現代儀器分析技術在糖品分析中的應用

陳 碧，王小明

（廣西科技師范學院食品與生化工程學院，廣西 來賓 546199）

為提高食糖品質和強化質量管理，原國家衛生和計劃生育委員會委托相關單位對“食糖衛生標準GB13104-2005”進行修訂，并于2015年5月24日頒布實施“食品安全國家標準食糖GB13104-2014”，將原有衛生標準上升為食品安全國家標準，在原有標準適用范圍基礎上增加了紅糖、方糖和冰糖各類指標檢測，增加了污染物限量標準和食品添加劑使用規定，其中分別執行GB2762和GB2760的最大殘留量和最大使用量。食糖GB13104-2014標準的頒布與實施，為科學綠色種植、安全高效管理生產工藝、推動技術進步及強化質量管理提供指導。傳統的分析方法操作繁瑣、分析時間長、消耗試劑藥品量多和嚴重滯后生產，同時分析方法的靈敏度和檢出限都受到限制，而現代分析儀器分析法具有分析速度快、準確度高、靈敏度高、多組分同時分析等特點[1]，成為糖品分析的主要發展方向和檢測手段。本文綜述了紫外-可見分光光譜法、近紅外光譜法、原子光譜法、氣相色譜法、高效液相色譜法、色譜質譜聯用等現代儀器分析技術在糖品分析中應用的研究進展。

1 糖品分析的特點

1.1 分析檢測貫穿整個生產加工流程

糖品分析的任務是對制糖工業生產中含蔗糖較多物料的研究分析，一般是指原材料（甘蔗、甜菜等）、半制品、成品和副產品的主要成分及含量分析，在工廠開機前和生產工藝流程中為了及時掌握與控制生產即時情況，比如開機前對甘蔗或甜菜原料進行品質檢測，通過檢測分析甘蔗或甜菜的生物性、金屬含量和農藥殘留來確定其質量是否符合生產的要求；生產流程中分析半制品中金屬、磷酸鹽、還原糖、總糖等，以便掌握生產情況為改進生產提供依據，比如生產過程中通過監控半制品中磷酸鹽含量，掌握蔗汁或甜菜汁澄清工藝，通過監控清凈工藝過程后糖汁中金屬Ca和Mg含量，降低成品糖灰分及廢蜜的產量來提高成品糖產率；成品出廠需對其進行相應的理化成份分析，以控制產品質量和掌握糖分損失情況，比如白砂糖中還原糖含量較高時，會降低其貯存性，成品出廠前需對其還原糖含量進行監測。可以看出糖品分析涉及到制糖工業中的每一個流程。

1.2 檢測種類和項目繁多

在糖品分析中需要檢測的種類有原材料、半制品、成品、副產品，而每一個種類下又分為不同的類別。原材料如甘蔗、甜菜，半制品如糖汁、糖漿、糖膏、糖蜜，成品如白砂糖、赤砂糖、紅糖、綿白糖、冰糖等，在不同工藝流程中針對不同樣品種類有著相應的檢測項目，比如白砂糖檢測項目包括色值、蔗糖分、還原糖分、重金屬污染物、農藥殘留、食品添加劑等分析項目。

2 傳統糖品分析技術現狀與不足

2.1 傳統糖品分析技術現狀

隨著社會發展和科技更新，食品安全問題已經成為當今世人關注的熱點和敏感點，食品安全的檢測方法也備受關注，糖品作為一類重要的食品其質量安全也成為關注熱點，而傳統的糖品分析技術主要有物理學檢驗法和化學檢驗法，其中物理檢驗法主要來檢驗糖品中以下物理參數如錘度、旋光度、視干物（固溶物）等，與糖品的組份及相關含量存在一定關系。化學檢驗法主要有滴定分析、比色法和質量分析3種方法，比如采用滴定分析測定還原糖分、蔗糖分、硫酸鹽和金屬元素含量等；采用比色法測定色值、磷酸值、二氧化硫和總砷含量等；采用質量分析測定鉀、鈉含量。

