食品及食品添加劑中不可溶性硅檢測方法的研究

高喜鳳，劉艷明，陳曉媛，張喜琦，董瑞，程月紅，崔玉花

（山東省食品藥品檢驗研究院，山東 濟南 250101）

硅是人體必需微量元素之一，它能使人體保持柔韌性和彈性，促進骨骼的生長，具有維持動脈壁彈性和保護內壁膜的作用，如果人體的硅攝入量不足，會導致生長遲緩、器官萎縮、骨骼畸形，在膳食中保持一定量的硅元素的攝入，有助于延長機體的衰老，延長壽命。但是如果人體內硅元素含量過高，就會引發高硅癥，影響腎臟等器官的正常工作，并且含硅類的食品添加劑如二氧化硅、滑石粉的過量添加將會對人體胃腸道細胞產生一定毒性，長期過量食用有一定的致癌性。因而測定食品及食品添加劑中的硅含量有著重要的意義。硅分為可溶性和不可溶性的，可溶性的硅種類較少、含量低且容易檢測，而不可溶硅多以二氧化硅及硅酸鎂、硅酸鈣等硅酸鹽形式存在。二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等由于它們均具有顆粒細微、松散多孔、吸附力強、易吸附導致形成分散的水分、油脂等性質，因此常做為抗結劑用于食品中，用來提高粉狀食品的流動性防止其聚集結塊或改善干燥粉末在液體里的擴散性能[1-2]，我國國家標準GB 2760-2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》中規定了二氧化硅、滑石粉（其有效成分為硅酸鎂）在允許添加的食品中的最大使用限量[3]，因而檢測其中的不可溶性硅，可以積累數據，為食品監管提供數據支持。由于硅性質的特殊性，使得二氧化硅、硅酸鎂、硅酸鈣等性質穩定，不與一般的酸反應，因而不可溶性硅的檢測成為食品研究的難題。

目前我國針對食品及食品添加劑中不可溶性硅的檢測方法非常少，由于不可溶性硅的有效成分主要是二氧化硅，因而最常見的不可溶性硅的研究多為二氧化硅，劉君子[4]、盧華衛等[5]均采用了離子色譜法，由于此方法前處理操作步驟繁瑣，檢驗成本較高，不適用于大批量食品的檢測。其他現有的檢測方法大多是測定礦石中的二氧化硅，多采用灼燒法、分光光度法、電感耦合等離子體發射光譜法等測定[6-14]，但是前兩種方法操作繁瑣、分析周期長、容易受樣品基體的干擾，準確度低，不適用于低含量硅的測定。而電感耦合等離子體發射光譜法分析速度快，時間分布穩定，準確度高，線性范圍寬的優點，使其逐漸取代前兩種方法，成為二氧化硅的主要檢測方法。但是由于食品及食品添加劑與礦石的基體差別很大，基體復雜干擾因素多，因此電感耦合等離子體發射光譜法測定礦石的方法不適用于食品及食品添加劑的測定。

因此尋找一種準確度高、操作簡便的測定方式是非常有必要的。基于以上現狀本研究開發了一種測定食品及食品添加劑中不可溶性硅的新方法，解決了不可溶性硅難消化處理的難題，為食品監管提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

Optima 8000 電感耦合等離子體發射光譜儀：美國PerkinElmer 公司；Mars 6 微波消解儀：美國CEM 公司；AdvantageA10 超純水機：美國密理博公司；硝酸、鹽酸、氫氟酸、30%的過氧化氫、氫氧化鉀（均為優級純）：上海國藥集團生產；氫氟酸、氫氧化鉀：天津科密歐公司；中國計量科學院的硅標準溶液1 000 μg/mL。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

稱取0.5 g 左右樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過氧化氫進行微波消解，設定微波消解程序，見表1，消解完畢后將罐內液體和固體殘渣完全轉移到定量濾紙上，過濾，水洗。將濾紙及殘渣放入聚四氟乙烯消解罐中，加入7 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL氫氟酸微波消解，設定微波消解程序見表2，消解完畢后，向溶液中加0.1 g 氫氧化鉀反應完畢后將待測溶液轉移定容至50 mL 塑料容量瓶中。

