電化學分析法快速測定食品中的呋喃

柴曉玲，郝雅茹，李書國*

（河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

呋喃是最簡單的含氧五元雜環化合物，具有親脂性和高度揮發性（沸點31.4 ℃），另有弱刺激和麻醉作用，是具有代謝毒性、生理毒性和基因毒性的潛在致癌物。2004年，美國食品藥品監督管理局和歐盟食品安全局（EU Food Safety Authority，EFSA）先后從各類經過加熱處理的食品中發現了污染物呋喃[1-3]。相關報道發表后，引起了國際社會的高度關注。呋喃已被國際癌癥研究機構歸類為可能使人類致癌的“2B”組物質[4]。其易通過呼吸等多種途徑被人體吸收，進而引起惡心、頭暈、呼吸衰竭、血壓下降等癥狀，甚至誘發體內癌變[5-10]。呋喃在大多數熱加工食品如咖啡、湯類、以及嬰幼兒食品中等均有不同程度的檢出，其中咖啡內含量最高。2018年5月，美國法院最終裁定，要求星巴克等咖啡加工、零售商在加州銷售的咖啡產品須加注致癌風險警告標識。可見，加熱食品中具有致癌風險的副產物的危害受到社會高度重視。食品中呋喃的形成機制、減控方法、危害消除，以及快速檢測方法是當今國內外研究熱點，因此，需要研究如何降低食品中呋喃的形成，并建立一種簡便、靈敏度高的呋喃的快速檢測方法。

目前，國內外常用的食品中呋喃檢測方法主要有頂空進樣-氣相色譜-質譜聯用（headspace injection gas chromatography-mass spectrometry，HS-GC-MS）法、固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用法以及頂空-固相微萃取-氣相色譜-火焰離子化法[11-14]。以上3 種方法雖然準確、靈敏度高，但儀器和人員成本較高，而且所測食品需要進行加熱預處理，可能會導致分析過程中生成新的呋喃，從而影響結果[15-16]。電化學檢測方法成本低、操作簡單且靈敏度高，并且可以實現快速高效監測和實時監測，具有廣闊的應用前景[17-18]。

本實驗旨在研究呋喃在玻碳電極表面的電化學反應過程，建立一種快速測定痕量呋喃的電分析方法，并應用于實際食品中呋喃的快速精確測定。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

速溶咖啡、麻花、江米條 石家莊本地超市。

呋喃（純度99.5%） 成都格雷西亞化學技術有限公司；乙腈、無水乙醇、四氫呋喃（均為分析純）天津市永大化學試劑有限公司；無水高氯酸鋰 成都艾科達化學試劑有限公司；丙酮（分析純） 天津市津東天正精細化學試劑廠；二甲基亞砜（分析純） 上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

LK98BII型微機電化學分析系統 天津蘭力科化學電子高技術有限公司；玻碳電極、鉑絲電極、Ag/AgCl電極、電解杯 上海CHI儀器公司；KQ 2200型超聲波清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司；FA 2204型電子分析天平 上海菁海儀器有限公司；GZX-9070 MBE型電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；TGL-10B高速臺式離心機 上海安亭科技儀器廠；AI 3000II型氣相色譜-質譜聯用儀、AI 3000自動進樣器美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 方法

1.3.1 玻碳電極的預處理

用粒徑為0.05 μm的Al2O3粉末將玻碳電極表面打磨拋光至鏡面，用去離子水清洗后依次在50%硝酸溶液、無水乙醇、去離子水中超聲清洗2 min，用氮氣吹干。在以K3[Fe(CN)6]為探針的磷酸鹽緩沖溶液中進行循環伏安法掃描，至氧化還原峰峰差值在90 mV以下，然后在1 mol/L H2SO4溶液中對玻碳電極進行活化，用快速循環伏安法掃描至穩定的循環伏安圖，最后用去離子水清洗后吹干備用。