2.2 傳統糖品分析技術存在不足

傳統的糖品分析技術雖能分析檢測較多項目，但也存在以下定不足：一是傳統的化學分析法分析時間長，不便于實時指導工藝流程的改進，如采用質量分析測定糖品中鉀、鈉含量，操作過程中包含生成物溶解、過濾、蒸干、冷卻、稱重，單個樣品分析耗時長達6～8 h，當測定鉀的含量時用的亞硝酸鈷鈉試劑具有毒性，對操作人員和環境造成一定傷害和危害；二是儀器設備更新緩慢，不便于在線檢測；三是分析項目單一，不能實現多項目同時分析，造成藥品、時間、人力和物力浪費，如采用滴定分析測定糖品中總糖，此方法基于費林試劑與還原糖發生氧化還原反應測定還原性單糖和水解蔗糖的總量，由于此法的化學反應及顯色機理比較復雜，同時反應終點受空氣中氧氣干擾和水解過程中酸度、充分程度等因素影響，另外此實驗操作時間偏長和需要配制試劑種類多且復雜，分析人員必須嚴格控制分析條件才能獲得準確和可靠的測定結果，此法[2-3]對試劑配置、水解條件、操作人員和分析檢測環境要求較嚴格；四是檢測結果的準確度和精密度不夠，如經典蘭－艾農法[4]測定還原糖時終點顏色判定誤差、澄清劑、脫鉛劑、稀釋倍數、加熱溫度和沸騰時間等因素都會影響分析結果的準確度；五是分析方法、標準更新緩慢，糖品中各項目的分析檢測標準主要參考《食品安全國家標準》中的測定方法，但《食品安全國家標準》具體操作步驟和分析方法并不能完全適用于糖品分析，因此制定適用糖品分析的檢驗方法標準非常必要的。

3 糖品分析中常用的現代儀器分析技術

3.1 分子光譜分析技術

3.1.1 紫外-可見分光光譜法 紫外-可見分光光譜法基于分子（或離子）對紫外或可見光區輻射能的選擇性的吸收光譜，在一定波長處被測定的物質的吸光度與它的濃度呈線性關系，符合朗伯—比爾定律可進行定量分析。

近年來，紫外分光度法用測定糖品中還原糖、蔗糖[5]、色值[6]、二氧化硫[7]和磷酸鹽[8]，分光度法相對于滴定法和目視比色法，存在操作簡單、快速、準確度高的特點，同時避免了由于受背景顏色及個人對顏色的敏感程度不同造成準確度不高。如采用EDTA（乙二胺四乙酸二鈉鹽）-銅配合物測定還原糖的分光光度法，此方法相對于滴定法避免操作過程中反應終點的判定帶來操作誤差，此外該方法操作簡便、試劑易得、穩定性強和靈敏度高等優勢，適合工廠和普通實驗室長期大批量分析。

3.1.2 近紅外光譜法 近紅外光是介于可見光和中紅外之間的電磁波，其波長范圍為780～2 526 nm，近紅外光譜與有機分子中含氫基團（O-H、N-H、C-H等）振動的合頻和各級倍頻的吸收區一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息，這些含氫基團的特征性強，受分子內外環境的影響較小，廣泛用于定性和定量分析領域。

Brotherton 等[9]采用近紅外光譜法檢測分析原料蔗、原糖、甘蔗渣的品質成分，由偏最小二乘法建立的數學模型對多個品質成分的分析并取得很好的檢測效果。Schaffler等[10]利用近紅外光譜方法測定混合蔗汁和糖蜜的蔗糖分、葡萄糖、果糖、轉光度、錘度、灰分等項目，結果表明蔗糖分、葡萄糖、果糖、轉光度、錘度的準確度較高，但灰分的分析準確性相對于其他項目稍差。曹干等[11]以傅立葉變換近紅外光譜技術為基礎，采用偏最小二乘法建立了甘蔗蔗汁糖分、轉光度、錘度和還原糖分4個品質指標分析數學模型，測定結果有很高的準確性，在該類研究中為甘蔗品種選育和大田生產管理提供極大的方便，同時為糖廠甘蔗品質的管理、按質論價體系和在線分析的實現提供技術支持。Roggo等[12]采用近紅外法定量分析甜菜糖蜜和糖汁中的糖度、錘度、干固物、葡萄糖、鈉、鉀和氮的含量，測定結果表明近紅外法有很高的準確度。張翠等[13]建立了紅外光譜結合最小二乘法同時測定甘蔗渣中的水分和糖分，該方法不需要對樣品進行預處理，具有較好的重現性。黎慶濤等[14]采用近紅外在線分析儀，直接對傳送帶上的白砂糖進行掃描獲得光譜數據，測定白砂糖色值。王遠輝等[15]采用近紅外光譜法測定廢蜜錘度、蔗糖分和還原糖分，對廢蜜的近紅外光譜進行趨勢校正、標準正態變量變化和一次求導聯合處理，研究結果表明利用改進型偏最小二乘算法建立的模型效果最佳。Rodríguez-Zú?iga等[16]把近紅外技術應用到蔗渣化學成分的快速分析檢測中，實現同時對蔗渣中半纖維素、纖維素和木質素的快速檢測。綜上所述，近紅外光譜法具有樣品前處理簡單、無需化學試劑、環境污染小、分析速度快等優點，符合現代分析要求。為了簡化和優化該方法在糖品分析領域內的應用，可通過改進光譜預處理方法、完善建模方法、豐富計算方法、提高模型的可解讀性，以提高實際應用中定性和定量分析的效率[14-16]。

