劉宏偉,符 靚,陳 林

1. 湖南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 衡陽 421002 2. 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045 3. 湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所,湖南 長沙 410013

引 言

棕櫚油是從熱帶木本植物棕櫚樹果實(shí)果肉中壓榨提取的植物油,是全球產(chǎn)量、消費(fèi)量和貿(mào)易量最大的植物油品種[1]。作為“世界三大植物油”之首,棕櫚油中飽和脂肪酸含量僅次于椰子油,富含類胡蘿卜素、維生素E、輔酶和固醇,具有常溫可塑性好、易分餾且價(jià)格低廉等特性,由于易被人體消化吸收,約占世界產(chǎn)量90%的棕櫚油用于食品行業(yè)[2]。評價(jià)棕櫚油的總體質(zhì)量通常根據(jù)其有機(jī)成分來決定,其所含無機(jī)元素雖然是次要成分,但會影響棕櫚油的品質(zhì)和食用安全性,尤其是所含重金屬元素通過食物鏈在人體內(nèi)的累積特性以及生物放大效應(yīng),具有毒性和致癌作用[3]。我國是棕櫚油進(jìn)口大國,發(fā)展可靠和準(zhǔn)確的分析方法來評價(jià)棕櫚油中重金屬的安全性具有十分重要的意義。

食用植物油中元素分析的前處理方法有基質(zhì)消化法、乳化法和溶劑稀釋法[4-6]?；|(zhì)消化法包括干法灰化和濕法消解法,是油基介質(zhì)最常用前處理方法,但基質(zhì)消化法需消耗大量化學(xué)試劑,耗時(shí)且消化條件苛刻,樣品高倍稀釋對分析方法的檢測限提出了更高的要求;乳化法通過加入表面活性劑形成乳狀液或微乳液,增大了相間接觸面積,但乳化法需消耗大量表面活性劑,乳化體系長時(shí)間的穩(wěn)定性差,仍需解決少量有機(jī)基質(zhì)存在引起的干擾;溶劑稀釋法通過加入適當(dāng)有機(jī)溶劑稀釋樣品直接分析,縮短了樣品前處理時(shí)間,降低了樣品污染和揮發(fā)性分析元素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn),但大量有機(jī)基質(zhì)引入所形成的干擾復(fù)雜,分析信號穩(wěn)定性差,樣品溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液的一致性很難得到保證。破乳誘導(dǎo)萃取法將表面活性劑與油基介質(zhì)充分混合形成油包水乳狀液,經(jīng)加熱或離心破乳后利用酸性溶液將油相中分析元素轉(zhuǎn)移至水相,從而實(shí)現(xiàn)分析元素與有機(jī)基質(zhì)的分離[7]。破乳誘導(dǎo)萃取集分離與富集于一體,為油基介質(zhì)中的元素分析提供了簡單快速的前處理技術(shù)。

基于原子光譜的分析技術(shù),包括原子熒光光譜(AFS)、原子吸收光譜(AAS)、電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP-OES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法已廣泛應(yīng)用于食用植物油的元素分析[2,8-10]。其中,AFS、ICP-OES和ICP-MS需持續(xù)使用高純氬氣,分析成本高;AAS采用可燃和氧化性氣體為氣源,安全風(fēng)險(xiǎn)大。微波等離子體原子發(fā)射光譜(MP-AES)采用微波磁致激發(fā)等離子體技術(shù),使用氮?dú)鉃槲⒉ǖ入x子體(MP)氣源,運(yùn)行成本低且安全性高,已得到廣泛應(yīng)用,但用于棕櫚油中重金屬元素的測定面臨著挑戰(zhàn):MP-AES的基質(zhì)耐受力差,有機(jī)基質(zhì)的影響更為明顯;棕櫚油中重金屬元素的含量低,而MP-AES偏高的檢測限難以滿足分析要求;難電離元素在MP中的電離度差,尤其是高基質(zhì)樣品中信號抑制更嚴(yán)重,導(dǎo)致這些元素的分析靈敏度低。本文采用破乳誘導(dǎo)萃取對棕櫚油樣品進(jìn)行前處理,利用MP-AES測定棕櫚油中的重金屬元素As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr,旨在對棕櫚油中重金屬元素的準(zhǔn)確測定提供低成本高通量分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及參數(shù)

4200型微波等離子體原子發(fā)射光譜儀,美國Agilent公司;KQ-AS1000GDE型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;8800型電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜,美國Agilent公司;Milli-Q超純水儀,美國Millipore公司。