表1 微波消解程序1Table 1 Microwave digestion procedure 1

表2 微波消解程序2Table 2 Microwave digestion procedure 2

1.2.2 儀器工作條件

儀器工作參數為功率：1 500 W，等離子體流量：10 L/min，霧化器流量：0.55 L/min，輔助氣流量：0.2 L/min，進樣延遲：45 s（如選用自動進樣模式延遲改為60 s），選取251.611 nm 做為分析譜線進行測試。

1.2.3 標準溶液工作曲線

用5%的硝酸、2%鹽酸、1%氫氟酸（體積分數）溶液逐級稀釋硅的標準溶液1 000 μg/mL，配制成濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、10.0 μg/mL 的一系列標準工作溶液。R2=0.999 645，表明在 0.1 μg/mL～10.0 μg/mL范圍內呈良好線性關系。標準溶液工作曲線見圖1。

2 結果與分析

2.1 消解溫度的選擇

試驗選取了一種食品添加劑滑石粉，考察了從25 ℃到200 ℃的消解溫度，對硅回收率的影響如圖2所示。

圖2 不同消解溫度對不可溶性硅測定的影響Fig.2 Effects of different digestion temperatures on the determination of insoluble silicon

從圖2中可以看出消解溫度較低的情況下，樣品消解不完全，回收率低，當消解溫度達80 ℃以上時，回收率達到較為理想的要求，但是實際試驗過程中需要消解濾紙，消解溫度達150 ℃以上，濾紙及過濾后的殘渣才能消解徹底完全，溶液呈現無色透明狀，但是消解溫度過高對微波消解儀及罐體損害較大，且硅可能會有損失，所以最終確定消解溫度為150 ℃。

2.2 前處理方式的選擇

2.2.1 分步消解體系的選擇

2.2.1.1 基底效應試驗

本試驗各隨機選取了掛面、小麥粉、嬰幼兒米粉、奶粉、復配食品添加劑各6個分別稱取0.5 g 左右于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL 硝酸、1 mL 過氧化氫按照表1中設定的程序進行微波消解，消解完畢后用超純水定容至50 mL 塑料容量瓶中待用，電感耦合等離子體發射光譜儀上機測定，發現試樣中硅的含量掛面為30.01 mg/kg～43.43 mg/kg，小麥粉為11.65 mg/kg～32.46 mg/kg，嬰幼兒米粉為7.418 mg/kg～14.17 mg/kg，奶粉為7.879 mg/kg～20.63 mg/kg，復配添加劑為9.665 mg/kg～51.28 mg/kg。由此可見食品及食品添加劑中含有由此可見食品及食品添加劑中含有可溶性硅元素，因而需要分步前處理去除，進而進行食品及食品添加劑中不可溶性硅的測定。

2.2.1.2 酸體系的選擇

在微波消解的高溫高壓條件下，硝酸、過氧化氫能夠氧化分解樣品中的有機物，將不可溶性硅與其他可溶性的硅分離開來，硝酸-鹽酸-氫氟酸的酸體系中，氫氟酸溶解不可溶性硅，硝酸用于氧化分解濾紙等物質，而鹽酸的存在可以加速反應的進行。消解完畢后在消解液中加入氫氧化鉀用于中和一部分酸，降低酸度對儀器的損害。

2.2.2 消解方式的選擇

由于文獻報道的不可溶性硅的前處理方法多為堿融的方法，本研究以不可溶性二氧化硅為例選取0.5 g 含有二氧化硅試樣在進行第一步硝酸-過氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后分別進行堿融后加酸微波消解和直接加酸微波消解的方式進行前處理比對，堿融的具體操作步驟為過濾后濾渣加入0.1 g 氫氧化鉀，鎳坩堝 200 ℃熔融 20 min，用 8 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸洗滌轉入聚四氟乙烯消解罐中，按照表2的微波消解程序進行微波消解，消解完畢后轉移定容至50 mL 塑料容量瓶。發現堿融的回收率為88.4%～95.7%，滿足GB/T 27404-2008《實驗室質量控制規范食品理化檢測》對于加標回收的要求[15]，可做為不可溶性硅的檢測方法，但由于堿融方法操作較為復雜繁瑣，容易損失，不適用于大批量樣品的測定，因此本試驗選取直接加酸微波消解的方式做為不可溶性硅的測定方法，堿融方法可以做為食品及食品添加劑中不可溶性硅測定的比對方法。

