高喜鳳，劉艷明，陳曉媛，張喜琦，董瑞，程月紅，崔玉花

（山東省食品藥品檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250101）

硅是人體必需微量元素之一，它能使人體保持柔韌性和彈性，促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)，具有維持動(dòng)脈壁彈性和保護(hù)內(nèi)壁膜的作用，如果人體的硅攝入量不足，會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)遲緩、器官萎縮、骨骼畸形，在膳食中保持一定量的硅元素的攝入，有助于延長(zhǎng)機(jī)體的衰老，延長(zhǎng)壽命。但是如果人體內(nèi)硅元素含量過(guò)高，就會(huì)引發(fā)高硅癥，影響腎臟等器官的正常工作，并且含硅類(lèi)的食品添加劑如二氧化硅、滑石粉的過(guò)量添加將會(huì)對(duì)人體胃腸道細(xì)胞產(chǎn)生一定毒性，長(zhǎng)期過(guò)量食用有一定的致癌性。因而測(cè)定食品及食品添加劑中的硅含量有著重要的意義。硅分為可溶性和不可溶性的，可溶性的硅種類(lèi)較少、含量低且容易檢測(cè)，而不可溶硅多以二氧化硅及硅酸鎂、硅酸鈣等硅酸鹽形式存在。二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等由于它們均具有顆粒細(xì)微、松散多孔、吸附力強(qiáng)、易吸附導(dǎo)致形成分散的水分、油脂等性質(zhì)，因此常做為抗結(jié)劑用于食品中，用來(lái)提高粉狀食品的流動(dòng)性防止其聚集結(jié)塊或改善干燥粉末在液體里的擴(kuò)散性能[1-2]，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2760-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了二氧化硅、滑石粉（其有效成分為硅酸鎂）在允許添加的食品中的最大使用限量[3]，因而檢測(cè)其中的不可溶性硅，可以積累數(shù)據(jù)，為食品監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支持。由于硅性質(zhì)的特殊性，使得二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等性質(zhì)穩(wěn)定，不與一般的酸反應(yīng)，因而不可溶性硅的檢測(cè)成為食品研究的難題。

目前我國(guó)針對(duì)食品及食品添加劑中不可溶性硅的檢測(cè)方法非常少，由于不可溶性硅的有效成分主要是二氧化硅，因而最常見(jiàn)的不可溶性硅的研究多為二氧化硅，劉君子[4]、盧華衛(wèi)等[5]均采用了離子色譜法，由于此方法前處理操作步驟繁瑣，檢驗(yàn)成本較高，不適用于大批量食品的檢測(cè)。其他現(xiàn)有的檢測(cè)方法大多是測(cè)定礦石中的二氧化硅，多采用灼燒法、分光光度法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等測(cè)定[6-14]，但是前兩種方法操作繁瑣、分析周期長(zhǎng)、容易受樣品基體的干擾，準(zhǔn)確度低，不適用于低含量硅的測(cè)定。而電感耦合等離子體發(fā)射光譜法分析速度快，時(shí)間分布穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，線性范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸取代前兩種方法，成為二氧化硅的主要檢測(cè)方法。但是由于食品及食品添加劑與礦石的基體差別很大，基體復(fù)雜干擾因素多，因此電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定礦石的方法不適用于食品及食品添加劑的測(cè)定。

因此尋找一種準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便的測(cè)定方式是非常有必要的?；谝陨犀F(xiàn)狀本研究開(kāi)發(fā)了一種測(cè)定食品及食品添加劑中不可溶性硅的新方法，解決了不可溶性硅難消化處理的難題，為食品監(jiān)管提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

Optima 8000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：美國(guó)PerkinElmer 公司；Mars 6 微波消解儀：美國(guó)CEM 公司；AdvantageA10 超純水機(jī)：美國(guó)密理博公司；硝酸、鹽酸、氫氟酸、30%的過(guò)氧化氫、氫氧化鉀（均為優(yōu)級(jí)純）：上海國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)；氫氟酸、氫氧化鉀：天津科密歐公司；中國(guó)計(jì)量科學(xué)院的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液1 000 μg/mL。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

稱(chēng)取0.5 g 左右樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過(guò)氧化氫進(jìn)行微波消解，設(shè)定微波消解程序，見(jiàn)表1，消解完畢后將罐內(nèi)液體和固體殘?jiān)耆D(zhuǎn)移到定量濾紙上，過(guò)濾，水洗。將濾紙及殘?jiān)湃刖鬯姆蚁┫夤拗?，加? mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL氫氟酸微波消解，設(shè)定微波消解程序見(jiàn)表2，消解完畢后，向溶液中加0.1 g 氫氧化鉀反應(yīng)完畢后將待測(cè)溶液轉(zhuǎn)移定容至50 mL 塑料容量瓶中。

