微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定鐵罐裝食品中錫和9種礦物質(zhì)元素

◎ 占文慧，劉 瓊，呂昭瑋，陳啟興

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 佛山 528300）

罐裝食品其包裝罐材質(zhì)大多為玻璃、塑料、陶瓷和馬口鐵（鍍錫薄鐵）等。早期罐頭食品大多采用玻璃材質(zhì)，其安全性好，無(wú)毒無(wú)味；但是避光性差，較重，不便于運(yùn)輸[1]。塑料罐裝材質(zhì)可塑性好、輕便，便于運(yùn)輸，但是塑料中的加工助劑易向罐頭內(nèi)的食品中遷移。陶瓷材質(zhì)耐熱耐腐蝕、美觀，但是陶瓷材料易碎且容易有鉛、鎘析出。馬口鐵導(dǎo)熱性好、密封性好，能有效抑制微生物的繁殖。徐文慧等[2]研究發(fā)現(xiàn)，罐頭食品包裝材料中馬口鐵的密封性、不透光性及阻氧性能都優(yōu)于玻璃瓶和高阻隔軟包裝。潘新春[3]研究表明，采用馬口鐵罐作為黃桃罐頭的包裝容器，在果肉硬度、咀嚼性、凝聚性以及風(fēng)味物質(zhì)保留方面，都優(yōu)于玻璃和塑料包裝容器。馬口鐵由于優(yōu)良的性能，在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但馬口鐵大多采用鍍錫薄鐵，其耐酸堿性能較差，容易發(fā)生重金屬錫遷移。錫是人體必需的微量元素之一，但是若攝入過(guò)多，會(huì)引起頭暈、惡心、腹瀉等癥狀[4]，也會(huì)引起血氨升高，血鉀下降[5]。因此在鐵罐內(nèi)壁覆一層膜，可阻止錫元素遷移[6]。

在保證食品安全的前提下，消費(fèi)者也越來(lái)越希望了解食品的營(yíng)養(yǎng)特性，在購(gòu)買商品時(shí)也會(huì)關(guān)注食品的配料表、營(yíng)養(yǎng)成分等?！吨腥A人民共和國(guó)食品安全法》實(shí)施以來(lái)，我國(guó)發(fā)布實(shí)施了《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)包裝食品標(biāo)簽通則》（GB 7718—2011）[7]、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)包裝食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽通則》（GB 28050—2011）[8]和《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)包裝特殊膳食用食品標(biāo)簽》（GB 13432—2013）[9]，在保護(hù)消費(fèi)者食品安全和營(yíng)養(yǎng)健康等方面發(fā)揮了重要作用。

本文在分析鐵罐食品礦物質(zhì)元素的同時(shí)，考慮到鐵罐食品錫的遷移風(fēng)險(xiǎn)，因此研究出一種同時(shí)測(cè)定鐵罐食品中錫和9 種礦物質(zhì)元素的方法。檢測(cè)食品中礦物質(zhì)元素常用的方法是《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016）中第二法電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[10]；檢測(cè)食品中錫的方法是《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中錫的測(cè)定》（GB 5009.16—2014）[11]。本文采用微波消解法結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜法建立同時(shí)測(cè)定9 種元素和錫的方法，并對(duì)方法進(jìn)行優(yōu)化，為相關(guān)食品企業(yè)和食品檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供更為高效的檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 試劑和材料

鹽酸（36%，廣州化學(xué)試劑廠）；硝酸（65%，蘇州晶銳）；9 種元素混標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液（鉀為5 000 μg·mL-1、鈉為3 750 μg·mL-1、鈣為3 750 μg·mL-1、鎂為1 000 μg·mL-1、磷為2 500 μg·mL-1、鐵為125 μg·mL-1、錳為30 μg·mL-1、銅為30 μg·mL-1和鋅為75 μg·mL-1，介質(zhì)為2% HNO3，IV-16658）；錫標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg·mL-1，介質(zhì)為20% HCl，GSBG62042-90）。

