牛乳中主要元素檢測方法的研究進展

于海洋，接偉光，姜怡彤，姚延軒，肖光輝

（黑龍江東方學院食品與環境工程學部，黑龍江哈爾濱150066）

隨著乳品行業的發展，牛乳及其乳制品已逐漸成為市場主流的健康食品。牛乳是一種天然的保健食品，是人體內必需元素的主要營養來源，對人體的健康發育起著重要的促進作用[1-2]。牛乳及其乳制品的安全檢測是乳品行業發展的重中之重，而牛乳中多元素檢測更是乳品行業安全檢測中的重要一塊，因此，選擇一種快速、準確、安全的多元素檢測技術對于牛乳中元素含量控制具有重要意義。然而，在2013年，某檢測機構對97批次的牛乳制品進行全項檢測，結果發現微量元素超標超標比例占13%[3]。因此，檢測并控制好牛乳及其乳制品中各種元素的含量是有效保證其質量與安全生產的前提。

1 牛乳中的主要元素

牛乳中包括 K、Ca、Cu、Mn等多種有益元素，對改善人體亞健康狀態具有良好的作用。此外，牛乳中還可能存在一些有害的微量重金屬元素，對人們的健康產生威脅[4]。這主要取決于它們的濃度，如汞、鉛等在安全濃度范圍內則不會對人體產生嚴重危害，然而，一些必需微量元素如果超過了安全范圍也會對人體產生不利影響。因此，在牛乳的檢驗過程中要嚴格的執行國家標準，保證每種元素的含量都符合標準。牛乳中多種元素的檢測方法以及標準如表1所示。

表1 牛乳中多種元素的檢測方法Table 1 Detection of a variety of elements in milk

2 牛乳中多種元素的檢測方法

牛乳中多種元素的檢測方法主要包括和電感耦合等離子質譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）、酶抑制法（enzyme inhibition method，EIM）、免疫分析法（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）等多種方法，每種方法在實際應用中各有特色。從原理、特點和實際應用3個方面分別對每種方法進行描述，旨在為牛乳及其乳制品中多種元素檢測方法的未來研究和發展提供參考。

2.1 電感耦合等離子質譜法

電感耦合等離子質譜法（ICP-MS）[5]是將試樣消解后，由電感耦合等離子體質譜儀測定，以元素特定質量數（質荷比，m/z）定性，采用外標法，以待測元素質譜信號與內標元素質譜信號的強度比與待測元素的濃度成正比進行定量分析的一種方法。ICP-MS是20世紀80年代發展起來的一種新的元素檢測技術[6]，具有靈敏度高、檢出限低、可進行多種模式的分析、線性范圍寬等多種優點[7-9]。它以獨特的接口技術將ICP的高溫電離特性與四極桿質譜計的靈敏快速掃描的優點相結合，能夠同時分析元素周期表中幾乎所有的元素，該技術已廣泛應用于食品領域[10]。尤其是在牛乳及其乳制品檢測方面取得了巨大的進步，對于高含量元素，其檢出限可達到10-3μg/mL[11]。Jeong等[12]通過電感耦合等離子質譜法對市售的幾種酸奶進行元素測定，證明Cu和Mn在水果混合型酸奶中的含量相對較高。

2.2 酶抑制法

酶抑制法（EIM）是利用酶的功能基團受到某種物質的影響，從而導致酶活力降低或喪失作用的方法。EIM由于具有成本低、操作簡單、現場快速檢測等優點已被廣泛應用[13]。目前，研究者們通過酶抑制法對酶的活性以及反應兩方面進行了研究[14]。常用的酶有脲酶、丁酰膽堿脂酶和異檸檬酸脫氫酶等，其中，最常見的是脲酶[15]。生物傳感器是酶抑制檢測方法的主要手段之一，能在復雜的體系中進行快速在線監測，己被廣泛應用于多種領域。Tadeusz等[16]研制的酶傳感器檢測Hg離子，使無機汞的檢測范圍低于1.00 μmol/L。Shi等[17]研制了利用脲酶抑制法制成的試紙條，具有快速檢測的作用。Compagnone等[18]利用氧化酶傳感器來測定重金屬離子，發現Hg2+對酶活性的抑制最為明顯，可使Hg2+測定范圍達到0.05 mg/L～0.5 mg/L。Renbing Shi等[19]在帶有電位檢測的流動注射分析（flow injection analysis，FIA）系統中利用固定化脲酶膜反應器測定痕量汞，Claudia等[20]研制了一種裝有游離脲酶的便攜式比色皿能用來檢測重金屬離子。