1.3.2 呋喃標準溶液的配制

低溫條件下快速取31 μL呋喃標準品于5 mL乙腈中得到0.1 mol/L呋喃溶液，密封后放入冰箱保存。

1.3.3 呋喃標準曲線的測定

以直徑為3 mm的玻碳電極為工作電極、Ag/AgCl為參比電極、鉑絲電極為對電極，以0.15 mol/L的LiClO4-乙腈溶液為電解液，加入不同量的呋喃標準溶液，使其呈梯度濃度，在1.3～2.4 V掃描電位范圍內，脈沖增量0.005 V、脈沖間隔0.3 s、脈沖幅度和脈沖寬度均為0.05 V，在冰水中用微分脈沖伏安法進行掃描測定，控制待測物環境溫度在2～5 ℃，每個濃度測定3 次，并記錄相應的峰電流值，取其平均值作為該呋喃濃度對應的氧化電流值。考察峰電流值與呋喃濃度的關系。

1.3.4 樣品中呋喃的提取

1.3.4.1 速溶咖啡中呋喃的提取

準確稱量5 g速溶咖啡粉末于50 mL離心管中，加入10 mL乙腈攪拌數分鐘，在冰水中超聲5 min后，4 500 r/min離心20 min，收集上清液后殘渣中再加入10 mL乙腈，重復上述操作，取2 次上清液于冰箱中低溫貯存備用[19]。

1.3.4.2 麻花、江米條中呋喃的提取

分別稱取4 g打碎的麻花、江米條粉末，加入15 mL乙腈后攪拌數分鐘，然后在冰水中超聲5 min，4 500 r/min離心20 min，取上清液，殘渣中再加入15 mL乙腈重復以上操作，合并2 次上清液，于冰箱中低溫貯存備用。

1.3.5 電化學傳感器測定食品中的呋喃

按照1.3.3節方法對食品中的呋喃進行測定，并記錄其電化學響應電流值，每種提取液做3 次平行實驗，取其平均值作為測定結果，根據標準曲線得到各個樣品中呋喃的含量。

1.3.6 HS-GC-MS法測定食品中呋喃

1.3.6.1 頂空條件

平衡溫度70 ℃，平衡時間30 min，樣品瓶低速振搖；定量環溫度100 ℃，傳輸線溫度110 ℃，瓶加壓0.5 min；頂空瓶內壓力103.4 kPa；填充定量環0.5 min；定量環平衡0.5 min；進樣時間1 min，GS循環30 min。

1.3.6.2 氣相色譜條件

色譜柱：HP-5石英毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm，1 μm）；進樣口溫度：250 ℃；柱溫升溫程序：以50 ℃為初始溫度，保持1 min后以10 ℃/min升溫速率升至250 ℃，保持12.5 min。以氮氣為載氣，流速為1 mL/min；以分流比20∶1分流進樣。

1.3.6.3 質譜條件

離子源：電子電離源，電子能量70 eV；離子源溫度：250 ℃；傳輸線溫度250 ℃；掃描方式：全譜掃描（m/z 25～300）。

1.3.6.4 標準曲線及樣品測定

準確配制所需呋喃濃度梯度的標準溶液，上機測定，記錄各個濃度對應的圖譜峰面積，并與對應的呋喃濃度繪制標準曲線。

樣品提前在4 ℃條件下冷藏數小時，快速稱取打磨好的樣品粉末于二甲基亞砜中，用1.3.4節方法提取呋喃，進行HS-GC-MS檢測，每個樣品測定3 次，取其平均值，由上述標準曲線得到樣品中呋喃濃度，并與電化學方法檢測結果進行對比。

1.4 數據處理

采用SPSS17.0軟件對實驗數據進行統計分析，應用單因素方差分析進行顯著性差異分析（P＜0.05，差異顯著），并運用Orign8.6繪制數據圖。

2 結果與分析

2.1 呋喃在玻碳電極上的電化學行為

圖1 呋喃在玻碳電極上的循環伏安圖Fig. 1 Cyclic voltammogram of furan on glassy carbon electrode

通過對空白溶液和呋喃標準溶液進行循環伏安掃描，得到呋喃在玻碳電極的循環伏安圖（圖1），對其電化學反應行為進行分析。電位區間1.3～2.4 V，掃描速度50 mV/s。

