食用明胶中微量铬含量测定的方法研究

昝川南

(广西-东盟食品药品安全检验检测中心,广西南宁530021)

摘 要为优化食用明胶中微量铬测定方法,通过微波消解,湿法消解,干法灰化等3种前处理方法,采取原子吸收-石墨炉法和电感耦合等离子质谱法测定明胶中铬含量。结果表明,食用明胶经硝酸-双氧水消解体系进行微波密闭消解,采用原子吸收-石墨炉法测定其微量铬,铬在0~16 ng/mL浓度范围内线性关系良好,相关系数r2=0.999 1,方法检出限为0.01 mg/kg,加标平均回收率98.7%,相对标准偏差1.7%(n=7),质控样测定结果接近其中值。

关键词食用明胶;微量铬;原子吸收-石墨炉;电感耦合等离子质谱;质控样

铬(chromium)广泛存在于自然界中,人体中微量铬对人的糖代谢、脂肪代谢、蛋白质及核酸的相互作用有着重要的影响,然而铬的过度摄入会对人体造成危害[1],国际癌症研究机构(international agency for researchoncancer,IARC)已将六价铬列为人类致癌物[2]。食用明胶(gelatin)是用新鲜动物皮骨提取的胶原蛋白质[3],为淡无色至淡黄色薄片状或粉粒状末,无臭、无味,应用于食品工业作赋形剂、增稠剂,是食品工业广泛应用的添加剂。人体如果摄入含铬明胶,其中的六价铬会引起细胞周期调控系统CDK6异常表达改变细胞周期和DNA相关修复过程从而引发肿瘤[4]。因此食用明胶铬含量检测已成为食品药品检测的一个重要指标。目前测定食用明胶中微量铬的前处理方式主要有微波消解、湿法消解、干法灰化[5];测定方法主要有原子荧光(atomic fluorescence spectrometry,AFS)法、原子吸收-石墨炉(graphite furnace atomic absorption apectrometry,GF-AAS)法和电感耦合等离子质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)法[6-9]。目前国内相关标准如:GB 5009.123-2014《食品安全国家标准食品中铬的测定》[10]及GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》[11]中已有关于铬测定的方法,但由于食品基质的复杂性和铬元素的化学特性,按标准操作会出现某些基质的样品消解不彻底、仪器测定存在特殊干扰等情况,导致铬测定的精密度低、准确度差。本研究拟采用3种样品前处理方法及2种检测仪器进行综合全面的比较,以期确立一种快速、便捷、准确,适用于食用明胶中微量铬的测定方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

900T原子吸收光谱仪:PerkinElmer公司;Icap Q电感耦合等离子体质谱仪:Thermo公司;Mars6微波消解仪:CEM公司;P330马弗炉:Nabertherm公司;BHW-09C石墨电热消解仪:北京博通公司;ML204电子天平(感量0.1 mg和1 mg):Mettler Toledo公司;Milli-Q超纯水仪:Millipore公司。

1.2 材料与试剂

食用明胶质控样:编号T01530;铬标准值范围:380 μg/kg~719 μg/kg,中值:600 μg/kg,分析实验室能力验证 (food analysis performance assessment scheme,FAPAS)考核组织提供。

铬标准溶液、钪标准溶液:1 000 mg/L,介质为2%硝酸,美国O2SI公司;硝酸、氢氟酸:分析纯,德国Merck公司;30%过氧化氢:优级纯,广东光华科技股份有限公司;氩气:纯度99.999%,广西国信气体研究有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 标准溶液配制

1)铬标准使用液:将铬标准储备液用硝酸溶液(5+95)逐级稀释至浓度为100 ng/mL。

2)钪标准使用液:将钪标准储备液用硝酸溶液(5+95)逐级稀释至浓度为10 ng/mL。

3)标准系列溶液的配制:分别吸取铬标准使用液(100 ng/mL)0、0.5、1.00、2.00、3.00、4.00 mL 于 25 mL容量瓶中,用硝酸溶液(5+95)稀释至刻度,混匀。各容量瓶中每毫升分别含铬 0、2.00、4.00、8.00、16.0 ng。由GF-AAS和ICP-MS分别吸取标准系列溶液进行测定。

1.3.2 样品前处理方法

1.3.2.1 微波消解

准确称取试样约0.5 g(精确至0.001 g)于微波消解罐中,分别加入6 mL硝酸、4 mL硝酸和2 mL氢氟酸、4 mL硝酸和2 mL双氧水,按照微波消解的操作步骤消解试样(消解条件参见表1)。冷却后取出消解罐,在电热板上于140℃~160℃赶酸至0.5 mL~1.0 mL。消解罐放冷后,将消化液转移至10 mL容量瓶中,用少量水洗涤消解罐2次~3次,合并洗涤液,用水定容至刻度。同时做试剂空白试验、加标回收试验和平行性试验,微波消解程序见表1。

