基于顏色識(shí)別技術(shù)的COD自動(dòng)測(cè)定儀在食品接觸材料中的應(yīng)用

夏銘德，韋存茜，劉 峻

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114）

高錳酸鉀消耗量是指食品接觸材料在一定時(shí)間、溫度條件下遷移到水里面可被高錳酸鉀氧化的物質(zhì)總量，表明了食品接觸材料中可遷移出并能被氧化的水溶性物質(zhì)的總和[1]。這些物質(zhì)主要是有機(jī)物質(zhì)，其主要是從聚合物在浸泡過(guò)程中遷移到蒸餾水中的有機(jī)物[2]，這些遷移出來(lái)的有機(jī)物，包括聚合物單體等，例如聚碳酸酯（PC）制品可能會(huì)遷移出雙酚A單體；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）制品中可能會(huì)遷移出丁二烯單體[3]，這些遷移出的單體可擾亂人體內(nèi)的代謝過(guò)程還可能誘發(fā)某些癌癥，增加神經(jīng)系統(tǒng)損傷、代謝綜合征以及腫瘤的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期接觸可引起慢性中毒[4]。根據(jù)GB 31604.2—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品 高錳酸鉀消耗量的測(cè)定》[5]，高錳酸鉀消耗量的實(shí)驗(yàn)原理為通過(guò)在酸性條件下加入高錳酸鉀，在煮沸的情況下將遷移出并能被氧化的水溶性物質(zhì)氧化，再趁熱加入草酸，最后再次通過(guò)高錳酸鉀進(jìn)行返滴定的過(guò)程。在最后返滴定的過(guò)程中，高錳酸鉀不僅起到了氧化劑的作用，同時(shí)作為擁有非常明顯的紫色化合物，其還起到了指示劑的作用。在返滴定過(guò)程中，當(dāng)?shù)味ㄈ芤撼饰⒎凵?0 s內(nèi)溶液不褪色時(shí)即為滴定終點(diǎn)。此時(shí)高錳酸鉀微微過(guò)量，同時(shí)也意味著能被高錳酸鉀還原的物質(zhì)均已反應(yīng)完畢。故用肉眼即可觀察到反應(yīng)完畢的過(guò)程。近些年在技術(shù)的發(fā)展下，基于顏色識(shí)別技術(shù)的COD自動(dòng)測(cè)定儀應(yīng)運(yùn)而生，其通過(guò)顏色識(shí)別系統(tǒng)對(duì)三原色（RGB）及顏色深淺進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)滴定終點(diǎn)的精確判定，并結(jié)合機(jī)械臂及加熱裝置等輔助從而實(shí)現(xiàn)滴定實(shí)驗(yàn)流程自動(dòng)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硫酸（95.0%～98.0%）、乳酸（AR）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[C(1/5KMnO4)=0.01 mol/L]、草酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[C(1/2H2C2O4)=0.01 mol/L]：上海計(jì)量院。

1.2 儀器與設(shè)備

UF260電熱鼓風(fēng)干燥箱：德國(guó)美墨爾特公司；GC400高錳酸鉀消耗量自動(dòng)測(cè)定儀：上海北裕分析儀器股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.3.1 溶液配制

高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c(1/5KMnO4)=0.01 mol/L]：取 25 mL高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液[C(1/5KMnO4)=0.1 mol/L]用水稀釋至250 mL。

草酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[C(1/2H2C2O4)=0.01 mol/L]：取25 mL草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液[C(1/2H2C2O4)=0.1 mol/L]用水稀釋至250 mL。

硫酸溶液（1+2）：取硫酸100 mL小心加入200 mL水中，混勻。

（所用試劑均為分析純，水為GB/T 6682規(guī)定的二級(jí)水）。

1.3.2 人工實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)GB 31604.2—2016中所述實(shí)驗(yàn)流程，準(zhǔn)確量取100 mL待測(cè)溶液于250 mL錐形瓶中，加入2粒玻璃珠，加入5 mL硫酸（1+2）、10 mL高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L），準(zhǔn)確煮沸5 min后，趁熱加入10 mL草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L），再以高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L）滴定至微紅色，并在0.5 min內(nèi)不褪色。

1.3.3 設(shè)備實(shí)驗(yàn)流程

準(zhǔn)確量取100 mL待測(cè)溶液于設(shè)備配套的石英杯中，加入攪拌子，將配制完成的高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L）、草酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液（0.01 mol/L）及硫酸溶液（1+2）裝入對(duì)應(yīng)的容器中，并插入對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管，打開(kāi)設(shè)備及電腦軟件，手動(dòng)點(diǎn)擊操作軟件中的“清洗管路”，等待管路清洗完成后，點(diǎn)擊“開(kāi)始任務(wù)”即可由自動(dòng)測(cè)定儀自動(dòng)加入5 mL硫酸（1+2）、10 mL高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L），加熱至沸并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)5 min，抓取至滴定位并加入10 mL草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L），最后以高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L）滴定至微紅色完成滴定。

