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        雙位加熱消解-原子吸收光譜法測(cè)定食品中多種元素的含量

        2016-11-14 11:20:01鄧愛(ài)妮
        食品科學(xué) 2016年8期
        關(guān)鍵詞:食品溶液溫度

        趙 敏,周 聰,鄧愛(ài)妮,范 瓊

        (中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測(cè)試中心,海南省熱帶果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ???571101)

        雙位加熱消解-原子吸收光譜法測(cè)定食品中多種元素的含量

        趙 敏,周 聰*,鄧愛(ài)妮,范 瓊

        (中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測(cè)試中心,海南省熱帶果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ???571101)

        采用雙位加熱消解儀消解食品量品,用原子吸收光譜法測(cè)定量品中的銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘元素含量并進(jìn)行了空白值、消解溫度、消解時(shí)間、硝酸回收率以及方法可靠性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:用此法消解量品具有實(shí)驗(yàn)的空白值低、精確度高、消解和除酸時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和分析效率,同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可回收大于70%的硝酸,減少了酸性揮發(fā)物質(zhì)對(duì)大氣環(huán)境的污染。

        雙位加熱消解法;原子吸收光譜;食品;元素

        趙敏, 周聰, 鄧愛(ài)妮, 等. 雙位加熱消解-原子吸收光譜法測(cè)定食品中多種元素的含量[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(8): 147-151.

        ZHAO Min, ZHOU Cong, DENG Aini, et al. Determination of multiple elements in food by double-control heating and digestion-atomic absorption spectrometry[J]. Food Science, 2016, 37(8): 147-151. (in Chinese with English abstract)

        元素分析是食品分析的重要部分,用于元素分析的方法主要有原子吸收光譜法[1-9]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[10-15]、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法[16-17]、原子熒光法[18-20]等,不論什么方法均需要對(duì)量品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前處理,需將量品消化分解成為含有少許酸量的待測(cè)溶液,方可進(jìn)行下一步的儀器測(cè)定。目前實(shí)驗(yàn)室普遍采用的量品前處理方法有馬弗爐干灰化法、電熱板濕消解法和微波消解法3 種[21-23],前者由于能耗高且量品轉(zhuǎn)移麻煩,已很少被采用,后兩者則應(yīng)用較多。盡管如此,電熱板濕消解法和微波消解法在實(shí)際應(yīng)用中被證明仍然存在較多的缺點(diǎn)和不足,主要體現(xiàn)在幾方面:1)電熱板濕消解法所使用的消解容器多為小燒杯,由于小燒杯的高度較矮,有時(shí)量品反應(yīng)劇烈時(shí)會(huì)濺失,因此通常加蓋表面皿進(jìn)行消解,但加蓋表面皿會(huì)帶來(lái)了除酸困難的問(wèn)題,形成了消化量品時(shí)蓋表面皿和除酸時(shí)揭蓋的常規(guī)操作方法,然而,揭蓋除酸使量品溶液暴露在環(huán)境空氣當(dāng)中,容易被空氣中的粉塵所污染,大大影響分析結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度。2)微波消解法使用聚四氟乙烯長(zhǎng)管消解,雖然可以避免量品溶液的濺失,但由于在多孔鋁錠加熱裝置上完成,消解管插入孔洞中無(wú)法觀察到量品反應(yīng)的狀況,量品溶液蒸干的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,大大影響了分析結(jié)果的可靠性。3)兩種消解方法消解量品過(guò)程中均產(chǎn)生和排放大量的有害氣體,污染環(huán)境空氣。

