食用明膠中微量鉻含量測定的方法研究

（廣西-東盟食品藥品安全檢驗檢測中心，廣西南寧530021）

鉻（chromium）廣泛存在于自然界中，人體中微量鉻對人的糖代謝、脂肪代謝、蛋白質及核酸的相互作用有著重要的影響，然而鉻的過度攝入會對人體造成危害[1]，國際癌癥研究機構（international agency for researchoncancer，IARC）已將六價鉻列為人類致癌物[2]。食用明膠（gelatin）是用新鮮動物皮骨提取的膠原蛋白質[3]，為淡無色至淡黃色薄片狀或粉粒狀末，無臭、無味，應用于食品工業作賦形劑、增稠劑，是食品工業廣泛應用的添加劑。人體如果攝入含鉻明膠，其中的六價鉻會引起細胞周期調控系統CDK6異常表達改變細胞周期和DNA相關修復過程從而引發腫瘤[4]。因此食用明膠鉻含量檢測已成為食品藥品檢測的一個重要指標。目前測定食用明膠中微量鉻的前處理方式主要有微波消解、濕法消解、干法灰化[5]；測定方法主要有原子熒光（atomic fluorescence spectrometry，AFS）法、原子吸收-石墨爐（graphite furnace atomic absorption apectrometry，GF-AAS）法和電感耦合等離子質譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）法[6-9]。目前國內相關標準如：GB 5009.123-2014《食品安全國家標準食品中鉻的測定》[10]及GB 5009.268-2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》[11]中已有關于鉻測定的方法，但由于食品基質的復雜性和鉻元素的化學特性，按標準操作會出現某些基質的樣品消解不徹底、儀器測定存在特殊干擾等情況，導致鉻測定的精密度低、準確度差。本研究擬采用3種樣品前處理方法及2種檢測儀器進行綜合全面的比較，以期確立一種快速、便捷、準確，適用于食用明膠中微量鉻的測定方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

900T原子吸收光譜儀：PerkinElmer公司；Icap Q電感耦合等離子體質譜儀：Thermo公司；Mars6微波消解儀：CEM公司；P330馬弗爐：Nabertherm公司；BHW-09C石墨電熱消解儀：北京博通公司；ML204電子天平（感量0.1 mg和1 mg）：Mettler Toledo公司；Milli-Q超純水儀：Millipore公司。

1.2 材料與試劑

食用明膠質控樣：編號T01530；鉻標準值范圍：380 μg/kg～719 μg/kg，中值：600 μg/kg，分析實驗室能力驗證 （food analysis performance assessment scheme，FAPAS）考核組織提供。

鉻標準溶液、鈧標準溶液：1 000 mg/L，介質為2%硝酸，美國O2SI公司；硝酸、氫氟酸：分析純，德國Merck公司；30%過氧化氫：優級純，廣東光華科技股份有限公司；氬氣：純度99.999%，廣西國信氣體研究有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 標準溶液配制

1）鉻標準使用液：將鉻標準儲備液用硝酸溶液（5+95）逐級稀釋至濃度為100 ng/mL。

2）鈧標準使用液：將鈧標準儲備液用硝酸溶液（5+95）逐級稀釋至濃度為10 ng/mL。

3）標準系列溶液的配制：分別吸取鉻標準使用液（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）稀釋至刻度，混勻。各容量瓶中每毫升分別含鉻 0、2.00、4.00、8.00、16.0 ng。由GF-AAS和ICP-MS分別吸取標準系列溶液進行測定。

1.3.2 樣品前處理方法

1.3.2.1 微波消解

準確稱取試樣約0.5 g（精確至0.001 g）于微波消解罐中，分別加入6 mL硝酸、4 mL硝酸和2 mL氫氟酸、4 mL硝酸和2 mL雙氧水，按照微波消解的操作步驟消解試樣（消解條件參見表1）。冷卻后取出消解罐，在電熱板上于140℃～160℃趕酸至0.5 mL～1.0 mL。消解罐放冷后，將消化液轉移至10 mL容量瓶中，用少量水洗滌消解罐2次～3次，合并洗滌液，用水定容至刻度。同時做試劑空白試驗、加標回收試驗和平行性試驗，微波消解程序見表1。