圖1a顯示空白溶液中無氧化峰。圖1b顯示，呋喃在1.80 V左右出現氧化峰，并且反向掃描無還原峰出現，表明呋喃能夠在玻碳電極表面發生氧化反應，并且不可逆。根據其化學結構，雙鍵部分發生氧化反應。由圖1b、c可知，峰電流隨呋喃濃度的增大而增大，其電流峰高與呋喃濃度呈一定比例，表明該方法可以對呋喃進行定量分析。

2.2 實驗條件的優化

2.2.1 溶劑的選擇

圖2 溶劑對呋喃在電極表面的微分脈沖掃描曲線的影響Fig. 2 Effect of different solvents on differential pulse scanning curve of furan on electrode surface

溶劑的種類對呋喃的氧化峰峰形有一定影響，進而影響電極的吸附作用，因此需要測試呋喃在不同溶劑中的出峰情況。溶劑的選擇應滿足以下要求：呋喃的溶解度要好，能與呋喃形成均一體系；具有良好的介電特性，能很好地溶解電解質LiClO4，使其具有良好的導電性。由于呋喃易溶于多種有機溶劑，而不溶于水，所以選擇非水溶劑作為電解溶劑。將0.1 mmol/L的呋喃溶液分別在乙腈、乙醇、丙酮以及二甲基亞砜中進行檢測，圖2結果表明，呋喃在乙腈中峰形最好，靈敏度最高。由圖2可以看出，乙醇、乙腈和二甲基亞砜出峰位置依次后移，可能由于極性大小對溶解度有影響；乙腈的峰電流與乙醇相比較高，可能是由于乙醇的介電常數（ε=24.3）小于乙腈（ε=37.5），電解質不易在其中解離，進而影響電子傳遞效果造成的。所以綜合考慮，選取乙腈作為溶劑。

2.2.2 電參數的影響

2.2.2.1 電位增量的影響

電位增量分別設為0.001、0.003、0.005、0.008 V，對0.1 mmol/L的呋喃進行微分脈沖掃描，觀察峰電位及峰電流的變化。由圖3可知，電位增量對峰電位的影響不大，但對峰形有一定影響，峰電流隨電位增量的增大而增大，并且氧化峰先變窄后變寬。考慮峰形以及峰電流大小兩個因素，故選擇電位增量為0.005 V。

圖3 電位增量對呋喃氧化峰電流值的影響Fig. 3 Effect of potential increment on oxidation peak current of furan

2.2.2.2 脈沖間隔的影響

圖4 脈沖間隔對呋喃氧化峰電流值的影響Fig. 4 Effect of pulse interval on oxidation peak current of furan

同樣選用0.1 mmol/L的呋喃進行測定，由圖4可以看出，隨著脈沖時間的延長，峰電流明顯減小，并且峰形變寬，為得到更好的峰形，同時減少誤差，故選用0.3 s為脈沖間隔。

2.2.3 電解質濃度的影響

圖5 電解質濃度對呋喃氧化峰電流值的影響Fig. 5 Effect of electrolyte concentration on oxidation peak current of furan

利用微分脈沖伏安法分別測定0.1 mmol/L的呋喃在電解質濃度為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mol/L時的氧化電流，觀察電解質濃度對呋喃氧化峰電流大小的影響，結果如圖5所示。可以看出，響應電流隨電解質濃度的增加而增大，是由于隨著電解質溶液濃度的增加，其導電性增加，所以峰電流增加。當LiClO4濃度達到0.15 mol/L時，隨著電解質濃度的增加，峰電流變化不大，說明導電率幾乎接近最大值，故電解質濃度選用0.15 mol/L。