        雙位加熱消解儀簡(jiǎn)稱雙位消解儀,是近年來(lái)在市場(chǎng)上興起的新型量品消解設(shè)備,文獻(xiàn)[24-25]報(bào)道,其工作原理是:在電熱板的上部設(shè)置一個(gè)具有多孔(消解管孔)加熱框架結(jié)構(gòu)(即上層發(fā)熱板)。當(dāng)開始消解量品時(shí),只是打開底層電熱板工作,此時(shí)消解管的上、下部位受熱不勻(即底部溫度高,上部溫度低),在溫差的作用下,硝酸蒸汽在消解管壁上冷凝回流,很難蒸發(fā),量品得以充分消解,耗酸量較少;當(dāng)量品消解完全后,打開上層發(fā)熱板,此時(shí)上下層發(fā)熱板同時(shí)加熱,消解管的上、下部位受熱均勻,消除了消解管上的溫差,硝酸蒸汽不再冷凝回流而蒸發(fā),完成了快速除酸,提高了工作效率;同時(shí)硝酸蒸汽在冷凝室內(nèi)被冷凝回收,大大減少了有害氣體排放量。

        目前很少見(jiàn)到有關(guān)雙位加熱消解儀應(yīng)用方面的文獻(xiàn)報(bào)道,食品的種類繁多,組成差異較大(有高糖、高蛋白和高脂肪食品等),不同食品量品的消解難易程度不同,為此開展了雙位加熱消解法在食品元素分析中的應(yīng)用研究,旨在建立一項(xiàng)穩(wěn)定、直觀、環(huán)保的食品量品消解方法。

        1 材料與方法

        1.1量品采集和制備

        在市場(chǎng)上隨機(jī)抽取芒果、豇豆、豬瘦肉、茶葉和大米等量品。將鮮量打成勻漿,干量制成粉末,裝入旋蓋聚乙烯塑料瓶中,制成實(shí)驗(yàn)量品冷藏備用。

        1.2試劑與儀器

        所用試劑均為優(yōu)級(jí)純;基改劑:配制質(zhì)量濃度為25 g/100 mL的磷酸二氫銨溶液。

        M6原子吸收光譜儀 美國(guó)熱電公司;AE200電子分析天平 瑞士梅特勒-托利多公司;DR32-Ⅰ型雙位消解儀(專利號(hào):ZL201320192003.0)、高效環(huán)保的量品消解管及其專用塞、蓋(專利號(hào):ZL201420297633.9)海南鼎人科技有限公司。

        1.3方法

        1.3.1量品消解

        稱?。ň_0.000 1 g)一定量的食品量品于雙位消解儀的專用消解管中,加入5 mL硝酸,并將消解管插入到消解儀的孔位上。打開消解儀下層加熱開關(guān),設(shè)置加熱溫度為150~200 ℃之間,進(jìn)行量品消解;待量品消解完全(溶液清亮)后打開消解儀上層加熱開關(guān),設(shè)置加熱溫度為100~200 ℃之間,進(jìn)行除酸處理,直至剩下少許的黃色透明量品溶液為止。冷卻后,轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中,定容。同時(shí)做量品空白實(shí)驗(yàn)。

        1.3.2儀器測(cè)定

        根據(jù)量品溶液中待測(cè)元素質(zhì)量用火焰原子吸收法或石墨爐原子吸收法測(cè)定銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘元素。其中用石墨爐原子吸收測(cè)定鉛、鉻、鎘元素時(shí)加入磷酸二氫銨作為基體改進(jìn)劑,按照儀器操作規(guī)程分別測(cè)定各待測(cè)元素的含量。

        1.3.3空白值實(shí)驗(yàn)

        空白值可以反映量品溶液被污染的程度,進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)消解方法的科學(xué)性和可靠性,是檢測(cè)質(zhì)量控制的重要技術(shù)指標(biāo)之一。食品量品中銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘的含量較低,消解過(guò)程容易被污染,是元素分析較為典型的代表,因此進(jìn)行此幾種元素的空白值實(shí)驗(yàn)。

        1.3.4開展消解溫度和時(shí)間的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

        在量品消解過(guò)程中,消解溫度和時(shí)間是影響量品消解效果的重要因素,不同量品消解方法所設(shè)定的消解溫度和時(shí)間不同,為此進(jìn)行消解溫度和時(shí)間的優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以確定最佳的實(shí)驗(yàn)方案。