MP-AES工作參數(shù):噴霧室,多模式進(jìn)樣系統(tǒng)(MSIS);霧化氣流速,As 0.45 L·min-1、Hg 0.5 L·min-1、Cd 0.45 L·min-1、Pb 0.85 L·min-1、Ni 0.3 L·min-1、Cr 0.3 L·min-1;泵速,15 r·min-1;讀數(shù)時(shí)間,As、Hg為5 s,其余3 s;重復(fù)次數(shù),3次;吸入延遲時(shí)間,10 s;沖洗時(shí)間,20 s;穩(wěn)定時(shí)間,15 s。

MSIS工作條件:樣品溶液流速,0.5 mL·min-1;還原劑(1.5%硼氫化鈉/0.5%氫氧化鈉)流速,0.5 mL·min-1;預(yù)還原劑(2%L-半胱氨酸/4%酒石酸)流速,2.0 mL·min-1。

1.2 主要試劑

1 000 mg·L-1的As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、Y單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;1 000 mg·L-1的As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr單元素油標(biāo)溶液,美國Conostan公司;氫氧化鈉(AR)、硼氫化鈉(AR)、酒石酸(AR),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;Triton X‐114(AR)、L-半胱氨酸(生物純),美國Sigma-Aldrich公司;65%(W/W)硝酸、37%(W/W)鹽酸,德國Merck公司。

1.3 樣品

準(zhǔn)確稱取10 g棕櫚油樣品于離心管中,依次加入5%(W/V)的Triton X-114 1.0 mL和50%(V/V)的鹽酸1.5 mL,充分?jǐn)嚢栊纬扇闋钜?保持90 ℃溫度對乳狀液超聲水浴加熱破乳40 min,收集分層的水相2 mL,用超純水一倍稀釋制得樣品溶液。采用相同步驟制得空白溶液。

1.4 方法

采用18%(V/V)的鹽酸介質(zhì)配制濃度分別為0.0、0.5、2.0、10、50 μg·L-1的分析元素系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,在MSIS的雙重模式下采用MP-AES進(jìn)行測定,同時(shí)測定樣品溶液和空白溶液。測試溶液分兩路進(jìn)入MSIS霧化室,一路直接進(jìn)入MSIS霧化室中進(jìn)行傳統(tǒng)霧化,另一路與預(yù)還原劑通過“T”型接頭混合后進(jìn)入MSIS霧化室,與還原劑在MSIS霧化室中進(jìn)行氫化物發(fā)生反應(yīng)。元素As、Hg采用氫化物發(fā)生模式測定,元素Cd、Pb、Ni、Cr采用傳統(tǒng)霧化模式測定。在測定過程中,所有測試溶液均在線加入1 mg·L-1的Y內(nèi)標(biāo)溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 破乳誘導(dǎo)萃取條件選擇

為了在最短的前處理時(shí)間內(nèi)使棕櫚油樣品中所有分析元素均保持最佳萃取效率,本實(shí)驗(yàn)對乳化劑種類及濃度、萃取劑種類及濃度、萃取溫度與萃取時(shí)間等破乳誘導(dǎo)萃取條件進(jìn)行了選擇和優(yōu)化。

Triton X-100和Triton X-114均能形成油包水乳狀液,是破乳誘導(dǎo)萃取最常用乳化劑[11]。通過考察了兩種表面活性劑在不同濃度下分析元素相對信號強(qiáng)度(相對于分析元素最大信號強(qiáng)度的比值)的變化(見圖1),評估Triton X-100和Triton X-114對分析元素萃取效率的影響?？梢钥闯?隨著兩種表面活性劑濃度的增大,As、Hg、Pb、Ni的相對信號強(qiáng)度無明顯變化,而Cd、Cr的相對信號強(qiáng)度增大,所有分析元素的最大萃取效率均在5%～8%范圍內(nèi),表明兩種表面活性劑對分析元素最大萃取效率的影響一致。然而,不同表面活性劑的種類和濃度影響破乳時(shí)間,表面活性劑濃度越大,能更有效地乳化水溶液,但所需破乳時(shí)間更長(見圖2)。與Triton X-100相比,相同濃度Triton X-114的破乳時(shí)間更短,表明用Triton X-114制備的乳狀液穩(wěn)定性較差,有利于后續(xù)破乳。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇5%(W/V)的表面活性劑Triton X-114為乳化劑。

