超声萃取-ICP-OES法 快速测定食品中硼砂

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(广东省惠州市质量计量监督检测所,广东惠州 516003)

硼砂(Na2B4O7·10H2O)是一种化工原料,加入食品中有防腐、增加弹性和膨胀的作用,但其毒性较高,有致癌作用,可在体内蓄积,影响消化酶作用。对成人至死量约20g,幼儿约5g,成人使用1～3g即可引起中毒[1]。目前世界各国多将其作为禁用的食品添加剂,我国也严令禁止硼砂在食品中使用[2-3]。但一些不法商贩仍然在面条、米粉、粽子、腐竹、肉丸、糕点等食品中添加硼砂,非法添加事件屡禁不止,严重危害消费者的身体健康和生命安全,因此,对食品中硼砂含量进行监测十分必要。

硼砂的测定方法主要有比色法[4-5]、高效液相色谱法[6-7]、荧光法[8-9]和电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES法)[10-12]等,这些方法前处理冗长费时、操作繁琐,不便于食品中硼砂的日常快速检测。国家标准GB/T21918-2008《食品中硼酸的测定》中的姜黄比色法、ICP-AES法、ICP-MS法,都是利用测定硼元素来间接确定食品中硼砂或硼酸含量[13]。考虑到食品中都含有一定量的硼元素[14-19],通过此法来直接判断食品中是否添加硼砂则显得很不科学。因此,建立一种有效提取食品中硼砂,准确测定其含量的方法非常必要,对保障人民群众的身体健康和食品安全监管具有重要意义。本文采用水超声萃取,能够有效提取食品中的硼砂,通过优化仪器条件,建立了ICP-OES快速测定食品中硼砂含量的分析方法。该方法分析速度快,准确性高,结果令人满意。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

表1 超声萃取法和微波消解法对不同样品中硼砂的萃取量(以硼砂计,mg/kg)Table 1 Amount of borax in different samples by ultrasonic extraction method and microwave digestion method(the borax,mg/kg)

硼标准储备液(1000μg/mL,GSB G 62003-90) 国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院;硼砂,分析纯 广州化学试剂厂;超纯水 18.2MΩ·cm;亚铁氰化钾溶液 称取106.0g亚铁氰化钾用水溶解并稀释至1000mL;乙酸锌溶液 称取220.0g乙酸锌,加30mL冰乙酸溶于水并稀释至1000mL。

ICP6300电感耦合等离子体发射光谱仪 美国Thermo Scientific,CID检测器,石英同心雾化器;超声仪 上海科导超声仪器有限公司;恒温干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;Milli-Q型超纯水机 美国Millipore;高速捣碎机 德国IKA。

1.2 仪器条件

RF发射功率1150W,辅助气流量0.5L/min,雾化气压力0.18MPa,冷却气流速16L/min,样品清洗时间20s,泵稳定时间5s,短波积分时间15s,长波积分时间5s,观测方式:水平观测,蠕动泵转速为75r/min,分析波长B:249.773nm。

1.3 实验方法

1.3.1 硼砂样品的制备 从农贸市场购买新鲜的大米、黄豆、小麦、猪肉(不含骨头),用粉碎机粉碎,每类样品称取相同质量的3组于聚丙烯烧杯中,共分为12组;称取不同质量的硼砂,用水溶解,分别加入到12组样品中,放置24h,然后置于50℃烘箱中干燥,再用粉碎机粉碎,制备低中高不同浓度的硼砂模拟样品,备用。

1.3.2 样品的萃取 称取模拟样品1.0000g左右于50mL聚丙烯容量瓶中,加水30mL,摇匀样品,常温超声提取15min,取出后加亚铁氰化钾溶液和乙酸锌溶液各5mL[13],放置于室温,用水定容至刻度,混匀,过滤,弃去最初滤液10mL,取滤液于聚丙烯试管中。同时制备样品空白,待测。