        1.3.5方法可靠性分析實(shí)驗(yàn)

        電熱板濕消解法作為成熟的經(jīng)典方法在元素分析中被廣泛采用,本研究以其作為對(duì)照進(jìn)行方法的比對(duì)實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)方法的可靠性。同時(shí),用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行多次重復(fù)消解實(shí)驗(yàn),測(cè)定其多種元素的含量,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)值和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,檢驗(yàn)本方法的精密度和準(zhǔn)確度。

        1.3.6消解酸的回收率實(shí)驗(yàn)

        雙位消解儀上配套的消解管為專利設(shè)計(jì),尤其是專用的塞蓋,具有回收消解酸的功能,其原理是在上、下層加熱系統(tǒng)同時(shí)加熱下,消解管通體均勻受熱,消解酸被蒸發(fā)進(jìn)入到消解管塞、蓋的緩沖室內(nèi),緩沖室與消解管之間的溫差作用將蒸發(fā)冷凝的酸液收集并回收。其中消解酸回收率的大小可能與除酸的溫度有關(guān),因此開展酸回收率實(shí)驗(yàn),以探尋在確保量品消解完全的條件下,最大限度回收實(shí)驗(yàn)用酸,建立環(huán)??茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。

        1.3.7測(cè)試幾種食品量品

        處理好的量品測(cè)定銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘元素含量,同時(shí)做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1空白值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        取32 支雙位消解儀專用玻璃消解管,分別加入5 mL硝酸,按1.3.1節(jié)量品消解方法制成待測(cè)的空白溶液,再用石墨爐原子吸收光譜儀分別測(cè)定空白溶液中的銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘元素的含量。表1表明:所測(cè)定的各元素實(shí)驗(yàn)空白值較低,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%。

        表1 銅、錳、鋅、鐵、鉛、鉻、鎘空白值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Contents of Cu, Mn, Zn, Fe, Pb, Cd, and Cr in blank samples determined by atomic absorption spectrometer after double-control heating and digestion

        2.2消解溫度、時(shí)間及耗酸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        表2 不同消解溫度條件下的消解時(shí)間及耗酸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results obtained for digestion times and acid consumption at different digestion temperatures as well as deacidification times

        消解溫度和時(shí)間是決定量品消解效果和提高工作效率的關(guān)鍵因素之一。首先只打開底層加熱系統(tǒng),上層加熱系統(tǒng)不工作,分別設(shè)定消解溫度(下層加熱)為150、160、170、180、190、200 ℃ 6組實(shí)驗(yàn)。待儀器加熱達(dá)到恒溫狀態(tài)時(shí),取一份大米粉量品,每組實(shí)驗(yàn)設(shè)3 次重復(fù),分別稱取1.000 0g的量品,將消解管插入消解儀的孔位上,各加入5.00 mL硝酸,從量品消解開始計(jì)時(shí)到量品消解完全為止(棕色煙消失且溶液清亮),記錄消解時(shí)間和用吸管量取測(cè)量酸液量。待每組消解實(shí)驗(yàn)完成后,固定設(shè)定消解溫度(下層加熱)為180 ℃,接著打開上層加熱系統(tǒng)至恒溫狀態(tài),再分別設(shè)定除酸溫度(上層加熱)為100、120、140、160、180、200 ℃ 6組實(shí)驗(yàn)。以除酸后所剩少量溶液(約0.5 mL)且清亮(沒(méi)有棕黑色碳化)為消解完全為標(biāo)志(不達(dá)標(biāo)時(shí)則重新稱量量品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)),測(cè)量各組實(shí)驗(yàn)除酸所消耗的時(shí)間,求得每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。表2表明:隨著消解溫度的升高,消解時(shí)間和除酸時(shí)間越短,但在消解階段(上層不加熱,不同溫度的酸損耗差別較小。在確保量品消解完全的前提下,從節(jié)省能源和提高工作效率出發(fā),確定本實(shí)驗(yàn)最佳的除酸溫度(上層加熱)/消解溫度(下層加熱)為140 ℃/180 ℃。