表1 微波消解程序1Table 1 Microwave digestion procedure 1

表2 微波消解程序2Table 2 Microwave digestion procedure 2

1.2.2 儀器工作條件

儀器工作參數(shù)為功率：1 500 W，等離子體流量：10 L/min，霧化器流量：0.55 L/min，輔助氣流量：0.2 L/min，進(jìn)樣延遲：45 s（如選用自動(dòng)進(jìn)樣模式延遲改為60 s），選取251.611 nm 做為分析譜線進(jìn)行測(cè)試。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線

用5%的硝酸、2%鹽酸、1%氫氟酸（體積分?jǐn)?shù)）溶液逐級(jí)稀釋硅的標(biāo)準(zhǔn)溶液1 000 μg/mL，配制成濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、10.0 μg/mL 的一系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。R2=0.999 645，表明在 0.1 μg/mL～10.0 μg/mL范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 消解溫度的選擇

試驗(yàn)選取了一種食品添加劑滑石粉，考察了從25 ℃到200 ℃的消解溫度，對(duì)硅回收率的影響如圖2所示。

圖2 不同消解溫度對(duì)不可溶性硅測(cè)定的影響Fig.2 Effects of different digestion temperatures on the determination of insoluble silicon

從圖2中可以看出消解溫度較低的情況下，樣品消解不完全，回收率低，當(dāng)消解溫度達(dá)80 ℃以上時(shí)，回收率達(dá)到較為理想的要求，但是實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中需要消解濾紙，消解溫度達(dá)150 ℃以上，濾紙及過(guò)濾后的殘?jiān)拍芟鈴氐淄耆?，溶液呈現(xiàn)無(wú)色透明狀，但是消解溫度過(guò)高對(duì)微波消解儀及罐體損害較大，且硅可能會(huì)有損失，所以最終確定消解溫度為150 ℃。

2.2 前處理方式的選擇

2.2.1 分步消解體系的選擇

2.2.1.1 基底效應(yīng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)各隨機(jī)選取了掛面、小麥粉、嬰幼兒米粉、奶粉、復(fù)配食品添加劑各6個(gè)分別稱(chēng)取0.5 g 左右于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過(guò)氧化氫按照表1中設(shè)定的程序進(jìn)行微波消解，消解完畢后用超純水定容至50 mL 塑料容量瓶中待用，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上機(jī)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)試樣中硅的含量掛面為30.01 mg/kg～43.43 mg/kg，小麥粉為11.65 mg/kg～32.46 mg/kg，嬰幼兒米粉為7.418 mg/kg～14.17 mg/kg，奶粉為7.879 mg/kg～20.63 mg/kg，復(fù)配添加劑為9.665 mg/kg～51.28 mg/kg。由此可見(jiàn)食品及食品添加劑中含有由此可見(jiàn)食品及食品添加劑中含有可溶性硅元素，因而需要分步前處理去除，進(jìn)而進(jìn)行食品及食品添加劑中不可溶性硅的測(cè)定。

2.2.1.2 酸體系的選擇

在微波消解的高溫高壓條件下，硝酸、過(guò)氧化氫能夠氧化分解樣品中的有機(jī)物，將不可溶性硅與其他可溶性的硅分離開(kāi)來(lái)，硝酸-鹽酸-氫氟酸的酸體系中，氫氟酸溶解不可溶性硅，硝酸用于氧化分解濾紙等物質(zhì)，而鹽酸的存在可以加速反應(yīng)的進(jìn)行。消解完畢后在消解液中加入氫氧化鉀用于中和一部分酸，降低酸度對(duì)儀器的損害。

2.2.2 消解方式的選擇

由于文獻(xiàn)報(bào)道的不可溶性硅的前處理方法多為堿融的方法，本研究以不可溶性二氧化硅為例選取0.5 g 含有二氧化硅試樣在進(jìn)行第一步硝酸-過(guò)氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后分別進(jìn)行堿融后加酸微波消解和直接加酸微波消解的方式進(jìn)行前處理比對(duì)，堿融的具體操作步驟為過(guò)濾后濾渣加入0.1 g 氫氧化鉀，鎳坩堝 200 ℃熔融 20 min，用 8 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸洗滌轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯消解罐中，按照表2的微波消解程序進(jìn)行微波消解，消解完畢后轉(zhuǎn)移定容至50 mL 塑料容量瓶。發(fā)現(xiàn)堿融的回收率為88.4%～95.7%，滿足GB/T 27404-2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范食品理化檢測(cè)》對(duì)于加標(biāo)回收的要求[15]，可做為不可溶性硅的檢測(cè)方法，但由于堿融方法操作較為復(fù)雜繁瑣，容易損失，不適用于大批量樣品的測(cè)定，因此本試驗(yàn)選取直接加酸微波消解的方式做為不可溶性硅的測(cè)定方法，堿融方法可以做為食品及食品添加劑中不可溶性硅測(cè)定的比對(duì)方法。