2 结果与讨论

2.1 样品前处理方法的选择

采用微波消解方法和超声萃取法分别对不添加硼砂的4类新鲜样品(大米、黄豆、小麦、猪肉)和12组添加硼砂的模拟样品进行实验,样品中硼砂提取效果见表1。通过实验分析,食品中本底的硼元素以准束缚态(单糖结合态)存在[20],不溶于水,不能通过水超声萃取的方式提取出来。硼的4个羟基与单糖的邻羟基脱水共价结合,形成网状复合物需反应热且比较复杂,因此人为添加到食品中的硼砂不会与组织结构发生反应[21],并且在样品中主要以硼酸根离子形式存在,能够直接用水超声提取。由表1可知,采用微波消解方法,样品中本底存在的硼元素也被提取出来,给测定结果带来偏差;水超声萃取能把模拟样品中添加的硼砂全部分离出来,而本底含有的硼元素没有被萃取出来,因此,本方法选择水超声萃取作为样品的前处理方法。

2.2 超声条件选择

2.2.1 超声试剂的选择 分别用相同浓度的HNO3、H3PO4、HCl、H2SO4、HClO4(v/v,1∶5)和水对模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2样品进行实验,常温下超声15min,然后按1.3.2方法定容、过滤,测定。由表2可知,几种酸和水对样品中硼砂的萃取回收率在99.4%～100.3%之间,提取效果都显著,但是考虑到酸操作过程的危险性和空白值较高,本方法采用水作为超声试剂。

表2 不同试剂对样品中硼砂的萃取量(以硼砂计,mg/kg)Table 2 Amount of borax in the sample by extracted with different reagents(the borax,mg/kg)

2.2.2 超声温度的选择 选择温度20、25、30、35、40、45、50、55、60℃对模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2样品分别用水超声15min,然后按1.3.2方法定容、过滤,测定。图1结果表明,超声温度在20～60℃范围内,硼砂萃取回收率分布在95%～106%之间,其中20℃时回收率接近100%,表明其萃取效果是最好的。模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2在20～25℃时硼砂回收率不存在显著性差异(p>0.05),且回收率维持在100%左右。超声温度大于25℃后,模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2硼砂回收率随着温度升高先增加后降低,萃取效果没有明显增加,且硼砂回收率存在显著性差异(p<0.05)。因此,本实验采用超声温度为20℃。

2.2.3 超声时间的选择 在常温条件下,对模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2样品分别用水超声5、10、15、20、25、30、35、40、50、60min,然后按1.3.2方法定容、过滤,测定。由图2可知,提取时间不同,样品中硼砂回收率也不同。其中模拟大米2、模拟黄豆2、模拟小麦2、模拟猪肉2在萃取时间少于15min时,随着时间的延长,回收率呈上升趋势;模拟大米2和模拟猪肉2在15～30min时硼砂回收率不存在显著性差异(p>0.05),且回收率维持在100%左右,超过30min时,回收率下降。模拟黄豆2在15～25min时硼砂回收率不存在显著性差异(p>0.05),且萃取效果明显,之后随着时间增加回收率降低。模拟小麦2在15～35min时硼砂回收率不存在显著性差异(p>0.05),且回收率维持在100%左右,之后随着时间延长回收率降低。结果说明,随着时间的增加,超声萃取效果明显增加,当到达一定时间后,萃取效果没有显著变化,因此,本实验采用超声时间为15min。

表3 冷却气流量对谱线强度的影响Table 3 Effect of cooling air flow on the spectral line intensity

图1 萃取温度对硼砂回收率的影响 Fig.1 Effect of extraction temperature on the recovery of borax

图2 萃取时间对硼砂回收率的影响 Fig.2 Effect of extraction time on the recovery of borax

2.3 分析波长的选择

查阅仪器谱线数据库,以谱线灵敏、干扰少的原则来选择分析线。先确定待测元素较灵敏分析线B 249.773、B 249.678、B 208.959、B 208.893、B 182.641nm 5条谱线。固定待测元素的浓度,加入一定浓度的试样基体元素的纯溶液,分别实验基体对B的干扰情况,实验表明,选用B 249.773nm的谱线,基本可排除铁元素的光谱干扰,而铝、镁、钠、钙等元素在B 249.773nm下均无明显吸收峰,因此,选择B 249.773nm为本实验的分析线。