2.3 免疫分析法

免疫分析法（ELISA）是指利用抗原與抗體間的識別作用來檢測多種物質的分析方法[21]。牛乳中的重金屬免疫學檢測方法是通過制備重金屬的特異性抗體，利用抗原-抗體準確、快速的反應機制來達到預期的目的。抗原是能夠引起免疫反應的分子，它是形成特異性免疫反應的必備條件，而抗原和抗體的制備則是免疫分析的關鍵過程[22]。免疫分析法具有應用廣泛、價格便宜、現場檢測快速方便等優點[23]。20世紀60年代，Yalow等[24]創立了放射免疫分析（radioimmunoassay，RIA）技術，使其所能測得的最小濃度達到10-12g/mL水平。1977年，Halmann等[25]發明了具有特異性強、線性范圍寬等優點的化學發光免疫分析法（chemiluminescence immunoassay，CLIA）。

2.4 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法（atomic absorption spectroscopy，AAS），又稱原子分光光度法，是基于待測元素的基態原子蒸汽對其特征譜線的吸收，由特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度對待測元素進行定性定量分析的一種儀器分析的方法[26]。該方法具有精度好、選擇性高、測定元素種類多等特點，已被廣泛應用于食品中重金屬元素的測定[27-28]。原子吸收光譜法分為石墨爐原子吸收光譜法、火焰原子吸收光譜法、氫化物原子吸收光譜法，每種方法都有各自的優缺點[29]。

2.4.1 石墨爐原子吸收光譜法

石墨爐原子吸收光譜法（graphite furnace atomic absorption spectroscopy，GFAAS）[30]是利用石墨材料制成管、杯等形狀的原子化器，用電流加熱原子化進行原子吸收分析的方法。該方法可使待測樣品全部原子化，避免原子濃度在火焰氣體中的稀釋，使得分析靈敏度得到了顯著的提高，并在測定痕量金屬元素時，能直接分析固體樣品[31-33]。烏尼爾等[34]通過對石墨爐原子吸收儀器工作參數進行優化，使得牛乳及其乳制品中Cr的檢出限可達到0.2 μg/L，回收率≥90%，相對標準偏差＜3%。

2.4.2 火焰原子吸收光譜法

火焰原子吸收光譜法（flame atomic absorption spectroscopy，FAAS）是由儀器從光源輻射出具有待測元素特征譜線的光，通過試樣蒸氣時被蒸氣中待測元素基態原子所吸收，由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素的含量。試樣在火焰中的原子化程度與溫度有關，過低的溫度會導致被測元素不能充分分解成基態原子，溫度過高則會引起基態原子電離，降低靈敏度。為了改善FAAS的靈敏度，擴大其應用范圍，FAAS通常與多種技術相連用。原子捕獲技術[35]是改善火焰原子光譜靈敏度的一種新技術，它可以使待測原子在火焰中進行濃縮，以改善其靈敏度。孫漢文等[36]提出基于測定信號隨時間變化的新型導數測定技術，實現了原子光譜法靈敏度的顯著提高。朱偉軍利用自制的石英縫管捕集裝置測定了水中的微量鎘，使其靈敏度提高了近61倍[37]。

2.4.3 氫化物原子吸收光譜法

氫化物原子吸收光譜法（hydride generation atomic absorption spectroscopy，HGAAS）是利用選擇性的化學還原反應，將預處理液中的待測元素還原成揮發性的共價氫化物，借助載氣氣流將其導入原子光譜分析系統進行定量測定的一種方法[38]。HGAAS作為一種高效分離富集技術，適用于 As、Bi、Sn、Ge、Hg 等能與氫化物發生反應的多種元素，可將檢測限降低至ng/mL級的濃度[39]。Wilhelm等[40]使用HGAAS法測定了乳制品中的汞和砷含量，方法定量限分別為0.1 μg/kg和1.5 μg/kg。

2.5 中子活化分析法

中子活化分析法（neutron activation analysis，NAA）是以一定能量和流強的中子轟擊試樣中元素的同位素發生核反應，通過測定產生的瞬發伽瑪或放射性核素衰變產生的射線能量和強度，進行物質中元素的定性和定量分析。中子活化分析法具有靈敏度高、準確度和精密度極佳、無需定量分離、基體效應小等優點[41]。Wasim等[42]通過利用中子活化分析儀和AAS兩種儀器相配合的方法檢測鮮巴氏牛乳中多種元素，結果表明，新鮮的巴氏牛乳中含有較為豐富的Ca、Mg、Zn等元素，所測結果的平均相對標準偏差為7%。Gill等[43]通過標準物質驗證的方法證明中子活化分析法適用于人乳中Zn、Fe等微量元素的檢驗，檢出限可以達到 0.05 ng/mL～50.00 ng/mL。