表1 微波消解仪工作条件
Table 1 Working parameters of microwave digestion

步骤 功率(1 200 W)变化/%恒温时间/min 1 0~80 120 5 5 2 0~80 160 5 10 3 0~80 180 5 10设定温度/℃升温时间/min

1.3.2.2 湿法消解

准确称取试样约0.5 g(精确至0.001 g)于消化管中,分别加入6 mL硝酸、4 mL硝酸和2 mL氢氟酸、4 mL硝酸和2 mL双氧水,在可调式电热炉上消解(升温程序:120℃保持0.5 h、升温至180℃2 h、升温至200℃)。若消化液呈棕褐色,再加硝酸,消解至冒白烟,消化液呈无色透明或略带黄色,取出消化管,冷却后用水定容至10 mL。同时做试剂空白试验、加标回收试验和平行性试验。

1.3.2.3 干法灰化

准确称取试样约2 g(精确至0.001 g)于30 mL坩埚中,置于马弗炉中,于550℃恒温3 h~4 h,至试样呈白灰状,取出冷却,用硝酸溶液(1+1)溶解并用水定容至10 mL。同时做试剂空白试验、加标回收试验和平行性试验。

1.3.3 测定方法

1.3.3.1 原子吸收-石墨炉法(GF-AAS)

铬元素原子化温度高,经对比,食用明胶的测定即使不加基体改进剂,原子化过程中也不会出现干扰,因此选择不使用基体改进剂以获得更高的灵敏度。测定波长:357.87 nm;狭缝宽度:0.7 nm;灯电流:5 mA;进样体积:20 μL;背景扣除:塞曼扣背景;GFAAS工作参数见表2。

表2 GF-AAS主要工作参数
Table 2 Main operating parameters of GF-AAS

步骤 阶段 温度/℃ 坡升时间/s 持续时间/s 1 干燥 120 1 20 2干燥 140 15 20 3灰化 1300 10 15 4 原子化 2300 0 5 5净化 2450 1 3

1.3.3.2 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)

铬同位素有50Cr、52Cr、53Cr、54Cr,其中52Cr天然丰度最高且干扰较低,选为待测同位素。52Cr主要的多原子离子干扰为40Ar12C+36S16O+38Ar14N+36Ar16O+,使用动能歧视型碰撞池(kinetic energy discrimination,KED)模式,通入氦气作为碰撞气,能有效减少干扰。ICP-MS测量过程中,被测元素的信号受样品溶液中共存元素或基体元素的影响,引起被测物信号的增强或减弱的现象,称之为抑制或增敏效应[12]。抑制或增强效应可通过内标法进行校正,使用10 ng/mL的钪(Sc)作为内标元素可以减少这些干扰及仪器各种条件的波动带来的影响,ICP-MS工作参数见表3。

1.3.3.3 铬含量计算公式

表3 KED模式ICP-MS主要工作参数
Table 3 Main operating parameters of ICP-MS in KED mode

仪器参数 设定值射频功率/W 1550.0冷却气流量/(L/min)14.0辅助气流量/(L/min)0.8雾化气流量/(L/min)0.98碰撞气流量/(L/min)采样锥/截取锥3.063 1.1/0.5 mm镍锥蠕动泵转速/(r/min)40.0采样深度/mm 5.00矩管水平位置/mm -0.99矩管垂直位置/mm -1.09扫描模式采样点跳峰扫描3重复次数/次 20提取透镜1/V 0.0提取透镜2/V -118.0

式中:X为样品中铬的含量,μg/kg;Cx为样品溶液中铬的质量浓度,ng/mL;C0为空白溶液中铬的质量浓度,ng/mL;V为样品溶液定容体积,mL;m为样品称样量,g。

2 结果与分析

2.1 不确定度分量来源的分析

GF-AAS法及ICP-MS法测定明胶铬含量的不确定度的主要来自:标准曲线拟合计算浓度过程;样品重复性测定次数;样品的处理过程;标准溶液的配制过程[13];分析仪器的相对不确定度。

2.2 样品测定结果分析

本文比较了3种不同的消解方式,结果见表4和表5。

表4 GF-AAS测定铬结果
Table 4 GF-AAS results of chromium

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

GF-AAS 消解体系 7次测定结果均值/(μg/kg)平行样RSD/%微波 体系1 620 +3.3 1.7体系2 675 +12.5 4.5体系3 614 +2.3 2.6湿法 体系1 563 +6.2 2.2体系2 594 -1.0 5.9体系3 511 -14.8 3.4干法 497 -17.2 8.3偏离标准值/%

