VSTT 法測(cè)量粉絲中二氧化硫殘留量方法的建立

王 飛，汪海波，張 悅，何 浩，劉 芳，關(guān)朝亮，李佳琪，呂萍萍

（1. 秦皇島海關(guān)技術(shù)中心，河北 秦皇島 066000；2. 綏芬河海關(guān)綜合技術(shù)中心，黑龍江 綏芬河 157399）

隨著食品安全意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)其關(guān)注度越來越高，特別是用二氧化硫熏蒸、漂白等安全問題，其殘留的二氧化硫及其衍生物，對(duì)呼吸道及人體其他器官都存在毒理作用，對(duì)人體來說是一種全身性的毒物[1-2]。許多國(guó)家對(duì)食品中二氧化硫和亞硫酸鹽規(guī)定了最大使用量和最大殘留限量[3-4]。二氧化硫檢測(cè)方法有許多，比色法[5]、酸堿滴定法[6-7]、離子色譜法[8-9]、色譜法[10-11]、氣相色譜法[12]和質(zhì)譜法[13-14]等。其中，儀器法均具有靈敏度高、專屬性好和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是沒有遵循以顏色變化確定滴定終點(diǎn)的機(jī)理。鑒于粉絲中用二氧化硫漂白的案例時(shí)有報(bào)道，迫切需要研制成本低、方便、快速、沿用顏色變化原理的檢測(cè)方法。

酸堿滴定法測(cè)定二氧化硫應(yīng)用廣泛，滴定終點(diǎn)需要用人眼對(duì)顏色變化進(jìn)行主觀判斷，存在顏色評(píng)價(jià)條件難以統(tǒng)一、對(duì)終點(diǎn)顏色的文字描述難以理解為客觀的顏色、終點(diǎn)顏色無法量值溯源等問題，滴定終點(diǎn)的顏色突變很難分辨細(xì)微的變化，對(duì)檢測(cè)人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)有著較高要求，容易造成誤判?？梢姽夤庾V滴定技術(shù)（Visible Spectral Titration Technology，VSTT） 是近年來新發(fā)明的技術(shù)[15]，采用顏色傳感器接受反應(yīng)過程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變的光譜成分變化，與試劑量同步，建立依據(jù)顏色變化原理的色變曲線，受環(huán)境條件影響小、終點(diǎn)明顯凸出、操作簡(jiǎn)單高效、靈敏度高和可量值溯源，滿足了依據(jù)顏色變化的測(cè)量分析技術(shù)需求[16-18]。目前，尚未見VSTT技術(shù)測(cè)量二氧化硫的公開文獻(xiàn)報(bào)道，用VSTT 方法對(duì)粉絲中的二氧化硫含量進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料

市售地瓜粉絲（樣品1）、馬鈴薯粉絲（樣品2）。

1.2 儀器與試劑

SX-Z-3.3 型光譜滴定儀，秦皇島水熊科技有限公司產(chǎn)品；感量為0.01 mg 電子天平；10 mL 和25 mL滴定管。

3%過氧化氫溶液（臨用時(shí)現(xiàn)配），鹽酸溶液（1+1），甲基紅乙醇溶液指示劑（2.5 g/L） 中。0.01 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照GB/T 601 配制0.1 mol/L 并標(biāo)定，臨用時(shí)，采用無二氧化碳的水稀釋至0.01 mol/L。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理與滴定原理

試樣在氮?dú)猸h(huán)境、酸化、加熱條件下，亞硫酸鹽等物質(zhì)釋放二氧化硫，在過氧化氫吸收液中氧化為硫酸根離子。再以甲基紅為指示劑，根據(jù)滴定終點(diǎn)所消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積量，計(jì)算試樣中二氧化硫的含量。人工感官滴定方法與VSTT 方法的前處理、滴定過程是采用相同的分離和測(cè)量原理，主要區(qū)別是在滴定測(cè)量技術(shù)的差別。

顏色的改變，是基于氫氧化鈉滴定過程中，氫離子濃度變化引起甲基紅結(jié)構(gòu)的改變，致使吸收光譜發(fā)生了改變。透過溶液的可見光不同波段有不同程度的吸收，被人眼睛/傳感器接收后，大腦呈現(xiàn)/復(fù)原呈顏色。滴定終點(diǎn)為顏色突變點(diǎn)。

人工感官滴定方法用人眼觀察顏色變化、手工控制滴定管滴定，受色評(píng)價(jià)條件影響、人的色感覺閾值、語(yǔ)言理解與描述偏差[19]，影響終點(diǎn)的統(tǒng)一，不能過滴定。VSTT 方法是采用同步光譜測(cè)量技術(shù)還原光譜成分呈現(xiàn)的顏色變化，建立與試劑量關(guān)聯(lián)的色變曲線，以曲線上的信號(hào)峰標(biāo)識(shí)滴定終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分析過程中不依賴人感官感覺的數(shù)字化、圖形化、可溯源測(cè)量技術(shù)。