1.3.4 設(shè)備原理

為實(shí)現(xiàn)上述操作的全程自動(dòng)化，COD自動(dòng)滴定儀通過(guò)各類(lèi)機(jī)構(gòu)協(xié)同配合，其機(jī)構(gòu)主要可分為工作平臺(tái)、樣品移動(dòng)臺(tái)（機(jī)構(gòu)）、試劑添加組件（機(jī)構(gòu)）這3個(gè)部分組成。示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備示意圖Fig.1 The organigram of equipment

1.3.4.1 工作平臺(tái) 工作平臺(tái)包括樣品區(qū)、用于加熱反應(yīng)的加熱反應(yīng)區(qū)和滴定區(qū)。樣品區(qū)主要用來(lái)存放初始待測(cè)樣品。按照標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理后的樣品盛裝在玻璃杯中，添加攪拌子，手動(dòng)排序放入樣品區(qū)；加熱反應(yīng)區(qū)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要加熱煮沸的過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確煮沸5 min的要求，其內(nèi)置了溫度控制系統(tǒng)控制加熱溫度、攝像頭識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別是否煮沸以及計(jì)時(shí)模塊控制煮沸 5 min的消解條件；滴定區(qū)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴定的過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)滴定過(guò)程自動(dòng)化，其內(nèi)置了溫度控制系統(tǒng)、智能辨色系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)控制草酸加入的溫度為75～90 ℃[6]；智能辨色系統(tǒng)由光源和視覺(jué)檢測(cè)兩部分組成，通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)模塊辨別顏色，顏色傳感器定時(shí)采集到被測(cè)物體顏色信號(hào)[7]，通過(guò)檢測(cè)T時(shí)樣品顏色，與T-1時(shí)的樣品顏色進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)設(shè)定的變化規(guī)則判定是否到達(dá)滴定終點(diǎn)；攪拌系統(tǒng)通過(guò)磁力攪拌子實(shí)現(xiàn)樣品均勻攪拌，防止滴定過(guò)程中不均勻?qū)е碌摹凹俳K點(diǎn)”。

1.3.4.2 樣品移動(dòng)臺(tái)（機(jī)構(gòu)） 樣品移動(dòng)臺(tái)（機(jī)構(gòu)）主要用來(lái)代替人工進(jìn)行樣品的抓取，并在不同的工作區(qū)之間移動(dòng)在工作平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)樣品杯從樣品區(qū)-加熱反應(yīng)區(qū)-滴定區(qū)-樣品區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并按照設(shè)定的程序?qū)悠繁凑赵O(shè)定程序放置到指定位置。為實(shí)現(xiàn)上述功能，樣品移動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)置了電機(jī)、滑軌和機(jī)械臂進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)帶有氣泵裝置的機(jī)械臂進(jìn)行抓取。在取放樣品杯時(shí)，電機(jī)和滑軌根據(jù)程序?qū)C(jī)械臂移動(dòng)到相應(yīng)位置，到達(dá)指定位置后，機(jī)械臂向下運(yùn)動(dòng)到樣品杯的高度，此時(shí)空氣泵加壓，抓取樣品杯，機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)，電機(jī)和滑軌再次移動(dòng)到下一個(gè)指定位置，到達(dá)指定位置后，機(jī)械臂再次向下運(yùn)動(dòng)，空氣泵泄壓，從而完成樣品杯的取放。除此以外，為防止機(jī)械臂位移時(shí)出現(xiàn)位移偏差，在機(jī)械臂內(nèi)部還內(nèi)置了紅外定位裝置對(duì)三維定位的位置進(jìn)行分析，從而輔助機(jī)械臂達(dá)到更高的定位精度[8]。

1.3.4.3 試劑添加組件（機(jī)構(gòu)） 試劑添加組件（機(jī)構(gòu)）主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)加液和滴定的功能。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加液及滴定的功能，整個(gè)試劑添加組件（機(jī)構(gòu)）通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)行加液和滴定。試劑添加系統(tǒng)分為3路，分別為高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫酸溶液、草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。在實(shí)驗(yàn)之前潤(rùn)洗管路；通過(guò)定量泵在樣品杯中加入10 mL高錳酸鉀，5 mL硫酸；停止加熱移動(dòng)至滴定位，冷卻至設(shè)定溫度后通過(guò)定量泵加入10 mL草酸，以一定速率滴定高錳酸鉀溶液，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)將信號(hào)傳送到試劑添加端，停止添加試劑，并自動(dòng)記錄下滴定體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定[9-10]中往往會(huì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)、測(cè)量程序的評(píng)估、給空白賦值和質(zhì)量控制等[11-12]。而在食品接觸材料的測(cè)定中，由于食品接觸用樣品的特殊性，無(wú)可用于比對(duì)的質(zhì)控樣品[13]。為此，本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)每個(gè)樣品浸泡200 mL浸泡液進(jìn)行浸泡，并分成2份，每份100 mL，一份人工滴定，另一份由自動(dòng)測(cè)定儀滴定，從而在控制相同浸泡液（測(cè)定液）的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。結(jié)果如表1所示。