圖1 Triton X-100(a)和Triton X-114(b)濃度對分析元素萃取效率的影響Fig.1 Effects of the concentrations of Triton X-100 (a) and Triton X-114 (b) on the extraction efficiency of analytes

圖2 表面活性劑對破乳時(shí)間的影響Fig.2 Effect of surfactant on the time required for emulsion breaking

分析元素在乳狀液中以自由離子、有機(jī)分子、有機(jī)配合物的形式存在,無機(jī)酸作為萃取劑從乳狀液中提取分析元素,硝酸是破乳誘導(dǎo)萃取最常用萃取劑,但硝酸的強(qiáng)氧化性不利于氫化物元素的測定,而鹽酸是氫化物發(fā)生反應(yīng)常用預(yù)還原劑和載流介質(zhì),其所含氯離子的配位作用更有利于從乳狀液中提取分析元素?？疾炝瞬煌瑵舛塞}酸對分析元素萃取效率的影響,從圖3可以看出,非酸性條件也能將以自由離子或以微弱結(jié)合態(tài)存在的部分分析元素萃取出來,隨著鹽酸的加入,分析元素的相對信號強(qiáng)度快速增大,顯著提高了萃取效率,當(dāng)鹽酸濃度在40%～60%范圍時(shí),所有分析元素的相對信號強(qiáng)度最大,表明鹽酸已充分萃取油相中的分析元素。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇50%(V/V)鹽酸為萃取劑。

圖3 鹽酸濃度對分析元素萃取效率的影響Fig.3 Effects of the concentrations of hydrochloric acid on the extraction efficiency of analytes

萃取溫度影響表面活性劑的相分離,提高萃取溫度會加快破乳速度,縮短萃取時(shí)間。在確保分析元素被充分萃取的前提下,考察了不同萃取溫度對萃取時(shí)間的影響,結(jié)果見圖4?？梢钥闯?提高萃取溫度縮短了萃取時(shí)間,當(dāng)萃取溫度在50～70 ℃范圍內(nèi),分析元素的萃取時(shí)間大幅度縮短,隨后升高萃取溫度,萃取時(shí)間的縮短幅度變小,當(dāng)萃取溫度達(dá)到90 ℃時(shí),所有分析元素在40 min內(nèi)完成萃取。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇萃取溫度為90 ℃。

圖4 萃取溫度對充分萃取分析元素所需萃取時(shí)間的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction time required for sufficient extraction of analytes

2.2 分析譜線波長選擇

MP的等離子體溫度比電感耦合等離子體(ICP)低1 000～3 000 K,受低溫影響MP誘導(dǎo)分析原子的激發(fā)態(tài)能級降低,產(chǎn)生的發(fā)射光譜線數(shù)量比ICP少,可用于分析的譜線波長選擇數(shù)量也變少。遵循分析譜線波長的選擇原則,預(yù)設(shè)分析元素的高靈敏譜線,根據(jù)MP Expert元素譜線庫所突出顯示的潛在干擾,對比分析預(yù)設(shè)譜線的靈敏度和譜線重疊干擾,選擇干擾可忽略或干擾小的高靈敏譜線為分析線,結(jié)果見表1。除元素Ni、Cr受到稀土元素的輕微干擾可以忽略外,其余分析元素均存在譜線重疊干擾,As受到了來自Fe光譜的干擾,Hg受到了來自Co、Fe、Mo、W的干擾,Cd受到了來自Fe、V、Ti、Mn、Co的干擾,雖然這些干擾元素在棕櫚油中的含量很低,但重金屬元素的更低,因此,這些干擾不容忽視?？焖倬€性干擾校正(FLIC)基于空白溶液、分析元素和干擾元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的數(shù)據(jù)建模,通過解卷積將譜線重疊干擾從分析譜線中自動扣除[12],在建模過程中采集了空白數(shù)據(jù),FLIC能同時(shí)校正背景。因此,本實(shí)驗(yàn)分別選擇193.695、253.652、228.802、405.781、341.476和425.433 nm為As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr的分析譜線波長,并選擇FLIC技術(shù)進(jìn)行背景/干擾校正。

表1 分析元素譜線波長的選擇及背景/干擾校正方法Table 1 Selection of spectral line wavelengths and background/interference correction methods for analytes

