàn)測定含水量、有機質(zhì)、NDF和ADF的最佳粉碎粒度為20目，測定試樣干物質(zhì)含量的最佳粉碎粒度為40目，測定粗灰分最佳粉碎粒度為60目?；厝鹑A等[7]研究了不同樣品粉碎粒度對揮發(fā)油提取作用的影響，發(fā)現(xiàn)樣品粒度并非越細越好，需根據(jù)各樣品的特性確定最佳的粉碎粒度。此外，碎樣時采用的工具不同，碎樣的效果也存在差異。例如，攪拌粉碎機，處理干基樣品時可以做到粒度均勻，但處理鮮基樣品時則容易出現(xiàn)樣品不均勻的現(xiàn)象。為保證所制備樣品具有良好均一性，還需了解各碎樣方式的特點和差異。

農(nóng)產(chǎn)品樣品在分析檢測時的稱樣量一般在0.2～2.0 g，而常規(guī)縮分處理后，樣品質(zhì)量為幾百至上千克，為保證稱取的樣品具有代表性，所制備的樣品一定要有足夠均一性。而樣品均一性與樣品的粒度息息相關(guān)，大部分農(nóng)產(chǎn)品樣品的結(jié)構(gòu)與組成完全不同于巖石、土壤等樣品，粒度的概念在農(nóng)產(chǎn)品樣品的范疇內(nèi)具有很大的局限性。①無法用粒度去描述制備的鮮樣，鮮樣一般使用勻漿機或攪拌機，制備成均勻的漿狀或糊狀，樣品不能出現(xiàn)明顯的線狀或條狀物，也不能出現(xiàn)明顯的組織分層。②含油脂成分高的樣品和粗纖維含量高的樣品難以加工至較小的顆粒，如油菜仔和核桃等，要嚴格控制切割粉碎的時間以避免油脂滲出，因此只能將樣品粉碎至20～30目[8]。茶根和牛膝等樣品，富含長纖維素、質(zhì)地硬，普通的攪拌粉碎機只能將其粉碎至3～5 mm長的細小條狀或顆粒，勉強能通過20目篩。而淀粉含量高和葉類的干制樣品可以粉碎至較高目數(shù)，大米和茶葉樣品經(jīng)振動研磨機粉碎后可輕易通過100目篩。

1.4 樣品粉碎方式及特點

農(nóng)產(chǎn)品樣品的種類眾多，樣品性質(zhì)各異，且不同的碎樣方式有著不同的效果。此外，不同的設(shè)備，材質(zhì)各異，存在污染樣品的可能性，因此在粉碎樣品時需選擇相適宜的方式及設(shè)備，以保證所制備樣品有足夠的均一性和代表性。易于粉碎的干基樣品可以用多種方式進行制備，如干制茶葉、大米等；而不易于粉碎或組織較為特殊的樣品則只能選擇特定的制備方式，如木頭、茶根等?，F(xiàn)對碎樣方式、設(shè)備及所適用樣品進行匯總，結(jié)果如表1所示。對不同粉碎工具的材質(zhì)進行匯總，結(jié)果如表2所示。

表1 不同碎樣方式及特點表

表2 不同粉碎工具的材質(zhì)表

蔬菜、水果類樣品的粉碎設(shè)備應(yīng)首選勻漿機，同時配備陶瓷刀頭；大米、干茶葉等谷物類樣品則應(yīng)首選振動研磨機，樣品粒度細；肉類、水產(chǎn)類等樣品應(yīng)首選組織搗碎機；其他質(zhì)地較硬的樣品，如根、莖類等樣品，應(yīng)首選植物粉碎機。使用金屬刀頭的，應(yīng)定期檢查刀頭的磨損情況，發(fā)現(xiàn)重金屬元素（鉻、鎳、鎘等）檢測結(jié)果有異常時應(yīng)及時更換刀頭。綜上所述，選擇合適的碎樣方式及設(shè)備，可以保證樣品的均一性和代表性，還能盡量控制因加工磨損對樣品帶來的污染。

2 樣品粒度對測定結(jié)果的影響

由于各農(nóng)產(chǎn)品樣品的形狀、組成、含水量具有較大的差異，選擇適宜的碎樣方式將樣品進行細碎和均一化對樣品的檢驗分析至關(guān)重要。現(xiàn)有研究中缺少對農(nóng)產(chǎn)品樣品研磨粒度的明確規(guī)定，本文根據(jù)樣品的大小、形狀、硬度、稠度、含水量、化學(xué)成分和數(shù)量，選用不同的碎樣技術(shù)對樣品進行破碎和研磨，以期提升樣品測試的精密度。