2.2.3 酸使用量的優(yōu)化

本酸體系中，氫氟酸做為反應(yīng)物，鹽酸、硝酸做為溶劑消化分解樣品中的有機(jī)物及雜質(zhì)同時(shí)加速反應(yīng)的進(jìn)行，根據(jù)微波消解罐的容量及盡可能降低酸度對(duì)儀器損害的要求，酸的總量控制在15 mL 以?xún)?nèi)，以稱(chēng)樣量0.5 g，樣品中不可溶性硅（以硅計(jì)）含量在1 000 mg/kg左右為例，本試驗(yàn)考察氫氟酸使用量對(duì)硅測(cè)定的影響，如圖3所示。

圖3 氫氟酸的加入量對(duì)不可溶性硅測(cè)定的影響Fig.3 Effects of the addition of Hydrofluoric acid on the determination of insoluble silicon

從圖3中可以看出氫氟酸在2 mL 以上不可溶性硅已經(jīng)能夠完全反應(yīng)，考慮實(shí)際有些樣品中不可溶性硅的含量可能更高些，故選取氫氟酸3 mL，此時(shí)硝酸與鹽酸的量能把濾紙及殘?jiān)簟?/p>

2.2.4 溶解二氧化硅能力的試驗(yàn)

由于不可溶性硅的有效成分主要為二氧化硅，本試驗(yàn)以二氧化硅為例，考察本文所采用的方法溶解二氧化硅的能力。稱(chēng)取0.5 g 奶粉，添加不同質(zhì)量的二氧化硅用硝酸-過(guò)氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后，加入7 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸微波消解，其回收率見(jiàn)圖4，可以認(rèn)為該酸體系能完全溶解二氧化硅質(zhì)量的上限為60 mg。以稱(chēng)取0.500 0 g 干樣品計(jì)，可測(cè)定干樣二氧化硅含量的上限為120 g/kg，以稱(chēng)取2.000 g 濕樣品計(jì)，可測(cè)定二氧化硅的含量上限為30 g/kg。若二氧化硅含量超過(guò)測(cè)定上限，則需要減少稱(chēng)樣量重新消解樣品再測(cè)定。

圖4 溶解二氧化硅能力的試驗(yàn)Fig.4 Testing on dissolution of silicon dioxide

2.3 分析線的選擇

在電感耦合等離子體發(fā)射光譜法分析中，分析譜線的選擇對(duì)于樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密性有著重要的影響[16-18]，本試驗(yàn)選擇3 條硅元素較靈敏譜線，其波長(zhǎng)分別為 212.412、251.611、288.158 nm，以 4.0 μg/mL的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試液，在儀器最佳條件下，觀察各譜線的干擾和背景影響情況，選擇其中峰形窄、干擾少、背景值低、信噪比高的譜線251.611 nm 做為分析譜線進(jìn)行測(cè)試。

2.4 方法檢出限

在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，對(duì)方法的檢出限（method detection limit，MDL）進(jìn)行了測(cè)定，即空白樣品進(jìn)行 12 次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3 倍所對(duì)應(yīng)的濃度，結(jié)果表明以硅元素計(jì)的檢出限為0.24 mg/kg。

2.5 加標(biāo)回收及精密度試驗(yàn)

選取兩種不同食品試樣及滑石粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析及添加不同水平的二氧化硅進(jìn)行加標(biāo)回收測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。結(jié)果表明乳粉的加標(biāo)回收率為91.0%～102.9%，稻米的加標(biāo)回收率為93.8%～106.2%，滑石粉的加標(biāo)回收率為92.7%～105.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（relative standard deviation，RSD）為 4.76%，相對(duì)偏差為-1.89%，均滿足GB/T 27404-2008 對(duì)于加標(biāo)回收的要求，由此可見(jiàn)此方法測(cè)定二氧化硅的精密度好、準(zhǔn)確性高，即本方法測(cè)定食品及食品添加劑中不可溶性硅精密度好、準(zhǔn)確性高。

表3 不同水平的加標(biāo)回收測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of different spiked recoveries

表4 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 The experimental data of precision and accuracy

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)的食品及食品添加劑進(jìn)行了不可溶性硅檢測(cè)方法的研究，建立微波消解體系下的電感耦合等離子體發(fā)射光譜法檢測(cè)方法。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定不可溶性硅硅具有分析用時(shí)短、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，采用微波消解的方法進(jìn)行前處理，微波能穿透聚四氟乙烯消解罐對(duì)樣品進(jìn)行加熱，密閉的消解罐中，壓力大、消解速度快、消解效果好，回收率高，不同酸體系消解能夠扣除可溶性硅本底的影響，從而使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，消解后溶液加入氫氧化鉀能夠中和部分酸，減少大量酸對(duì)儀器的損害。此方法適用于食品以及食品添加劑中不可溶性硅的測(cè)定，從而為食品及食品添加劑的市場(chǎng)監(jiān)督與監(jiān)管提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。