2.2.3 酸使用量的優化

本酸體系中，氫氟酸做為反應物，鹽酸、硝酸做為溶劑消化分解樣品中的有機物及雜質同時加速反應的進行，根據微波消解罐的容量及盡可能降低酸度對儀器損害的要求，酸的總量控制在15 mL 以內，以稱樣量0.5 g，樣品中不可溶性硅（以硅計）含量在1 000 mg/kg左右為例，本試驗考察氫氟酸使用量對硅測定的影響，如圖3所示。

圖3 氫氟酸的加入量對不可溶性硅測定的影響Fig.3 Effects of the addition of Hydrofluoric acid on the determination of insoluble silicon

從圖3中可以看出氫氟酸在2 mL 以上不可溶性硅已經能夠完全反應，考慮實際有些樣品中不可溶性硅的含量可能更高些，故選取氫氟酸3 mL，此時硝酸與鹽酸的量能把濾紙及殘渣消化掉。

2.2.4 溶解二氧化硅能力的試驗

由于不可溶性硅的有效成分主要為二氧化硅，本試驗以二氧化硅為例，考察本文所采用的方法溶解二氧化硅的能力。稱取0.5 g 奶粉，添加不同質量的二氧化硅用硝酸-過氧化氫體系微波消解前處理除去可溶性硅后，加入7 mL 硝酸、5 mL 鹽酸、3 mL 氫氟酸微波消解，其回收率見圖4，可以認為該酸體系能完全溶解二氧化硅質量的上限為60 mg。以稱取0.500 0 g 干樣品計，可測定干樣二氧化硅含量的上限為120 g/kg，以稱取2.000 g 濕樣品計，可測定二氧化硅的含量上限為30 g/kg。若二氧化硅含量超過測定上限，則需要減少稱樣量重新消解樣品再測定。

圖4 溶解二氧化硅能力的試驗Fig.4 Testing on dissolution of silicon dioxide

2.3 分析線的選擇

在電感耦合等離子體發射光譜法分析中，分析譜線的選擇對于樣品分析結果的準確性和精密性有著重要的影響[16-18]，本試驗選擇3 條硅元素較靈敏譜線，其波長分別為 212.412、251.611、288.158 nm，以 4.0 μg/mL的硅標準溶液作為測試液，在儀器最佳條件下，觀察各譜線的干擾和背景影響情況，選擇其中峰形窄、干擾少、背景值低、信噪比高的譜線251.611 nm 做為分析譜線進行測試。

2.4 方法檢出限

在優化試驗條件下，對方法的檢出限（method detection limit，MDL）進行了測定，即空白樣品進行 12 次測量的標準偏差的3 倍所對應的濃度，結果表明以硅元素計的檢出限為0.24 mg/kg。

2.5 加標回收及精密度試驗

選取兩種不同食品試樣及滑石粉標準物質進行檢測分析及添加不同水平的二氧化硅進行加標回收測定，試驗結果見表3和表4。結果表明乳粉的加標回收率為91.0%～102.9%，稻米的加標回收率為93.8%～106.2%，滑石粉的加標回收率為92.7%～105.6%，相對標準差（relative standard deviation，RSD）為 4.76%，相對偏差為-1.89%，均滿足GB/T 27404-2008 對于加標回收的要求，由此可見此方法測定二氧化硅的精密度好、準確性高，即本方法測定食品及食品添加劑中不可溶性硅精密度好、準確性高。

表3 不同水平的加標回收測定實驗數據Table 3 The experimental data of different spiked recoveries

表4 精密度和準確度試驗數據Table 4 The experimental data of precision and accuracy

3 結論

通過對不同種類的食品及食品添加劑進行了不可溶性硅檢測方法的研究，建立微波消解體系下的電感耦合等離子體發射光譜法檢測方法。電感耦合等離子體發射光譜法測定不可溶性硅硅具有分析用時短、準確度高、靈敏度高、檢出限低等優點，采用微波消解的方法進行前處理，微波能穿透聚四氟乙烯消解罐對樣品進行加熱，密閉的消解罐中，壓力大、消解速度快、消解效果好，回收率高，不同酸體系消解能夠扣除可溶性硅本底的影響，從而使檢測數據更加準確可靠，消解后溶液加入氫氧化鉀能夠中和部分酸，減少大量酸對儀器的損害。此方法適用于食品以及食品添加劑中不可溶性硅的測定，從而為食品及食品添加劑的市場監督與監管提供理論依據與技術支持。