現(xiàn)選用攪拌粉碎機和SP零污染碎研機兩種碎樣儀器，以大米、黃豆、玉米和青稞為代表性樣品，對比不同的方式對測定結(jié)果的影響。所用攪拌粉碎機為日常家用型號，轉(zhuǎn)速不高、成本低、使用便捷，但加工后的樣品粒度較大，顆粒較明顯，樣品粒度約為0.275～0.550 mm。所用SP零污染碎研機為農(nóng)產(chǎn)品樣品專用樣品制備裝置，內(nèi)部為硬質(zhì)塑料包裹的錳鋼研磨盤，經(jīng)往復(fù)振動擠壓可將樣品研磨至較高目數(shù)，樣品粒度約為0.082～0.110 mm。

2.1 材料與儀器

大米，黃豆，玉米，青稞樣品，縮分后各取2份清洗烘干后用于粉碎。

攪拌粉碎機；SP零污染碎樣機；微波消解儀；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；電感耦合等離子發(fā)射光譜儀。

2.2 實驗步驟

（1）將清洗烘干后的大米、黃豆、玉米和青稞縮分后各取兩份，一份用攪拌粉碎機進行制備，另一份用SP零污染碎樣機進行制備。

（2）粉碎好的樣品，每份平行分析11次，稱樣量為0.1000 g。經(jīng)微波消解儀消解后，使用ICP-MS測定鎳、銅、鋅、鍶、鉬和鎘元素的含量，使用ICPOES測定鈣、鉀、鎂、錳、磷和硫元素的含量，通過對以上12種元素測試數(shù)據(jù)進行對比，分析兩種粉碎方式對測定結(jié)果的影響。

2.3 測定數(shù)據(jù)分析

將兩種破碎方式處理后獲得的不同粒徑樣品分別進行平行分析11次后，得到鎳、銅、鋅、鍶、鉬、鎘、鈣、鉀、鎂、錳、磷和硫測量結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，兩種破碎方式獲得的各元素含量平均值基本一致，在稱樣量為0.1000 g時，對比兩組樣品雙差的變化范圍為0.32%～12.05%，均小于15%，沒有出現(xiàn)明顯的偏差，表明樣品在選擇、縮分和粉碎時的操作是合理可靠的，所稱取的樣品具有代表性。

由圖1可知，從大米、黃豆和玉米各元素含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來看，采用SP碎樣機制備的樣品中，多數(shù)元素測量結(jié)果的精密度更加理想，數(shù)據(jù)分散區(qū)間小。青稞樣品的測量數(shù)據(jù)變化趨勢與另外3種樣品有明顯區(qū)別。使用ICP-OES測定的鎳、銅、鋅、鍶、鉬和鎘元素，SP零污染碎研機測試的精密度優(yōu)于攪拌粉碎機，而使用ICP-MS測定的鈣、鉀、鎂、錳、磷和硫元素，其精密度結(jié)果表現(xiàn)為相反趨勢。分析原因，可能與SP碎研機的工作原理有關(guān)，研磨盤往復(fù)式振動擠壓無法很好地粉碎麩皮等物質(zhì)，樣品中的麩皮顆粒分布不均勻，導(dǎo)致微量元素的均一性相對較差，但對含量較高的元素受到的影響不大。由此可見，攪拌粉碎機和SP零污染碎研機均適用于大米、黃豆和玉米的樣品制備，對于這3種樣品，SP零污染碎研機的效果更佳；而對于青稞樣品，則更適宜采用攪拌粉碎的方式。此外，針對不同的目標(biāo)元素，選擇不同的碎樣研磨方式，也可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 不同破碎方式下4種樣品的測試精密度結(jié)果對比圖

3 結(jié)論

農(nóng)產(chǎn)品樣品在縮分、清洗、烘干以及研磨等前處理流程中因其自身組成的復(fù)雜性，需要針對不同樣品選擇不同的前處理方式，還需要規(guī)避來自分析器皿和材料的污染。粉碎粒度可能影響樣品測定數(shù)據(jù)的精密度，部分樣品粉碎時的粒度與測定數(shù)據(jù)的精密度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。此外，針對不同的目標(biāo)元素選擇不同的碎樣方式，有利于提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。