柑橘葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW10020，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所）；乳粉中錫分析質(zhì)控樣品（MRM0269，北京美正檢測(cè)技術(shù)有限公司）；嬰兒配方乳粉（QC-IP-701，中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院測(cè)試評(píng)價(jià)中心）；實(shí)驗(yàn)用水（電阻率為18.2 M?.cm，25 ℃）由艾科浦純水系統(tǒng)制得。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 5800 ICP-OES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國(guó)Agilent 公司）；ETHOS UP 微波消解儀（意大利Milestone 公司）；趕酸器（北京萊伯泰科儀器股份有限公司）；萬(wàn)分天平（梅特勒）；純水系統(tǒng)（艾科浦公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品前處理方法

稱取樣品0.3～2.0 g 于微波消解罐中，加入一定量的硝酸后，加蓋放置過(guò)夜（室溫下使樣品與硝酸充分混合），加入合適酸 ，快速旋緊罐蓋，按照微波消解儀操作步驟進(jìn)行消解，冷卻后取出，開(kāi)罐排氣，至棕色氣體排盡，用水定容至50 mL，混勻備用，同時(shí)做空白試驗(yàn)，微波消解程序見(jiàn)表1。

表1 微波消解程序表

1.3.2 儀器檢測(cè)方法

樣品經(jīng)微波消解轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)溶液，由電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)初測(cè)值設(shè)定鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅、磷和錫的觀測(cè)方式，其中高濃度元素（鉀、鈉、鈣、鎂和磷）采用徑向觀測(cè)；低濃度元素（鐵、錳、銅、鋅和錫）采用軸向觀測(cè)，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的工作參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)表

表3 各元素對(duì)應(yīng)的分析譜線波長(zhǎng)表

2 結(jié)果與分析

2.1 微波消解酸體系研究

采用《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016）中第二法電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳和磷，其微波消解法采用硝酸體系。

鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳和磷元素在稀硝酸溶液中都能以穩(wěn)定的離子狀態(tài)存在，但Sn2+在稀硝酸溶液中存在穩(wěn)定性問(wèn)題，放置過(guò)夜后會(huì)出現(xiàn)白色錫膠，使溶液渾濁，這是因?yàn)镾n2+在水溶液中容易氧化和水解，其水解產(chǎn)物和氧化后Sn4+的錫膠均為白色沉淀。沈慕昭等[12]研究發(fā)現(xiàn)SnSO4在水中極易發(fā)生水解，必須存在足夠多的硫酸才能抑制這種水解。

本文若采用硝酸-硫酸體系，鈣離子在硫酸溶液中易形成硫酸鈣，在硝酸-硫酸體系中，當(dāng)硝酸濃度為20%以上時(shí)對(duì)硫酸鈣有較強(qiáng)的溶解性，那么采用硝酸-硫酸體系需提高溶液中的硝酸含量[13]。譙斌宗等[14]考察了鹽酸、硝酸和硫酸3 種常用無(wú)機(jī)酸對(duì)ICP-AES 測(cè)定元素靈敏度、準(zhǔn)確度和溶液提升量的影響，其研究結(jié)果表明在0%～20%酸度范圍內(nèi)，鹽酸基體對(duì)元素靈敏度、準(zhǔn)確度無(wú)影響；硝酸、硫酸基體隨酸度的增大導(dǎo)致待測(cè)元素靈敏度、準(zhǔn)確度降低；硫酸基體產(chǎn)生的影響要大于硝酸。龍有前等[15]研究表明pH 值大于1.9 時(shí)，Sn2+開(kāi)始水解，pH 值大于0.5 時(shí)，Sn4+開(kāi)始水解，為了防止水解，必須嚴(yán)格控制酸度。陳喜紅等[16]研究表明鹽酸是用于錫溶液測(cè)定、保存的理想介質(zhì)。蔡展帆等[17]采用微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中的錫含量，其研究表明采用硝酸-鹽酸體測(cè)定食品中錫含量，結(jié)果準(zhǔn)確、精密度高。

本文不僅要確保錫含量測(cè)定的準(zhǔn)確性，還要確保9 種礦物質(zhì)元素測(cè)定的準(zhǔn)確性。以柑橘葉（GBW10020）為對(duì)象，采用硝酸和硝酸-鹽酸兩種體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1 加入6 mL 硝酸后，微波消解，冷卻后直接定容；實(shí)驗(yàn)2 加入6 mL 硝酸和1 mL 鹽酸后，微波消解，冷卻后直接定容，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同酸體系下柑橘葉（GBW10020）中9 種礦物質(zhì)元素和錫含量的結(jié)果比較表