表1 微波消解儀工作條件Table 1 Working parameters of microwave digestion

1.3.2.2 濕法消解

準確稱取試樣約0.5 g（精確至0.001 g）于消化管中，分別加入6 mL硝酸、4 mL硝酸和2 mL氫氟酸、4 mL硝酸和2 mL雙氧水，在可調式電熱爐上消解（升溫程序：120℃保持0.5 h、升溫至180℃2 h、升溫至200℃）。若消化液呈棕褐色，再加硝酸，消解至冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色，取出消化管，冷卻后用水定容至10 mL。同時做試劑空白試驗、加標回收試驗和平行性試驗。

1.3.2.3 干法灰化

準確稱取試樣約2 g（精確至0.001 g）于30 mL坩堝中，置于馬弗爐中，于550℃恒溫3 h～4 h，至試樣呈白灰狀，取出冷卻，用硝酸溶液（1+1）溶解并用水定容至10 mL。同時做試劑空白試驗、加標回收試驗和平行性試驗。

1.3.3 測定方法

1.3.3.1 原子吸收-石墨爐法（GF-AAS）

鉻元素原子化溫度高，經對比，食用明膠的測定即使不加基體改進劑，原子化過程中也不會出現干擾，因此選擇不使用基體改進劑以獲得更高的靈敏度。測定波長：357.87 nm；狹縫寬度：0.7 nm；燈電流：5 mA；進樣體積：20 μL；背景扣除：塞曼扣背景；GFAAS工作參數見表2。

表2 GF-AAS主要工作參數Table 2 Main operating parameters of GF-AAS

1.3.3.2 電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）

鉻同位素有50Cr、52Cr、53Cr、54Cr，其中52Cr天然豐度最高且干擾較低，選為待測同位素。52Cr主要的多原子離子干擾為40Ar12C+、36S16O+、38Ar14N+、36Ar16O+，使用動能歧視型碰撞池（kinetic energy discrimination，KED）模式，通入氦氣作為碰撞氣，能有效減少干擾。ICP-MS測量過程中，被測元素的信號受樣品溶液中共存元素或基體元素的影響，引起被測物信號的增強或減弱的現象，稱之為抑制或增敏效應[12]。抑制或增強效應可通過內標法進行校正，使用10 ng/mL的鈧（Sc）作為內標元素可以減少這些干擾及儀器各種條件的波動帶來的影響，ICP-MS工作參數見表3。

1.3.3.3 鉻含量計算公式

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

式中：X為樣品中鉻的含量，μg/kg；Cx為樣品溶液中鉻的質量濃度，ng/mL；C0為空白溶液中鉻的質量濃度，ng/mL；V為樣品溶液定容體積，mL；m為樣品稱樣量，g。

2 結果與分析

2.1 不確定度分量來源的分析

GF-AAS法及ICP-MS法測定明膠鉻含量的不確定度的主要來自：標準曲線擬合計算濃度過程；樣品重復性測定次數；樣品的處理過程；標準溶液的配制過程[13]；分析儀器的相對不確定度。

