高壓蒸煮烹飪模型中As(Ⅲ)的氧化及其動力學(xué)分析*

譚婷婷，王瑛，歐仕益，滕久委

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州，510632)

砷是自然界中普遍存在的有毒重金屬。由于環(huán)境污染的加劇，以及有機砷農(nóng)藥的肆意亂用，部分農(nóng)產(chǎn)品種植或養(yǎng)殖地區(qū)的水體和土壤中砷的污染也在加劇，這些砷不可避免地被動植物吸收和富集［1］，再經(jīng)食物鏈進入人體，導(dǎo)致急性或慢性的砷中毒［2］。

砷在食品中以多種形式存在，不同形態(tài)的砷化合物，毒性差別也很大，其中無機砷的毒性遠大于有機砷，例如有機砷砷甜菜堿(AsB)的LD50值大于10 000 mg/kg，As(Ⅲ)的 LD50值等于 34.5 mg/kg，兩者毒性相差約300倍［3-4］，因此無機砷的去除對于食品安全而言具有重要意義，由于As(Ⅲ)的毒性和移動性遠超As(Ⅴ)，因此As(Ⅲ)的氧化是常規(guī)除無機砷過程中必不可少的處理步驟［5］。

從人們的日常飲食習(xí)慣來看，大部分食物都不是直接食用，往往需要經(jīng)過一定的加工處理，其中高溫高壓處理是常見的食品加工方式，尤其是我國的主食大米，往往要通過高壓鍋蒸煮才能食用，而一些膨化食品其需要的加熱溫度則更高，所以研究高壓高溫食品中砷的存在形態(tài)對于準(zhǔn)確評估食品中的砷風(fēng)險非常有意義。已有的文獻均表明高溫的確會導(dǎo)致砷形態(tài)發(fā)生變化，Van Elteren等發(fā)現(xiàn)，在160℃條件下加熱30 min和24 h后，部分AsB轉(zhuǎn)化成三甲基砷氧(TMAO)和四甲基砷離子(TMA+)，二甲基砷酸(DMA)轉(zhuǎn)化成一甲基砷酸(MMA)、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)，MMA 轉(zhuǎn)化成 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)［6］。之后該作者在更廣的溫度下(85～190℃)對AsB的受熱降解反應(yīng)進行了更深入的研究，并對該反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律進行了分析［7］。但是對于毒性較大的無機砷在加熱條件下的價態(tài)變化尚未見有報道，本論文對此進行了研究。

1 材料與方法

1.1 原料及主要試劑

亞砷酸根溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW08666)，中國計量研究院;砷酸根溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW08667)，中國計量研究院;食品級穩(wěn)定態(tài)ClO2，廣州穗澤環(huán)保科技有限公司;食品級無水Na2SO3，四川三湘精細化工有限公司;食品級H2O2，鄭州德誠生物科技有限公司;NaOH，廣州化學(xué)試劑廠;(NH4)2HPO4，天津市大茂化學(xué)試劑廠;實驗用水為MilliQ超純水。

1.2 主要儀器設(shè)備

MilliQ Acadamic超純水儀，美國Millipore公司;e2695型高效液相色譜儀，美國沃特世公司;Xseris2電感耦合等離子體質(zhì)譜，美國賽默飛世爾科技公司;T-50.2L溶劑過濾器，天津市津騰實驗設(shè)備有限公司;GM-1.0A兩用型隔膜真空泵，天津市津騰實驗設(shè)備有限公司;DHG-9145A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;25 mL水熱合成反應(yīng)釜，中凱亞不銹鋼制品。

1.3 實驗方法

1.3.1 建立高壓蒸煮烹飪模型

將亞砷酸根溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稀釋成500 μg/kg的As(Ⅲ)使用液，取10 mL As(Ⅲ)使用液置于25 mL水熱合成反應(yīng)釜中，密閉后分別放于120、140、160、180℃的烘箱，通過控制加熱時間與溫度模擬不同程度的高壓蒸煮烹飪(全因素實驗)，為更好的分析As(Ⅲ)在空氣介質(zhì)中的氧化情況以便進行動力學(xué)分析，實驗溫度與時間相對于正常烹飪時間溫度有所擴大。

1.3.2 穩(wěn)定態(tài) ClO2、Na2SO3、H2O2對 As(Ⅲ)氧化的影響

加入適量食品級穩(wěn)定態(tài) ClO2、Na2SO3和 H2O2于500 μg/kg As(Ⅲ)使用液中，添加物最終濃度為2 mg/L，符合國標(biāo)規(guī)定的限量［8］，然后按照上述所建立的高壓蒸煮烹飪模型進行反應(yīng)。

1.3.3 As(Ⅲ)和As(Ⅴ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

亞砷酸根溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和砷酸根溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等體積混合稀釋得到100 μg/kg的無機砷混合標(biāo)液［9］，在規(guī)定的儀器條件下(見表1)依次吸取5、10、20 μL混合標(biāo)液進行測定，記錄色譜圖并用數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)Plasma Lab計算峰面積。以峰面積(Y)為縱軸，相應(yīng)各組分質(zhì)量濃度(X，μg/kg)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線及進行線性回歸分析。

表1 HPLC-ICP-MS儀器參數(shù)Table 1 Instrumental parameters of HPLC-ICP-MS

1.3.4 砷形態(tài)的檢測

加熱2、4、8、32 h 后，取出水熱合成反應(yīng)釜，放入冰水中快速冷卻，將釜中樣品稀釋至100 μg/kg。樣液透過0.45 μm微孔濾膜后，用HPLC-ICP-MS分別測出As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機砷混合標(biāo)液的分離結(jié)果與線性方程