1.3.2 光譜滴定儀條件與滴定方法

光譜滴定儀條件：光譜范圍380～780 nm，△λ 5 nm，測(cè)量周期200 ms，積分時(shí)間150 ms，光程10.0 mm，S快+S慢滴定模式，滴定速率0.167 mL/min，攪拌速度400 r/min，180 mL 靴型反應(yīng)器。將樣品的蒸餾液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器中，補(bǔ)加水至滴定線，滴加甲基紅- 乙醇指示劑，置于光譜滴定儀樣品盤中，選擇滴定曲線參數(shù)，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液自動(dòng)滴定。當(dāng)選定的色變曲線出現(xiàn)峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)的加入試劑的體積為滴定終點(diǎn)值。同時(shí)做空白。

計(jì)算公式（1）[7]：

式中：X——試樣中二氧化硫含量（以SO2計(jì)），mg/kg；

V——試樣溶液消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V0——空白溶液消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

C——?dú)溲趸c標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；0.032——1 mL 濃度為1 mol/L 的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)于二氧化硫的質(zhì)量（g），g/mmol；

m——試樣質(zhì)量，g；

1.3.3 人工感官滴定方法

在承接樣品蒸餾液的錐形瓶中，加入3 滴甲基紅- 乙醇指示劑，將氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液加入至滴定管中手工滴定，目視至溶液變?yōu)辄S色時(shí)，為滴定終點(diǎn)，記錄所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積數(shù)，代入公式（1） 計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲基紅與顏色變化的VSTT 表征

甲基紅（Methyl Red），分子式C15H15N3O2，CAS 號(hào)493-52-7，變色域值為pH 值4.5～6.2（紅→黃）[16]。

甲基紅在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化[17]見圖1。

圖1 甲基紅在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化

VSTT 可以提供許多色變曲線參數(shù)，不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)與不同的滴定終點(diǎn)。樣液滴定后用SJa*-C，SJb*-△E，SJb*-h*，SJa*-b*，SJa*-△E，SJh*-△E，SJa*-h*，SJb*-C參數(shù)建立相應(yīng)的VSTT 色變曲線。與人工滴定結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，選擇結(jié)果有較好吻合性SJb*-C的參數(shù)為測(cè)量用參數(shù)。

VSTT 不同參數(shù)的出峰順序（SJa*-C，SJb*-△E，SJb*-h*，SJa*-b*，SJa*-△E，SJh*-△E，SJa*-h*，SJb*-C） 見圖2。

圖2 VSTT 不同參數(shù)的出峰順序（SJa*-C，SJb*-△E，SJb*-h*，SJa*-b*，SJa*-△E，SJh*-△E，SJa*-h*，SJb*-C）

分別對(duì)人工感官滴定和VSTT 的SJb*-C參數(shù)結(jié)果，運(yùn)用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)分析，驗(yàn)證VSTT 參數(shù)結(jié)果與人工感官滴定結(jié)果是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異。

人工感官滴定和VSTT 結(jié)果t 檢驗(yàn)見表1。

表1 人工感官滴定和VSTT 結(jié)果t 檢驗(yàn)

t 檢驗(yàn)結(jié)果顯示，VSTT 法參數(shù)SJb*-C與人工感官滴定結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均無顯著性差異（p＞0.05）。后期試驗(yàn)選擇該參數(shù)為試驗(yàn)用參數(shù)。

2.2 甲基紅指示劑的空白影響

人工感官滴定法對(duì)于指示劑消耗的堿液量可能由于觀察顏色變化閾值的影響無法準(zhǔn)確測(cè)量。鑒于靈敏的VSTT方法，在水中加入甲基紅指示劑100 μL，用稀釋后的0.001 954 mol/L 氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，21 次重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)格魯布斯檢驗(yàn)無異常值。

空白樣品消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液見表2。

表2 空白樣品消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液

人工滴定時(shí)，使用的是0.01 mol/L 氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，滴定終點(diǎn)消耗的氫氧化鈉為1 滴，相當(dāng)于氫氧化鈉質(zhì)量數(shù)為0.02 mg。由表2 可知，VSTT 慢速滴定模式加入量將滴定過程分為120 步（滴） 左右，比人工滴定低2 個(gè)數(shù)量級(jí)，方便進(jìn)行加入指示劑的空白樣品的精確測(cè)量，消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量數(shù)與人工滴定基本相同，且能夠建立滴定色變曲線，用色變峰標(biāo)識(shí)空白的滴定終點(diǎn)。