2.3 基體效應(yīng)校正

分析元素的原子化和激發(fā)會受到基質(zhì)的影響,樣品溶液與標(biāo)準(zhǔn)溶液的基質(zhì)粘度差異會影響分析元素的發(fā)射強(qiáng)度,MP-AES受較低等離子體溫度的影響決定了其較低的基質(zhì)耐受性[13]。破乳誘導(dǎo)萃取將分析元素從油相中轉(zhuǎn)移至水相中,完全消除了有機(jī)基質(zhì)的影響,很好地解決了MP-AES基質(zhì)耐受性低的難題。本實(shí)驗(yàn)通過破乳誘導(dǎo)萃取得到的樣品溶液、空白溶液均為水溶液,與標(biāo)準(zhǔn)溶液的基質(zhì)差異小,降低了基體效應(yīng)。通過在線加入1 mg·L-1的Y標(biāo)準(zhǔn)溶液作為內(nèi)標(biāo)溶液,選擇Y 371.029 nm為內(nèi)標(biāo)分析譜線波長,以分析元素信號強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素的信號強(qiáng)度的比值補(bǔ)償基質(zhì)差異引起的譜線強(qiáng)度變化,校正了基體效應(yīng)。

2.4 方法線性與準(zhǔn)確可靠性評價(jià)

采用系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液建立校準(zhǔn)曲線,并進(jìn)行線性回歸,對方法的線性進(jìn)行評價(jià)。重復(fù)測定空白溶液11次,以測定結(jié)果的3倍和10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差對應(yīng)濃度為儀器的檢出限(LOD)和定量限(LOQ)。從表2可以看出,所有元素的線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 8,表現(xiàn)出良好線性關(guān)系,各元素LOD為0.025～0.29 μg·L-1,LOQ為0.084～0.98 μg·L-1。方法的線性動態(tài)范圍和LOD明顯優(yōu)于類似研究的AAS法和ICP-OES法,部分元素LOD接近以往文獻(xiàn)報(bào)道的ICP-MS法[8]。

表2 方法的線性、檢出限(LOD)和定量限(LOQ)Table 2 The linearity and the method detection limit (MDL) of the analyte

為評價(jià)本方法的準(zhǔn)確可靠性,將同一棕櫚油樣品分為三份,采用本方法和ICP-MS/MS法對其中兩份樣品平行測定6次并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,第三份棕櫚油樣品加入油標(biāo),經(jīng)破乳誘導(dǎo)萃取后采用本方法進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表3。本方法的加標(biāo)回收率為96.5%～105%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)≤4.1%,在95%的置信度水平,本方法的測定值與ICP-MS/MS的測定值無顯著性差異(p>0.05),驗(yàn)證了本方法的準(zhǔn)確可靠性好,精密度高。

表3 分析方法的準(zhǔn)確可靠性(n=6)Table 3 Accuracy and reliability of analytical methods (n=6)

2.5 棕櫚油樣品分析

采用本方法測定了對來自馬來西亞和印度尼西亞的4種毛棕櫚油(樣品編號1—4)和4種精煉棕櫚油(樣品編號5—8)樣品,每種棕櫚油樣品平行測定6次,結(jié)果見表4。毛棕櫚油中6種重金屬元素的含量明顯高于精煉棕櫚油,即使是同類棕櫚油樣品,重金屬元素的含量也存在較大差異,3種精煉棕櫚油中沒有檢出部分重金屬元素。8種棕櫚油樣品中重金屬元素As、Pb、Ni的含量均遠(yuǎn)低于GB 2762—2017制定的最高限量標(biāo)準(zhǔn),棕櫚油樣品中重金屬元素Hg、Cd、Cr的含量目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn),但均處于極低水平。

表4 棕櫚油樣品分析結(jié)果(μg·kg-1,n=6)Table 4 Analysis results of palm oil samples (μg·kg-1,n=6)

3 結(jié) 論

提出了基于破乳誘導(dǎo)萃取在MSIS雙重模式下利用MP-AES測定棕櫚油中多種重金屬元素的新策略。破乳誘導(dǎo)萃取將棕櫚油中分析元素從油相轉(zhuǎn)移至水相,實(shí)現(xiàn)了分析元素的分離富集,很好地解決了MP-AES基質(zhì)耐受性低的難題。方法的LOD為0.025～0.29 μg·L-1,低于類似研究的AAS和ICP-OES法,部分元素LOD接近ICP-MS法。MP-AES從空氣中提取氮?dú)鉃榈入x子體氣源,降低了分析運(yùn)行成本。方法操作簡單快速,安全性和穩(wěn)定性好、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠,適合棕櫚油中多種重金屬元素的高通量分析。