        2.3方法可靠性分析

        2.3.1方法比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        選擇量品均勻度較高的大米粉量品為測(cè)試量,以電熱板濕消解法作為對(duì)照,與本方法同時(shí)進(jìn)行量品消解,每組進(jìn)行12 次重復(fù),用同一臺(tái)原子吸收光譜儀分別測(cè)定待測(cè)溶液中銅、錳、鋅、鐵、鉛、鎘、鉻含量,求得平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。表3表明:本方法和對(duì)照方法相比,測(cè)定值相當(dāng),但結(jié)果的精確度明顯優(yōu)于對(duì)照(本法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%)。

        表3 兩種方法的比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=12)Table 3 Comparison of analytical results obtained using the proposed method and hotplate west digestion (n= 12)

        2.3.2方法的準(zhǔn)確度和精密度測(cè)定結(jié)果

        表4 方法的準(zhǔn)確度和精密度Table 4 Accuracy and precision of the proposed method

        設(shè)定儀器的除酸溫度(上層加熱)/消解溫度(下層加熱)為:140 ℃/180 ℃,按1.3.1節(jié)量品消解方法消解國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量品(GBW 10014圓白菜),設(shè)12 次重復(fù)實(shí)驗(yàn),用原子吸收光譜儀分別測(cè)定待測(cè)溶液中銅、錳、鋅、鐵、鉛、鎘、鉻元素的質(zhì)量,求得量品中各個(gè)元素的含量,統(tǒng)計(jì)并對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)值。表4表明:所測(cè)元素含量值均落在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%,結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度符合分析要求。

        2.4消解酸回收率

        將消解溫度(下層加熱)固定設(shè)定為150 ℃。分別設(shè)定100、120、140、160、180、200 ℃的除酸溫度,以大米粉做實(shí)驗(yàn),分別進(jìn)行6 組實(shí)驗(yàn)條件的量品消解實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)設(shè)3 次重復(fù),每個(gè)重復(fù)均稱量量品0.250 0 g,各加入5.00 mL的硝酸,按1.3.1節(jié)量品消解方法消解量品。待量品除酸完成后,倒取并測(cè)量消解管塞中冷凝收集的酸液,與加入的消解酸總量(5.00 mL)相除便得到了各個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的消解酸回收率。圖1表明:消解酸的回收率隨著除酸溫度的升高而降低,總體回收率在71%~87%之間。

        圖1 溫度對(duì)消解酸回收率的影響Fig.1 Influence of deacidification temperature on the recovery rate of volatile acid

        2.5食品量品的測(cè)定結(jié)果

        取處理好的量品,每份量品均設(shè)6 個(gè)稱量一致(芒果量品2.000 0 g,豇豆、豬瘦肉、茶葉量稱1.000 0 g)的重復(fù),在其中的3 個(gè)重復(fù)中加入一定量的待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)溶液,按1.3.1節(jié)量品消解方法消解量品,定容至25 mL,用石墨爐原子吸收分別測(cè)定待測(cè)溶液中銅、錳、鋅、鐵、鉛、鎘、鉻的含量,求得量品中鉛、鎘、鉻的含量、加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。表5表明:測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)回收率為(100±5)%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6.0%,結(jié)果令人滿意。

        表5 幾種食品樣品的測(cè)定結(jié)果Table 5 Analytical results for the determination of metal elements in several food samples

        續(xù)表5

        3 討 論

        眾所周知,防止量品污染、提高分析效率以及保護(hù)環(huán)境等是光譜分析量品前處理需要面對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。雙位消解管的塞蓋上設(shè)計(jì)有緩沖室,避免了量品溶液與環(huán)境空氣的直接接觸,實(shí)現(xiàn)全程封閉式的消解,減少了環(huán)境污染物對(duì)量品溶液的污染,因此所測(cè)空白值結(jié)果技術(shù)指標(biāo)較為理想,獲得較高的實(shí)驗(yàn)精密度。