在規(guī)定工作條件下，混合標(biāo)液的出峰順序依次為As(Ⅲ)、As(Ⅴ)，且7 min內(nèi)2種砷形態(tài)完全分離(見圖1)。

圖1 無機砷混合標(biāo)液的色譜圖Fig.1 HPLC-ICP-MS chromatogram forinorganic arsenic mixed standard solution

對分離色譜圖上的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的峰面積與對應(yīng)濃度進行線性回歸，發(fā)現(xiàn)線性擬合良好，相關(guān)系數(shù)均在0.999以上(表2)。

表2 As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的線性方程及相關(guān)系數(shù)Table 2 Linear regression equation and correlation coefficient of As(Ⅲ)＆ As(Ⅴ)

2.2 高壓蒸煮烹飪模型

2.2.1 不同加熱溫度和時間對As(Ⅲ)氧化的影響

As(Ⅲ)水溶液在不同加熱溫度和時間的高壓蒸煮模型下反應(yīng)，結(jié)果如表3所示。

表3 As(Ⅲ)氧化實驗結(jié)果Table 3 The results of As(Ⅲ)oxidation

由于高溫加熱使得部分砷附著在瓶壁上不易洗脫，造成反應(yīng)后總砷量減少。所以為了更為準(zhǔn)確的反映As(Ⅲ)的氧化，這里定義反應(yīng)后測得的As(Ⅴ)的量占As(Ⅲ+Ⅴ)總量的百分比為反應(yīng)物As(Ⅲ)的氧化率。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，加熱時間相同時，溫度越高，As(Ⅲ)的濃度越小，這說明As(Ⅲ)的氧化速率隨溫度的升高而加快。為得到具體的氧化速率常數(shù)，更為直觀的體現(xiàn)As(Ⅲ)氧化受溫度的影響，將表3所得數(shù)據(jù)進一步進行動力學(xué)分析。

2.2.2 As(Ⅲ)氧化一級動力學(xué)分析

佟殿鑫［10］對As(Ⅲ)水溶液在不同溫度下被空氣氧化的速率分別進行過一級動力學(xué)和二級動力學(xué)的擬合實驗，發(fā)現(xiàn)一級動力學(xué)模型更符合描述As(Ⅲ)被空氣氧化的速率曲線。因此本文選擇對測得的數(shù)據(jù)進行一級動力學(xué)擬合。即As(Ⅲ)的濃度應(yīng)滿足一級反應(yīng)速率方程Inc= -kt+B，其中c表示反應(yīng)物濃度，k表示速率常數(shù)，t表示時間，B表示積分常數(shù)［10-11］，即反應(yīng)物濃度的對數(shù)值，與時間有線性關(guān)系(圖3)，且Inc-T直線斜率的絕對值就是反應(yīng)速率常數(shù)k值。

圖2 As(Ⅲ)濃度的對數(shù)值—時間的線性關(guān)系Fig.2 Linear relation of logarithm of concentration of As(Ⅲ)and time

于是以As(Ⅲ)濃度的對數(shù)值為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，按照上述速率方程進行擬合，結(jié)果如表4所示。各溫度的一級動力學(xué)擬合程度良好。而且隨著溫度的升高，反應(yīng)速率常數(shù)k值也隨之增大，說明As(Ⅲ)的氧化反應(yīng)是個吸熱反應(yīng)，溫度的升高能使反應(yīng)速率加快，這也符合Arrehenius方程的結(jié)論［11］。

表4 不同溫度下一級動力學(xué)擬合結(jié)果Table 4 Results fitted by first order kinetic model at different temperatures

2.2.3 穩(wěn)定態(tài)ClO2、Na2SO3、H2O2對As(Ⅲ)氧化的影響

食品在工業(yè)生產(chǎn)過程中，除了物理加工外，往往還會接觸一些食品添加劑和食品工業(yè)用加工助劑，這些物質(zhì)或多或少也會影響到As(Ⅲ)的氧化。穩(wěn)定態(tài)ClO2和Na2SO3具有漂白、殺菌、保鮮等作用，作為食品添加劑，其應(yīng)用歷史悠久［12-13］。而H2O2作為氧化劑、漂白劑和殺菌劑［14］也被最新國標(biāo) GB2760-2014重新納入了食品工業(yè)用加工助劑。加入這3種物質(zhì)后，高壓蒸煮烹飪模型中As(Ⅲ)的氧化速率如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定態(tài)ClO2和H2O2呈現(xiàn)出較強氧化性，尤其是H2O2，其最高氧化率達到了99.8%，幾乎將As(Ⅲ)完全氧化成了As(Ⅴ)，穩(wěn)定態(tài) ClO2的最高氧化率只有 H2O2的一半為52.1%。而Na2SO3則呈現(xiàn)出還原性，會抑制As(Ⅲ)的氧化，加入Na2SO3后As(Ⅲ)的最大氧化速率由14.5%降低到了6.9%。

圖 3 ClO2、H2O2、Na2SO3對 As(Ⅲ)氧化的影響Fig.3 The effect of ClO2、H2O2、Na2SO3to As(Ⅲ)oxidation

3 結(jié)論

本試驗采用HPLC-ICP-MS方法檢測了高壓蒸煮烹飪模型中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的濃度，分別繪制出這2種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，相關(guān)系數(shù)均在0.999以上。通過對120、140、160、180 ℃條件下 As(Ⅲ)的氧化速率進行一級動力學(xué)分析，算出反應(yīng)速率常數(shù)k120℃、k140℃、k160℃、k180℃分別為 1.9 ×10-3、5.1 ×10-3、8.5×10-3、2.2 ×10-2h-1，說明升高溫度可以加快 As(Ⅲ)的氧化速率。食品中可能存在的ClO2和H2O2對As(Ⅲ)氧化有促進作用，而Na2SO3則會抑制As(Ⅲ)氧化。

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