2.3 標準曲線

在最佳實驗條件下，利用微分脈沖伏安法（圖6）分別測定了呋喃濃度為0、2、5、10、20、40、60 μmol/L時的氧化電流值，各個濃度測定3 次，取其平均值為對應呋喃濃度的氧化峰電流值，以響應電流值為縱坐標，呋喃濃度為橫坐標，繪制呋喃的標準曲線。隨著呋喃濃度的增大，響應電流值逐漸增加，且在2～60 μmol/L范圍內呈良好的線性關系，并滿足線性關系方程：Ip=0.046 6Cfuran＋0.565，相關系數R2為0.996 8，最低檢測限為0.55 μmol/L（RSN=3）。Hoveidi等[20]在0.1 mol/L伯瑞坦-羅賓森緩沖溶液中測定呋喃，檢測限為3 μmol/L；Falciola等[21]以鉑基電極為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極，采用方波伏安法在乙腈-四丁基高氯酸銨中對呋喃進行電化學研究，其檢測限為10～20 μmol/L。由此可見，本研究構建的電化學傳感器靈敏度更好，可作為食品中痕量呋喃快速檢測的分析方法。

圖6 不同濃度呋喃的微分脈沖伏安曲線Fig. 6 Differential pulse voltammetry curves of furan at different concentrations

2.4 電化學傳感器的穩定性、重復性與抗干擾性

對1×10－4mol/L的呋喃在玻碳電極的電流響應進行實驗，重復測定15 次，呋喃的氧化峰電流的平均值為（3.61±0.11）μA（n=15，相對標準偏差3.24%）；分別配制3 批（每批2 支）不同濃度的呋喃標準溶液，用微分脈沖伏安法進行檢測，結果顯示，第1批兩組的氧化峰電流值變化為1.38%，第2、3批變化率分別為3.24%、1.52%，可見該電化學傳感器的穩定性和重復性較好。

咖啡中含有丙烯酰胺、VB2以及易揮發成分吡咯[22-24]，麻花、江米條等油炸食品中亦含有丙烯酰胺[25]，所以探究了吡咯、丙烯酰胺以及VB2對呋喃氧化電流值的影響。以乙腈為溶劑，分別配制0.1 mol/L的吡咯、丙烯酰胺溶液，以及5×10－4mol/L VB2的NaCl溶液，密封后于4 ℃保存備用。在其他條件相同的情況下，采用微分脈沖伏安法測定空白呋喃標準溶液以及分別添加吡咯、丙烯酰胺和VB2的呋喃標準溶液的氧化電流值。添加以上3 種物質后，呋喃的氧化峰電流值變化分別為5.94%、2.57%、4.71%，其中添加丙烯酰胺后，在1.2 V附近出現一個氧化峰，但其并不影響1.75 V處呋喃的峰電流值。可見該化學傳感器具有較好的抗干擾性。

2.5 樣品中呋喃的測定及加標回收實驗

按照1.3.4節所用方法分別處理樣品后得到樣品提取液，分別采用電化學方法和HS-GC-MS法檢測樣品中呋喃的含量，并進行加標回收實驗，結果如表1所示。該法測得速溶咖啡中呋喃含量約為1 818 μg/kg，在EFSA公布的檢測范圍內[26]；同時測得油炸食品麻花中含呋喃約97.5 μg/kg，江米條中呋喃含量約為81.8 μg/kg。HS-GC-MS法所測樣品結果與本法基本一致，3 種食品中呋喃含量結果相差在0.60%～0.72%之間。另外，本法的回收率在89.53%～105.27%之間，HS-GC-MS法回收率在91.73%～103.20%之間。兩者檢測結果基本一致，但電化學方法更加方便快捷。

表1 食品樣品中呋喃的加標回收率結果Table 1 Recoveries of furan from spiked food samples

3 結 論

呋喃在玻碳電極表面的電化學行為表明，其在1.80 V處只發生氧化反應而不發生還原反應。基于微分脈沖伏安檢測技術，構建了一種檢測速度快、靈敏度高的呋喃電化學分析方法，優化了分析條件，確定了呋喃氧化響應電流與濃度之間的數學模型、線性范圍以及檢測限等檢測參數，該方法可以用于實際樣品中呋喃的檢測。另外，該方法具有檢測成本低、檢測速度快、穩定性和重現性好、抗干擾性強以及樣品前處理簡單的優點，在食品安全監測方面具有廣闊前景。