由表4和表5可知,干法灰化法在样品经马弗炉灰化后加酸溶解并转移的过程中,易造成铬元素损失;湿法消解耗时长且消解不够彻底;微波消解耗时短且消解效果好,平行样精密度高。研究了不同的酸体系的消解效果,结果表明,硝酸-过氧化氢体系消解效果最佳,过氧化氢能够使样品消解液更澄清透亮,起到氧化脱色作用,羟自由基同时也更利于有机物的分解,从结果来看该消解体系得到的样品溶液测定结果精密度最高,也接近质控样的标准值;而硝酸-氢氟酸体系消解过程中引入氟离子,在赶酸过程中即使加入高氯酸也较难将氟赶尽,在高氯酸赶F的操作中,时间不易控制,时间不够或过长均会导致铬测定结果的偏高或偏低[14],效果不理想。此外,还比较了不同的仪器,对同一消解方式的测定结果:铬是高温元素,在原子化温度(横向加热)高达2 300℃时,干扰极少,原子吸收-石墨炉测定的结果比较稳定,而电感耦合等离子体质谱测定铬时,铬易被同质荷比的多原子离子干扰,开启碰撞模式消除这类干扰则使灵敏度下降,导致测定结果稳定性较原子吸收-石墨炉法差。

表5 ICP-MS测定铬结果
Table 5 ICP-MS results of chromium

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

ICP-MS 消解体系 7次测定结果均值/(μg/kg)平行样RSD/%微波 体系1 575 -4.2 2.6体系2 651 +8.5 5.3体系3 532 -11.3 3.6湿法 体系1 550 -8.3 3.2体系2 554 -7.7 5.1体系3 527 -12.2 4.4干法 487 -18.8 7.4偏离标准值/%

2.3 标准曲线测定结果

铬标准曲线测定结果见图1,图2。

图1 GF-AAS标准曲线图
Fig.1 GF-AAS calibration curve

2.4 检出限

GF-AAS和ICP-MS的仪器检出限均采用纯水连续11次测定铬信号值的3倍标准偏差所相当的铬浓度,再经过稀释倍数和取样质量及单位转换系数的换算,得到对应方法检出限GF-AAS法:0.01 mg/kg;ICPMS法:0.006 mg/kg,均能很好地满足试验灵敏度需求。

图2 ICP-MS标准曲线图
Fig.2 ICP-MS calibration curve

2.5 回收率试验

按照不同前处理方法分别称取试样,向其中加入与称取试样铬含量接近的铬标准溶液,分别按照相应的前处理方法制备得到回收率试样待测液,供GFAAS及ICP-MS测定,得到不同前处理条件下的试样回收率,回收率见表6、表7。

表6 GF-AAS加标回收率
Table 6 GF-AAS spike recovery

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

GF-AAS 消解体系 加标量/μg 平均回收率/% RSD/%微波 体系1 0.25 98.7 2.7体系2 0.25 113.5 5.8体系3 0.25 95.2 6.6湿法 体系1 0.25 92.6 5.4体系2 0.25 118.5 7.2体系3 0.25 93.4 4.7干法 1 85.4 10.5

表7 ICP-MS加标回收率
Table 7 ICP-MS spike recovery

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

ICP-MS 消解体系 加标量/μg 平均回收率/% RSD/%微波 体系1 0.25 92.7 4.9体系2 0.25 109.9 4.7体系3 0.25 111.5 5.9湿法 体系1 0.25 89.1 3.7体系2 0.25 107.1 7.1体系3 0.25 93.2 8.2干法 1 88.4 12.7

综合比较表6、表7中回收率情况,可以看出干法回收率略低,各种酸体系的微波消解和湿法消解所得回收率测定液,在GF-AAS和ICP-MS中测得回收率结果均比较满意。

2.6 精密度试验

按照2.2中微波消解(体系1~体系3)、湿法消解(体系1~体系3)、干法灰化的7种前处理方式,各取7份平行样进行前处理,所得7组待测样品溶液分别在GF-AAS和ICP-MS上进行精密度测定,结果表明相比较于其他前处理方法,硝酸-过氧化氢体系—微波消解这一前处理方法所得的结果精密度最好,在GFAAS上测得RSD=1.7%,在ICP-MS上测得RSD=2.6%,试验数据详见表8、表9。