由表4知，在硝酸體系和硝酸-鹽酸體系下測(cè)得的9 種礦物質(zhì)元素含量均在標(biāo)示范圍內(nèi)。硝酸-鹽酸體系下測(cè)得的錫含量在標(biāo)示范圍內(nèi)，硝酸體系測(cè)得的錫含量低于標(biāo)準(zhǔn)值。說(shuō)明有部分錫氧化水解，導(dǎo)致測(cè)得值偏低。結(jié)果說(shuō)明硝酸-鹽酸體系適用于9 種礦物質(zhì)元素和錫含量的同時(shí)測(cè)定。硝酸-鹽酸體系中硝酸是用于氧化分解樣品中有機(jī)物，將樣品溶液轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)溶液。鹽酸是用于抑制微波消解過(guò)程中錫離子的氧化水解，錫離子與氯離子形成配合物，就不易發(fā)生氧化反應(yīng)[18]，當(dāng)鹽酸含量達(dá)到一定濃度能夠使錫離子在溶液中穩(wěn)定存在[16]。

2.2 前處理優(yōu)化

2.2.1 硝酸量的優(yōu)化

罐裝奶粉、罐頭肉和罐頭魚(yú)等產(chǎn)品含有油脂、蛋白質(zhì)等難消解有機(jī)物；罐裝番茄、玉米等產(chǎn)品的有機(jī)物含量較少，水分含量多。硝酸的加入量與稱樣量、樣品的水分以及樣品有機(jī)物含量有關(guān)。本研究中罐頭奶粉、罐頭魚(yú)的取樣量為0.3～0.4 g；罐頭番茄、罐頭玉米的取樣量為1.5～2.0 g。各稱取樣品4 份，分別加入5 mL、6 mL、7 mL 和8 mL 的硝酸溶液，觀察消解液的顏色。由表5知，5 mL 硝酸不能完全消解樣品，導(dǎo)致氧化反應(yīng)不充分；當(dāng)硝酸量增加至6 mL以上，消解液無(wú)色澄清，消解反應(yīng)完全?？紤]到試劑成本、消解液酸度等因素，當(dāng)罐頭奶粉、罐頭魚(yú)等含水量少的樣品取樣量為0.3～0.4 g；罐頭番茄、罐頭玉米等含水量多的樣品取樣量為1.5～2.0 g 時(shí)，6 mL 硝酸為最佳使用量。若稱樣量增加，硝酸的使用量也應(yīng)按比例增加。

表5 不同硝酸量下消解效果比較表

2.2.2 鹽酸加入量的優(yōu)化

本研究中罐裝奶粉、午餐肉罐頭和豆豉鯪魚(yú)罐頭等油脂、蛋白質(zhì)含量高的樣品稱取0.3 g；番茄罐頭、玉米罐頭和水果罐頭等有機(jī)物含量較少，水分含量多的樣品稱取2.0 g；加入6 mL 硝酸，在保證樣品完全消解的情況下，考慮優(yōu)化鹽酸的加入量。以試樣所測(cè)10 種元素的儀器響應(yīng)值總和（以下簡(jiǎn)稱T值）的變化為依據(jù)來(lái)確定鹽酸的加入量[19]。以番茄罐頭為研究對(duì)象，依據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，由單因素方差分析得出，3 組數(shù)據(jù)的F值小于臨界值（F=0.257，＜F0.05（2,6）=2.66，P=0.781），說(shuō)明鹽酸加入量的影響因素不顯著。一方面微波消解過(guò)程中，某些油脂含量高的樣品氧化反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致溫度升高，鹽酸有損失；另一方面減少試劑用量，降低空白值并控制酸度，綜合考慮這兩個(gè)方面，本研究鹽酸加入量為1 mL。

表6 鹽酸加入量的比較表（n=3）

2.2.3 排酸氣溫度的優(yōu)化

樣品經(jīng)微波消解后，消解罐內(nèi)產(chǎn)生大量的酸氣，會(huì)影響定容時(shí)無(wú)損失轉(zhuǎn)移。大量酸氣也會(huì)導(dǎo)致酸濃度過(guò)高，而降低待測(cè)元素的靈敏度和準(zhǔn)確度，此外對(duì)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀霧化器有損傷。