2.2 樣品測定結果分析

本文比較了3種不同的消解方式，結果見表4和表5。

表4 GF-AAS測定鉻結果Table 4 GF-AAS results of chromium

由表4和表5可知，干法灰化法在樣品經馬弗爐灰化后加酸溶解并轉移的過程中，易造成鉻元素損失；濕法消解耗時長且消解不夠徹底；微波消解耗時短且消解效果好，平行樣精密度高。研究了不同的酸體系的消解效果，結果表明，硝酸-過氧化氫體系消解效果最佳，過氧化氫能夠使樣品消解液更澄清透亮，起到氧化脫色作用，羥自由基同時也更利于有機物的分解，從結果來看該消解體系得到的樣品溶液測定結果精密度最高，也接近質控樣的標準值；而硝酸-氫氟酸體系消解過程中引入氟離子，在趕酸過程中即使加入高氯酸也較難將氟趕盡，在高氯酸趕F的操作中，時間不易控制，時間不夠或過長均會導致鉻測定結果的偏高或偏低[14]，效果不理想。此外，還比較了不同的儀器，對同一消解方式的測定結果：鉻是高溫元素，在原子化溫度（橫向加熱）高達2 300℃時，干擾極少，原子吸收-石墨爐測定的結果比較穩定，而電感耦合等離子體質譜測定鉻時，鉻易被同質荷比的多原子離子干擾，開啟碰撞模式消除這類干擾則使靈敏度下降，導致測定結果穩定性較原子吸收-石墨爐法差。

表5 ICP-MS測定鉻結果Table 5 ICP-MS results of chromium

2.3 標準曲線測定結果

鉻標準曲線測定結果見圖1，圖2。

圖1 GF-AAS標準曲線圖Fig.1 GF-AAS calibration curve

2.4 檢出限

GF-AAS和ICP-MS的儀器檢出限均采用純水連續11次測定鉻信號值的3倍標準偏差所相當的鉻濃度，再經過稀釋倍數和取樣質量及單位轉換系數的換算，得到對應方法檢出限GF-AAS法：0.01 mg/kg；ICPMS法：0.006 mg/kg，均能很好地滿足試驗靈敏度需求。

圖2 ICP-MS標準曲線圖Fig.2 ICP-MS calibration curve

2.5 回收率試驗

按照不同前處理方法分別稱取試樣，向其中加入與稱取試樣鉻含量接近的鉻標準溶液，分別按照相應的前處理方法制備得到回收率試樣待測液，供GFAAS及ICP-MS測定，得到不同前處理條件下的試樣回收率，回收率見表6、表7。

表6 GF-AAS加標回收率Table 6 GF-AAS spike recovery

表7 ICP-MS加標回收率Table 7 ICP-MS spike recovery

綜合比較表6、表7中回收率情況，可以看出干法回收率略低，各種酸體系的微波消解和濕法消解所得回收率測定液，在GF-AAS和ICP-MS中測得回收率結果均比較滿意。

2.6 精密度試驗

按照2.2中微波消解（體系1～體系3）、濕法消解（體系1～體系3）、干法灰化的7種前處理方式，各取7份平行樣進行前處理，所得7組待測樣品溶液分別在GF-AAS和ICP-MS上進行精密度測定，結果表明相比較于其他前處理方法，硝酸-過氧化氫體系—微波消解這一前處理方法所得的結果精密度最好，在GFAAS上測得RSD=1.7%，在ICP-MS上測得RSD=2.6%，試驗數據詳見表8、表9。

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

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

2.7 重現性

取同一食用明膠質控樣，在不同的實驗室設備條件下，由不同的人員按照同樣的方法操作（試驗2），得到的鉻測定結果與原測定結果（試驗1）對比見表10、表11。

表10 GF-AAS測定鉻結果Table 10 GF-AAS results of chromium

表11 ICP-MS測定鉻結果Table 11 ICP-MS results of chromium

3 結論與討論

硝酸-過氧化氫體系-微波消解-原子吸收-石墨爐這一測定方法，樣品消解效果最好，平行樣測定結果精密度最高，所得結果較接近標準物質鉻含量的標準值，加標回收測定結果最為滿意。如不加過氧化氫溶液，從濕法消解結果及ICP-MS測定結果看來，精密度、偏離標準值、加標回收率等方面結果較差。

本研究經過多方面對比，樣品使用硝酸-雙氧水消解體系進行微波密閉消解并采用原子吸收-石墨爐法測定食用明膠中微量鉻，靈敏度高、精密度高、準確度好、重現性好、回收率高，質控樣測定結果接近其中值，是適合用于明膠中微量鉻測定的較好的方法。