根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)滴定儀的數(shù)值均比人工滴定的數(shù)值偏大，且結(jié)果越小，相對(duì)偏差越大；究其根源，主要為滴定體積偏大，且相差大約為0.3～0.4 mL左右。為探究其原因，本文進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1.2 原因探究

通過(guò)比對(duì)自動(dòng)滴定儀與人工滴定的參數(shù)及過(guò)程，最終發(fā)現(xiàn)兩者在加熱至煮沸的時(shí)間上有較大的差異，自動(dòng)滴定儀的加熱至煮沸為人工滴定的兩倍。為驗(yàn)證加熱至煮沸時(shí)間對(duì)于高錳酸鉀消耗量實(shí)驗(yàn)的影響，并排除自動(dòng)滴定儀與人工滴定之間的其他差異，本文采用控制變量法進(jìn)行比對(duì)，即每個(gè)樣品浸泡200 mL浸泡液進(jìn)行浸泡，并分成2份，每份100 mL，兩份均為人工滴定，2份樣品僅通過(guò)改變加熱至煮沸時(shí)間這一變量。結(jié)果如表2所示。

表2 不同加熱至煮沸的時(shí)間的結(jié)果比對(duì)（樣品）Table 2 Comparison of results of different heating to boiling times (Samples)

由表2中的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，加熱至煮沸時(shí)間對(duì)滴定體積確實(shí)有較為顯著的影響，且無(wú)論樣品滴定體積的多和少，加熱至煮沸的時(shí)間為10 min的滴定體積均比加熱至煮沸的時(shí)間為5 min的多大約0.3～0.4 mL左右，這便導(dǎo)致滴定體積越小的樣品其相對(duì)偏差會(huì)越大。為再次驗(yàn)證該結(jié)論的準(zhǔn)確性，本文使用配置成一定濃度的乳酸溶液并通過(guò)相同實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表 3所示。

表3 不同加熱至煮沸的時(shí)間的結(jié)果比對(duì)（乳酸溶液）Table 3 Comparison of results of different heating to boiling times (Lactic acid solution)

因此，由表2及表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可發(fā)現(xiàn)，縮短加熱至煮沸的時(shí)間將提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.1.3 設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)上述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)室對(duì)自動(dòng)滴定儀進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)增大加熱煮沸位置的加熱功率，并增設(shè)預(yù)熱位對(duì)浸泡液進(jìn)行預(yù)熱且使浸泡液溫度保持在 60 ℃，從而使加熱至煮沸的時(shí)間縮短至5 min左右。為測(cè)試改進(jìn)后的自動(dòng)滴定儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)室再次通過(guò)每個(gè)樣品浸泡200 mL浸泡液進(jìn)行浸泡，并分成2份，每份100 mL，一份人工滴定，另一份由自動(dòng)測(cè)定儀滴定，從而在控制相同浸泡液（測(cè)定液）的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。結(jié)果如表4所示。

根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的高錳酸鉀自動(dòng)滴定儀的滴定體積偏差減小，且測(cè)試結(jié)果的偏差已在可接受的范圍內(nèi)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本文再次使用配置成一定濃度的乳酸溶液并通過(guò)相同實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表5所示。

表5 人工滴定與設(shè)備滴定的第二次結(jié)果比對(duì)（乳酸溶液）Table 5 Comparison of the second result of manual titration with equipment titration (Lactic acid solution)

根據(jù)表4及表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)，先前高錳酸鉀自動(dòng)滴定儀與人工滴定的主要問(wèn)題確實(shí)為不同加熱至煮沸的時(shí)間導(dǎo)致，而改進(jìn)后的高錳酸鉀自動(dòng)滴定儀的滴定體積偏差減小。

3 總結(jié)及展望

綜上所述，基于顏色識(shí)別技術(shù)的 COD自動(dòng)測(cè)定儀在保持與傳統(tǒng)的高錳酸鉀消耗量實(shí)驗(yàn)方法原理相同、無(wú)需走實(shí)驗(yàn)方法偏離的情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高檢測(cè)效率。且改進(jìn)后的 COD自動(dòng)測(cè)定儀與人工滴定法的數(shù)據(jù)相比較，在結(jié)果精密度、準(zhǔn)確度均滿足質(zhì)控要求。隨著工作節(jié)奏的加快，自動(dòng)化設(shè)備及流程已運(yùn)用于很多領(lǐng)域中[14-16]。相較于人工，自動(dòng)化設(shè)備可以24 h不間斷工作，大大提升工作及實(shí)驗(yàn)效率。但在食品接觸材料的檢測(cè)中，由于樣品種類(lèi)的多樣性和復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化程度較低，基于顏色識(shí)別技術(shù)的 COD自動(dòng)測(cè)定儀在一定程度上實(shí)現(xiàn)了食品接觸材料檢測(cè)中的部分自動(dòng)化，大大提升了實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)效率及檢測(cè)周期。