表8 GF-AAS精密度(n=7)
Table 8 GF-AAS precision(n=7)

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

GF-AAS消解体系7次测定结果/(μg/kg)RSD/%均值/(μg/kg)微波 体系1 609 624 617 616 630 635 607 1.7 620体系2 713 654 629 699 681 655 696 4.5 675体系3 601 595 638 631 617 616 604 2.6 614湿法 体系1 571 550 565 578 542 569 566 2.3 563体系2 661 574 573 569 585 574 622 5.9 594体系3 491 504 494 530 525 501 531 3.4 511干法 471 454 541 530 438 520 522 8.3 497

表9 ICP-MS精密度(n=7)
Table 9 ICP-MS precision(n=7)

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

ICP-MS消解体系7次测定结果/(μg/kg)RSD/%均值/(μg/kg)微波 体系1 589 582 572 588 548 562 583 2.6 575体系2 638 608 616 687 637 688 683 5.3 651体系3 546 564 539 528 520 506 522 3.6 532湿法 体系1 542 552 540 542 561 584 532 3.2 550体系2 540 582 522 586 544 523 581 5.1 554体系3 511 539 500 516 560 552 513 3.4 527干法 477 444 458 484 475 530 541 7.4 487

2.7 重现性

取同一食用明胶质控样,在不同的实验室设备条件下,由不同的人员按照同样的方法操作(试验2),得到的铬测定结果与原测定结果(试验1)对比见表10、表11。

表10 GF-AAS测定铬结果
Table 10 GF-AAS results of chromium

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

GF-AAS 消解体系 试验1结果/(μg/kg)试验2结果/(μg/kg)RSD/%微波 体系1 620 608 1.4体系2 675 644 3.3体系3 614 637 2.6湿法 体系1 563 577 1.7体系2 594 622 3.3体系3 511 531 2.7干法 497 522 3.5

表11 ICP-MS测定铬结果
Table 11 ICP-MS results of chromium

注:体系1.硝酸-过氧化氢;体系2.硝酸-氢氟酸;体系3.硝酸。

ICP-MS 消解体系 试验1结果/(μg/kg)试验2结果/(μg/kg)RSD/%微波 体系1 575 566 1.1体系2 651 616 3.9体系3 532 559 3.5湿法 体系1 550 562 1.5体系2 554 581 3.4体系3 527 549 2.9干法 487 511 3.4

3 结论与讨论

硝酸-过氧化氢体系-微波消解-原子吸收-石墨炉这一测定方法,样品消解效果最好,平行样测定结果精密度最高,所得结果较接近标准物质铬含量的标准值,加标回收测定结果最为满意。如不加过氧化氢溶液,从湿法消解结果及ICP-MS测定结果看来,精密度、偏离标准值、加标回收率等方面结果较差。

本研究经过多方面对比,样品使用硝酸-双氧水消解体系进行微波密闭消解并采用原子吸收-石墨炉法测定食用明胶中微量铬,灵敏度高、精密度高、准确度好、重现性好、回收率高,质控样测定结果接近其中值,是适合用于明胶中微量铬测定的较好的方法。

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The Research on Determination of Trace Chromium in Edible Gelatin

ZAN Chuan-nan
(Guangxi-ASEAN Center For Food and Drug Safety Control,Nanning 530021,Guangxi,China)

AbstractIn order to find a better method for determination of trace chromium in edible gelatin,the content of chromium in gelatin was determined by atomic absorption-graphite furnace method and inductively coupled plasma mass spectrometry through microwave digestion,wet digestion and dry ashing.The results showed that edible gelatin was digested with nitric acid and hydrogen peroxide in a microwave sealed digestion system,and the trace chromium was determined by graphite furnace atomic absorptionspectrometry method.the linear relationship of chromium was good in the concentration range of 0-16 ng/ml,the correlation coefficient r2=0.999 1,its detection limit was 0.01 mg/kg,its average recovery rate was 98.7%,and RSD value was 1.7%(n=7),the results of quality control material was close to the median.

Key wordsedible gelatin;trace chromium;graphite furnace atomic absorptionspectrometry;inductively coupled plasma mass spectrometry;quality control material

DOI10.3969/j.issn.1005-6521.2019.05.036

作者简介:昝川南(1985—),男(汉),工程师,本科,研究方向:食品质量与安全。

引文格式:

昝川南.食用明胶中微量铬含量测定的方法研究[J].食品研究与开发,2019,40(5):197-202

ZAN Chuannan.The Research on Determination of Trace Chromium in Edible Gelatin[J].Food Research and Development,2019,40(5):197-202

收稿日期:2018-07-17