3.2 原子光譜分析技術

3.2.1 原子吸收光譜法 原子吸收光譜法是一種根據待測原子蒸氣中的基態原子對光源特征輻射譜線的吸收進行元素定量分析的方法。原子吸收光譜法在分析不同的金屬元素時選用不同的元素燈，提高了分析的選擇，共存元素對被測元素的分析基本不產生干擾，因而具有較高的精密度和準確度。

糖品中痕量金屬元素分析消解技術是分析過程中最關鍵的步驟，直接關系到分析方法的優劣。傳統消解技術濕法酸化消解[17]和干法灰化法[18]，濕法消解需要消耗大量的強酸，同時在濕法消化過程都為敞開模式導致某些元素氣化損失，這類方法的缺點是耗時長；干化法是利用高溫對樣品進行灰化分解，不適用易揮發的元素。針對傳統的消解技術缺陷，王軍等[18]建立微消解法處理甘蔗汁，同時比較微波消解法、干法消化、和溫法消化對蔗汁3種不同消化方法對測定結果的影響，研究結果表明微波消解法在對鐵的保留程度、消化液用量及消化時間三方面均優于傳統的干法消化和濕法消化法。Pohl等[19]使用固相微萃取結合原子吸收光譜法分析檢測了白砂糖中鈣、鉀、鎂和鈉的含量，該方法Ca、K、Mg、Na回收率97%～102%，回收率令人滿意，符合檢測要求。秦杰等[20]利用強酸在低溫加熱不完全消解法—高分辨連續光源石墨爐原子吸收光譜法測定蔗糖中鉛和鎘，通過加入磷酸二氫銨基體改進劑降低基體干擾，該方法樣品前處理耗時在20 min左右，大大加快樣品處理速度，其中鉛和鎘的檢出限為0.935 ng/mL和0.073 ng/mL，能滿足GB2762-2017規定鉛和鎘污染限量0.5 mg/kg指標要求，具有較高的應用價值。原子吸收光譜法中采微波消解法[18]和用固相萃取法[19]消解糖品相對于濕法酸化消解[17]和干法灰化法[18]，具有消解時間短、耗酸量少、目標分析項目回收率高和環境友好等優點，有利于生產線大批量即時分析和質量控制。

3.2.2 原子發射光譜法 原子發射光譜法是利用物質在熱激發或電激發下，每種元素的原子或離子在一定條件下受激發而發射特征光譜的波長及其強度，通過特征波長進行元素定性分析，光譜的強度進行元素的定量分析。每一種樣品一經激發光源激發，其中各種不同的元素都能發射出特征譜線，可以實現多元素同時定性和定量分析。