        溫度是量品消解的最重要條件。盡管本研究以大米粉為實(shí)驗(yàn)量品實(shí)驗(yàn)確定了最佳除酸溫度(上層加熱)/消解溫度(下層加熱)為140 ℃/180 ℃,但食品量品種類繁多,不同種量品的組成成分差異較大,如高脂肪類、高蛋白類、高纖維類量品等,消解條件不能千篇一律,對(duì)各類食品量品需要進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以確定最佳的溫度條件,提高消解質(zhì)量和工作效率。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,消解溫度和除酸溫度越高,消解速度越快,工作效率更高。本研究采用量品消解和除酸分步進(jìn)行的消解模式,獲得了良好的量品消解效果,但實(shí)際工作中也可以采用量品消解和除酸同步進(jìn)行的消解模式,如果采用此種工作模式,則需要將消解溫度和除酸溫度進(jìn)行反向設(shè)置(即低溫消解時(shí)設(shè)置高的除酸溫度,高溫消解時(shí)設(shè)置低的除酸溫度),同時(shí)進(jìn)行溫度條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn),確定最佳條件,以避免量品反應(yīng)劇烈損失和確保量品消解完全。

        量品消解過(guò)程的酸用量也是實(shí)驗(yàn)分析的重要指標(biāo),減少酸的用量,有助于降低酸對(duì)實(shí)驗(yàn)空白值的影響,提高分析結(jié)果的精確度。在量品消解階段,消解酸消耗較小,分析原因是消解階段只打開底層加熱系統(tǒng),上層加熱系統(tǒng)不工作,消解管只在底部受熱,形成上下溫差,揮發(fā)酸在溫差的作用下反復(fù)冷凝回流,可以最大程度減少硝酸的用量,降低實(shí)驗(yàn)空白值。

        此外,長(zhǎng)期以來(lái),量品消解過(guò)程中由酸分解產(chǎn)生的大量有害氣體物質(zhì)任由排放,嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本研究方法在不同的溫度條件下可回收71%~87%的消解酸,大大減少了有害氣體物質(zhì)的排放量,降低環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

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        Determination of Multiple Elements in Food by Double-Control Heating and Digestion-Atomic Absorption Spectrometry

        ZHAO Min, ZHOU Cong*, DENG Aini, FAN Qiong
        (Analysis and Testing Center, Hainan Provincial Key Laboratory of Quality and Safety for Tropical Fruits and Vegetables,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China)

        After digestion of food samples with a double-control heating and digestion instrument, an atomic absorption spectrometer was used to measure the concentrations of various metal elements in the solution, including Cu, Mn, Zn, Fe,Pb, Cd, and Cr. To verify the scientificalness and reliability of the digestion procedure, analyses were performed on blank samples. Digestion temperature and time were optimized. Nitric acid recovery and the reliability of the proposed method were investigated. The results showed that this digestion method had the advantages of low baseline value, high accuracy and short time of digestion and deacidification, greatly improving the accuracy of analytical results and analysis efficiency. At the same time, more than 70% of nitric acid could be recovered during the analytical process, reducing air pollution.

        double-control heating and digestion; atomic absorption spectrometer; food; element

        10.7506/spkx1002-6630-201608026

        TS207.3

        A

        1002-6630(2016)08-0147-05

        10.7506/spkx1002-6630-201608026. http://www.spkx.net.cn

        10.7506/spkx1002-6630-201608026. http://www.spkx.net.cn

        2015-05-11

        海南省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(ZDXM2014135);海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(314096);中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1630042014005)

        趙敏(1982—),女,助理研究員,碩士,研究方向?yàn)閮x器分析與食品質(zhì)量安全。E-mail:zmhb313@163.com

        周聰(1965—),男,研究員,學(xué)士,研究方向?yàn)閮x器分析與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。E-mail:zhouc888@163.com

        引文格式:

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