2.3 VSTT 法測(cè)定二氧化硫的檢出限與定量限

VSTT 法的突變峰- 結(jié)構(gòu)定律表明，VSTT 的坐標(biāo)曲線參數(shù)的突變峰只與呈色物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，與呈色物質(zhì)的濃度無關(guān)[15]，這是VSTT 技術(shù)區(qū)別于其他測(cè)量技術(shù)的主要特征。VSTT 信號(hào)峰是試劑加入中引起物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)光譜的影響，信號(hào)峰峰高與試劑加入量沒有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。

制作已知含量的基質(zhì)樣液，稀釋不同系列濃度的樣液進(jìn)行測(cè)量，直至出現(xiàn)最小可辨認(rèn)信號(hào)峰的含量。實(shí)際測(cè)量的樣液VSTT 參數(shù)SJb*-C最小含量為0.191 4 mg/kg，信號(hào)值峰高4×106，突變峰與基線分離非常好。

VSTT 參數(shù)SJb*-C的色變曲線見圖3。

圖3 VSTT 參數(shù)SJb*-C 的色變曲線

采用該含量的樣液，測(cè)定重復(fù)37 次平行試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果按公式（2）[18]計(jì)算為樣品中的二氧化硫含量。

樣品中VSTT 法測(cè)量二氧化硫含量的MDL結(jié)果見表3，重復(fù)37 次平行試驗(yàn)的質(zhì)量控制圖見圖4。

表3 樣品中VSTT 法測(cè)量二氧化硫含量的MDL

圖4 重復(fù)37 次平行試驗(yàn)的質(zhì)量控制圖

式中：MDL——方法檢出限；

n——樣品的平行測(cè)定次數(shù)；

t——自由度為n-1，置信度為99%時(shí)的t 分布值（單側(cè)）；

S——n 次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

此次測(cè)定t（10，0.99） 值為2.434，以此計(jì)算本方法的VSTT 檢出限為1.32 mg/kg，確定其定量限為4 mg/kg。其中，SO2質(zhì)量檢出限質(zhì)量為0.020 mg，低于國(guó)標(biāo)GB 5009.34 中的檢出限質(zhì)量0.035 mg。

2.4 精密度

對(duì)人工感官滴定和VSTT 法進(jìn)行了中間精密度檢驗(yàn)。

中間精密度檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 中間精密度檢驗(yàn)結(jié)果

表4 結(jié)果表明，VSTT 法參數(shù)的中間精密度的RSD 為1.62%～2.02%，人工感官滴定的1.79%～3.38%。

2.5 準(zhǔn)確度

按定量限4 mg/kg，進(jìn)行VSTT 方法的定量限的1.0 倍、1.5 倍、2.0 倍的添加水平試驗(yàn)。

準(zhǔn)確度檢驗(yàn)（n=6） 結(jié)果見表5。

表5 準(zhǔn)確度檢驗(yàn)（n=6）

表5 數(shù)據(jù)說明，定量限的1.0 倍，1.5 倍，2.0 倍的添加試驗(yàn)，依次為平均值8.08，10.1，12.1 mg/kg；回收率95.5%～107.9%，98.6%～104.2%，90.7%～108.6%；RSD 為2.10%，1.25%，7.20%，均滿足要求。

2.6 適用范圍

添加低、中、高不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的樣品，進(jìn)行回收率試驗(yàn)。

不同質(zhì)量濃度的樣品回收率試驗(yàn)見表6。

表6 不同濃度的樣品回收率試驗(yàn)

表6 數(shù)據(jù)說明，VSTT 法在添加質(zhì)量濃度范圍為20～100 mg/kg 的回收率為92.7%～109.5%，RSD 為1.8%～4.6%，滿足技術(shù)要求[19]。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，VSTT 技術(shù)應(yīng)用于粉絲中二氧化硫含量的測(cè)定，方法學(xué)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒有差異。明顯的優(yōu)點(diǎn)是，遵循吸收光譜變化確定滴定終點(diǎn)路線，檢出限低、回收率穩(wěn)定，建立色變曲線實(shí)現(xiàn)滴定自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果數(shù)字化、滴定終點(diǎn)圖形化，克服人工感官滴定方法的色評(píng)價(jià)條件影響、避免人色觀察閾值不一致、語(yǔ)言描述理解困難和無法量值溯源的痼疾，可以應(yīng)用于粉絲中二氧化硫含量的測(cè)定。VSTT 技術(shù)處于原創(chuàng)驗(yàn)證階段，目前在絕大多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬空白，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用驗(yàn)證范圍，有望在更廣泛的領(lǐng)域替代人工感官滴定。