Allen等[21]采用電感耦合等離子體質譜法同時測定蔗糖中砷、鎘、銅、鉛和錫的含量，考查了開放式微波消化和封閉式微波消化兩種樣品前處理方式對測定結果影響，結果認為開放或封閉的容器消化都適用于測定鎘、銅和鉛，而封閉的容器消化更適用于測定砷和錫。王桂華等[22]利用電感耦合等離子體質譜法，監測廣東蔗區土壤重金屬元素的監測、測定廣東蔗區甘蔗中的稀土元素和測定甘蔗中25種元素，為掌握甘蔗原料的質量狀況、指導收購加工和提升食糖的質量水平起到積極的作用。原子發射光譜[21-22]在樣品前處理和測試過程中簡單，一次進樣可以同時測定多種元素，避免了原子吸收光譜中由于更換元素燈操作過程中帶來一些弊端，比如每次更換元素燈需對燈預熱、設置相關儀器參數和配制單一元素標準曲線溶液等操作，造成大量的試劑藥品、時間和人力的浪費。

3.3 色譜分析法

色譜法是利用通過流動相攜帶目標分析物進入色譜柱，利用混合物中各組分在流動相與色譜柱中固定相的分配系數、吸附能力、脫附能力等因素不同，當組分在兩相相對移動時，各組分在兩相中反復多次分配，產生明顯的分離效果，從而依次流出色譜柱進行分析檢測，根據色譜流出曲線給出的保留時間進行定性和峰高或峰面積進行定量分析。

3.3.1 氣相色譜法 氣相色譜法是用氣體作為流動相的色譜法，主要用于分析氣體和沸點低于450℃的各類混合物。采用氣相色譜測定食糖中果糖、α-葡萄糖、β-葡萄糖和蔗糖四種游離糖的含量，該方法相對于分光度法不受絡合劑用量、pH值和顯色反應環境等影響，具有專屬性高、選擇性強、靈敏度高、分析速度快等特點。高裕鋒等[23]建立了食糖中16 種常見的鄰苯二甲酸酯類物質的氣相色譜質譜（GC-MS）檢測方法，研究結果表明食糖樣品中鄰苯二甲酸酯的殘留量都比較低，在檢測的各種食糖種類中，方糖、單晶冰糖和多晶冰糖的檢出率較高，而這些產品屬于二次加工產品，導致殘留的主要因素是由于原料引入和新增加工過程造成污染物遷移，該方法為食糖質量安全溯源跟蹤提供參考。近年來，采用氣相色譜法測定糖品中農藥殘留已成為研究熱點之一[24-25]，這些研究方法根據待測目標物性質和實驗條件選擇不同的檢測器，通過采用不同的前處理方法從復雜基質樣品最大限度地提取待測目標物和降低基質干擾，提高分析方法的準確性和實用性[26]。

3.3.2 液相色譜法 液相色譜法是指流動相為液體的色譜技術，該方法已經成為分析復雜物質的有利武器，特別是在對熱不穩定、高沸點的有機化合物、天然產物及生化試樣的分析[27]。在制糖工業分析中測試結果不受樣品中色值、其他旋光性物質和還原性物質的干擾，特別適用于糖廠各工藝流程中各種糖類和相關產物的檢測。林月緒等[28]采用乙醇浸提法預處理甘蔗莖節得到提取液，通過高效液相色譜示差折光檢測法測定提取液中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量，該方法簡單快捷、靈敏度高、結果準確可靠，為對甘蔗品質鑒定、品種開發和種植提供重要的指導。張海殷等[29]采用液相色譜法標準加入法測定蔗糖生產過程中間制品蔗糖含量的測定，該方法為優化制糖企業工藝質量控制水平和提高生產效率提供了指導作用。袁建平等[30]建立高效液相色譜法測定糖液及非純糖液（如清汁、混合汁、糖漿及各種糖蜜）中5-羥基糠醛（5-HMF）的含量，研究結果表明隨著制糖工藝流程的進行，5-羥基糠醛在清汁、糖漿、原蜜和最終糖蜜的含量是不斷增大，由于糖液中5-HMF含量增大證明了糖液中的糖發生了降解反應，該方法為深入了解糖液中糖的降解過程及影響因素提供了一個快速靈敏的分析方法，為制糖生產中控制質量品質提供了依據。Polovkov等[31]采用高效液相色譜法分析了13種白砂糖和25種赤砂糖中5-羥基糠醛的含量，除了采用高效液相色譜法之外，馮紅偉等[32]采用紫外分光光度法測定了糖蜜中5-羥基糠醛含量，其中線性范圍為0～15 mg/L，檢出限為0.08 mg/L，該方法相對于高效液相色譜法其測定程序簡單且儀器設備費用較低，但其線性范圍窄于高效液相色譜法[30-31]。