2.6 溶出伏安法

溶出伏安法（stripping voltammetry，SV）又稱反向溶出極譜法，這種方法是使被測的物質，在待測離子極譜分析產生極限電流的電位下電解一定的時間，然后改變電極的電位，使富集在該電極上的物質重新溶出，根據溶出過程中所得到的伏安曲線來進行定量分析。溶出伏安法具有結構簡單，易操作、應用范圍廣和靈敏度高等優點，適于痕量金屬的形態分析，是近年來發展最快的方法[44]。朱浩嘉等[45]發現，采用同位鍍汞的方式同時測定牛乳中Cd、Pb、Cu 3種金屬元素，檢出限為 0.1 μg/L～100.0 μg/L，加標回收率≥98.0%，檢測效果良好。研究表明[46]在0.1 mol/L的NaNO3總離子強度調節緩沖劑中，采用鉛離子電極直接比較法對飲料中的鉛進行測定，檢出限為1.2×10-8mol/L。Ahmad Rouhollahi[47]采用PVC膜電極測定水中的鉛，線性范圍低至 1.0×10-2mol/L。

2.7 原子發射光譜法

原子發射光譜法（atomic emission spectrometry，AES）又稱光發射譜法或光譜分析法，是一種測定物質元素的組成和含量的分析技術。其原理是根據待測物質在高溫下，分解形成的原子或離子所發射的特征光譜的波長及其強度來對各種元素進行定性和定量分析的方法。該方法具有多元素同時檢出、分析速快、選擇性好、檢出限低、標準曲線線性范圍寬、樣品消耗少等等多種優點。而且AES能夠和多種技術聯用，其中，電感耦合等離子體原子發射光譜法（inductive coupled plasma-atomic emission spectroscopy，ICP-AES）是 AES技術延伸結合的一種新型常用技術，其基礎理論研究主要涉及ICP放電熱平衡性質、離子布居特征、激發電離機理以及基體效應等方面[48]。ICP放電過程中，少數偏離熱平衡程度部分隨等離子體的工作參數而變，但在傳統氬氣電感耦合等離子體（ar-inductive coupled plasma，Ar-ICP）技術下，等離子體放電偏離LTE狀態基本屬于部分局部熱平衡[49]。有研究論述了等離子體發射光譜中易電離元素對溶液和懸浮液質量傳輸效率的影響[50]。Dubuisson等[51]比較了軸向觀測和徑向觀測ICP-AES的信背比和基體效應。Nascimento等[52]采用 ICP-AES同時檢測乳制品中的 K、Na、Ca、Mn等多種元素，結果表明，加標回收率超過80%，相對標準偏差低于3.3%。

2.8 原子熒光光譜法

20世紀60年代，Winefordner等首先提出原子熒光光譜法（atomic fluorescence spectrometry，AFS）作為一種新的痕量分析化學方法[53]。它是介于原子吸收光譜和原子發射光譜之間的一種利用受激原子在去激發過程中發射的特定波長的原子熒光進行元素定量分析的一種方法。AFS具有靈敏度高、儀器結構簡單和可多元素同時分析等優點，尤其是在砷、鉛等重金屬檢測方面[54]。在1974年，Tsujiu等[55]將原子熒光光譜和氫化物氣體分離技術相結合測定砷元素。有報道稱氫化物發生－原子熒光光譜法是測量礦物質砷的有效方法之一，原子化效率接近100%[56]。Cava-Montesinos等[57]采用同樣的方法檢測牛乳中的Se元素，檢出限達到 0.005 μg/L。

3 展望

隨著乳品行業的不斷發展，人們健康意識的不斷提高，牛乳及其乳制品逐步成為人們生活中必不可少的健康食品。牛乳中富含多種微量元素和常量元素，對嬰幼兒和成人的生長發育起著至關重要的作用，因此，選擇一種準確、穩定的元素檢測方法顯得尤為重要。牛乳中多元素檢測方法主要包括電感耦合等離子質譜法（ICP-MS）、酶抑制法（EIM）、免疫分析法（ELISA）、原子吸收光譜法（AAS）、中子活化分析法（NAA）、溶出伏安法（SV）、原子發射光譜法（AES）、原子熒光光譜法（AFS）等方法，每一種方法都有特殊的應用價值，其中，電感耦合等離子質譜法因其準確性高、能夠同時分析元素周期表幾乎所有元素等優點被廣泛應用于食品檢測行業，是目前檢測牛乳中多元素最常用的一種方法，具有廣泛的發展前景。