本研究采用的微波消解酸體系為6 mL 硝酸和1 mL 鹽酸，定容體積為50 mL；定容后上機(jī)溶液中硝酸濃度小于12%，鹽酸濃度小于2%（考慮到微波消解過(guò)程中損失一部分酸）。譙宗斌等[14]研究表明0%～20%硝酸介質(zhì)對(duì)待測(cè)元素的靈敏度影響較小，0%～20%鹽酸介質(zhì)對(duì)靈敏度影響甚微。綜上，本研究上機(jī)溶液的酸度能滿足要求，不需要加熱趕走部分酸，考慮到酸氣對(duì)定容的影響，因此需要排酸氣。鑒于鹽酸是用于穩(wěn)定溶液中錫離子，濃鹽酸（38%）沸點(diǎn)48 ℃，鹽酸與水形成的最高共沸物為20%鹽酸，其沸點(diǎn)為108.6 ℃[20]，這樣加熱排酸氣溫度不宜超過(guò)108.6 ℃。因此本研究采用水果罐頭為研究對(duì)象，分別采用25 ℃（室溫）排酸氣和不同溫度加熱排酸氣進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，以試樣所測(cè)10 種元素的儀器響應(yīng)值總和變化為依據(jù)，確定排酸氣溫度（以下簡(jiǎn)稱T值）的變化結(jié)果見(jiàn)表7。由單因素方差分析得出，3 組數(shù)據(jù)的F值小于臨界值[F=0.172＜F0.05(2,6)=2.66，P=0.846]，說(shuō)明溫度控制在90 ℃以下排酸氣無(wú)明顯差異。

表7 不同溫度排酸氣對(duì)10 種元素的總T 值影響表（n=3）

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性關(guān)系和檢出限

精密吸取一定量“1.1”項(xiàng)下的9 種混合元素標(biāo)準(zhǔn)溶液和錫標(biāo)準(zhǔn)溶液用體積分?jǐn)?shù)為12%的硝酸和2%鹽酸混合溶液，逐級(jí)稀釋為表8中系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。

表8 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列濃度表

將標(biāo)準(zhǔn)溶液依次分析，以待測(cè)元素對(duì)應(yīng)的分析譜線信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，待測(cè)元素濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表9。測(cè)定空白20 次，算出20 次標(biāo)準(zhǔn)偏差，檢出限為3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差除以曲線斜率；定量限為10 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差除以曲線斜率[21]。

表9 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和定量限表

2.4 精密度

對(duì)市售罐裝奶粉、罐裝豆豉鯪魚(yú)、罐裝腰豆、罐裝八寶粥、罐裝番茄醬和罐裝玉米等共13 種基質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，10 種元素每個(gè)元素進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)。由表10可知，所有樣品3平行的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都＜5%，滿足《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》（GB/T 27404—2008）對(duì)于精密度的要求。

表10 基質(zhì)樣品的測(cè)定結(jié)果表（n=3）

續(xù)表10

2.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證

在相同試驗(yàn)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，所測(cè)元素的測(cè)量值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，說(shuō)明本研究方法可靠，滿足罐裝食品中9 種礦物質(zhì)元素和錫元素的同時(shí)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定結(jié)果表

2.6 加標(biāo)回收率

以罐裝番茄為研究對(duì)象，采用10 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行3 個(gè)不同濃度水平的加標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表12，加標(biāo)回收率在95%～107%，滿足《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》（GB 27404—2008）對(duì)回收率的要求。

表12 番茄罐頭3 水平加標(biāo)回收率與精密度表（n=3）

3 結(jié)論

本研究采用微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定罐裝食品中9 種礦物質(zhì)元素和錫元素。采用6 mL 硝酸-1 mL 鹽酸體系進(jìn)行微波消解，消解完室溫趕酸氣后直接定容，罐裝奶粉、午餐肉罐頭和豆豉鯪魚(yú)罐頭等油脂、蛋白質(zhì)含量高的樣品稱取0.3 g；對(duì)于番茄罐頭、玉米罐頭和水果罐頭等有機(jī)物含量較少，水分含量多的樣品稱取2.0 g；消解液無(wú)色澄清透明，多種基質(zhì)樣品的精密度＜5%，回收率在95%～107%。該方法適用于罐頭食品中礦物質(zhì)元素和錫元素同時(shí)測(cè)定。