2.4 仪器条件的优化

2.4.1 RF发射功率及雾化气压力 RF发射功率在一定的范围内时,随着功率的增加,等离子体温度升高,待测谱线的强度增加,有利于改善检测的灵敏度和稳定性,但同时背景也相应增强,而且功率过大影响矩管的使用寿命。当输出功率达到一定数值后,雾化气流量是影响信号强度的另一个重要因素,随着雾化气压力增加,雾化气流量也增加,样品的雾化效果改变、总体提升量增加,谱线强度也随着改变[22],但雾化气压力增大到一定程度后信噪比反而下降,影响雾化效果[23]。通过实验确定RF发射功率为1150W,雾化气压力为0.18MPa。

2.4.2 辅助气流量 在RF功率一定的情况下,随着辅助气流量的增加,信号强度也增加,但流量过大,易熄火,有可能损坏仪器,实验选用辅助气流量为0.5L/min。

2.4.3 冷却气流量的影响 用2.0mg/L硼标准溶液考察了冷却气流量对谱线强度的影响,由表3可知,冷却气流量大于16L/min时,随着冷却气流量增加,谱线强度呈下降趋势,当冷却气流量超过19L/min时,火焰不稳定,且容易熄火和浪费气体。而冷却气流量小于16L/min时,谱线强度变化不明显,但冷却气流量低于13L/min时,容易烧炬管。最终选择冷却气流量为16L/min。

2.4.4 蠕动泵速的选择 用2.0mg/L硼标准溶液进行分析,考察了蠕动泵速分别为25、50、75、100、125r/min时对谱线强度的影响。由表4可知,泵速为25r/min时检测灵敏度不够,谱线强度较低,进样速度太慢,125r/min时蠕动泵转速太快,影响溶液的雾化效率且浪费样品。最终选择蠕动泵转速为75r/min。

表4 蠕动泵转速对谱线强度的影响Table 4 Effect of peristaltic pump speed on the spectral line intensity

2.5 基体干扰与消除

分别测定2.0mg/L硼标准溶液及硼标准溶液中添加了亚铁氰化钾和乙酸锌的混合溶液,观察谱线强度的变化,结果表明添加的亚铁氰化钾和乙酸锌对硼的测定结果几乎没有影响。超声萃取出来的少量共存离子含量小,与硼元素之间基本上不存在干扰,并且可以通过仪器软件的校正功能完全消除。

2.6 方法的标准曲线和检出限

实验结果表明,硼浓度在0.05～50mg/L范围内浓度和信号强度呈良好的线性关系,线性方程为Y=20558.9X+8.3,相关系数为0.9999。以空白溶液11次测定值的3倍标准偏差计算方法检出限,硼砂检出限为0.95mg/kg。

表5 样品的加标回收率(n=9)Table 5 Spiked recoveries for samples(n=9)

2.7 加标回收率和精密度实验

选定沙琪玛样品进行加标回收率和精密度实验,分别添加硼标准溶液浓度为0.5、5.0、15.0mg/L,平行测定9次,加标回收率为99.1%～102.4%,相对标准偏差为0.55%～0.80%(见表5)。结果说明方法具有很好的加标回收率,可用于食品中硼砂的检测。

2.8 样品测定

按照1.3.2方法对市售肉丸、沙琪玛、腐竹、面粉、粽子、面条、饺子皮、蛋糕、汤圆进行处理,然后按1.2的仪器条件对样品进行检测,其中腐竹、沙琪玛、粽子、凉皮样品中含有硼砂,肉丸、面粉、面条、蛋糕、汤圆未检出硼砂。

3 结论

通过比较微波消解和水超声萃取两种前处理方法对结果的影响,建立了水超声萃取-ICP-OES快速测定食品中的硼砂含量的方法。水超声萃取能有效地提取食品中的硼砂,超声温度为20℃,超声时间为15min,方法的加标回收率、精密度和检出限都能满足实验的要求。本方法前处理简单,结果准确可靠,适用于日常食品中硼砂的准确测定和结论判定。

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