高效液相色譜不僅應用在制糖工業流程監控，同時也應用到對制糖原料和糖品進行分析檢測，如污染成分、添加劑[33]和農藥殘留[34]。這些研究方法的建立為食品安全監督提供了技術支持，特別是Qian等[34]建立超高液相色譜串聯質譜測定甘蔗、甘蔗地、蔗糖及附近水環境中的丁噻隆的含量，深入研究了農藥殘留對人類日常飲食和生態環境的風險評價，為研究食品質量安全和環境評估提供參考。

3.3.3 離子色譜 離子色譜是液相色譜的一種，其工作原理是利用離子交換原理，利用不同離子在固定相親和力的差別來實現分離。離子色譜在糖品分析中應用主要分為兩類，一類是對糖品中陰陽離子[35]、無紫外吸光基團的糖化合物[36]和有機酸[37]的成分分析；另一類用來區分精制白糖原材料是來源于甘蔗還是甜菜[38]。離子色譜在測定還原糖時分離選擇性較高，相對于蘭-艾農法、蘭-艾農恒容法、奧夫納爾法3種滴定方法操作簡單，能準確定量各組分含量；同時離子色譜的電化學檢測器[36]靈敏度優于一般液相色譜中示差檢測器[28]和蒸發光散射檢測器[39]，前者檢出限達到μg/L級，而后兩種檢出限僅達mg/L級，可見采用離子色譜法測定糖品中無紫外吸光基團（果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖等）具有分離效果好、分析速度快、響應信號高和檢出限低等優勢。

4 前景與展望

通過對上述幾種現代儀器分析技術在制糖工業分析中應用進展的介紹，可以看出，現代儀器分析技術由于具有簡單、快速、無損[13]、環保、重現性好和專屬性高等特點，便于實現糖品的實時分析和制糖工業分析的在線檢測、過程分析和遙感監測[14-15，40-41]。紫外-可見分光光度法儀器價格較低、操作簡單和測定結果穩定性強，適用于連續不間斷的工業生產模式[41]；近紅外光譜技術測定過程因不需要對樣品進行前處理和可多組分同時定性、定量分析，為實現制糖產業中快速、便捷和在線檢測提供技術支持，但近紅外光譜技術依賴于化學計量學方法對樣品光譜進行預處理、建模及模型評價，因此改進光譜預處理方法、完善建模方法、豐富計算方法、提高模型的可解讀性，是推動近紅外光譜技術在糖品分析中廣泛應用的發展趨勢；原子吸收光譜和原子發射光譜分析技術由于技術成熟，已在制糖工業分析的金屬元素分析中發揮了重要作用，原子吸收光譜儀器價格相對于原子發射光譜較低，但原子吸收光譜必須用特征元素燈測定對應金屬元素，每測定一種金屬元素必須換相對應的元素燈不便用于多種元素同時分析，而原子發射光譜對于多種元素同時測定時具有較強優勢；色譜法中以氣相色譜、高效液相色譜和離子色譜為代表的色譜分析技術已經廣泛應用于制糖工業分析中工藝流程、原材料、半制品和制品分析檢測，如成分含量、污染物、添加劑和農藥殘留，氣相色譜[23-25]側重分析分離易揮發、沸點低、熱穩定性強的物質，液相色譜[28，33]不受樣品揮發性和熱穩定性的限制，可作為糖品分析的方法，而且為從糖品中提純和制備活性成分提供技術支持[42]。

隨著經濟發展和人民生活質量的不斷提高，世界各國對食糖的質量要求越來越高，因此建立和完善檢驗標準方法對保證我國食糖在生產安全、拓展市場和提高國際競爭力方面具有重要意義。現代分析儀器具有高效、無損、低耗、環保和智能的優點，便于實施在線檢測和多組分同時分析，逐漸成為制糖工業分析研究領域的主流技術。應用現代儀器分析技術對糖品進行分析檢測，不僅用于糖品中成分分析，又可以對其污染物和添加劑進行鑒定分析，保證了食糖產品的安全和生產流程高效運行，同時也為更新檢驗方法標準提供了依據。