維生素C對奶粉化學振蕩體系的擾動性研究

馬永杰 包洪亮 王瑞杰 王立業(yè) 婁文娟 董文賓

(1.洛陽師范學院食品與藥品學院， 洛陽 471934； 2.河南科技學院食品學院， 新鄉(xiāng) 453003；3.陜西科技大學化學與化工學院， 西安 710021)

0 引言

作為一種動力學指紋圖譜，化學振蕩體系是在非平衡化學理論基礎上建立的，該圖譜反映的特征信號曲線能夠提供比較豐富的信息，在分析化學中具有廣闊的應用前景[1]。自然科學中存在的多數(shù)非線性現(xiàn)象可以直觀地通過化學振蕩反應表現(xiàn)出來，因此，對其理論研究及應用得到了快速發(fā)展。

近年來，在各個領域中，用化學振蕩體系進行定量或定性檢測分析，主要基于被測物質的添加量與化學振蕩圖譜信號信息(如特征參數(shù)誘導時間、振蕩周期、最大振幅、停振時間等)之間存在某種關系，當被測物質加入后，指紋圖譜的部分特征信號參數(shù)發(fā)生某種規(guī)律性改變，據(jù)此可以對被測物質進行分析與檢測。目前，關于化學振蕩體系的反應機理[2]和應用[3-7]，國內已有許多研究報道[8-10]。但關于化學振蕩體系的擾動性研究，尤其在乳品質控中的應用，研究較少。

乳及乳制品不僅可以為人類提供豐富的營養(yǎng)物質，還可以預防營養(yǎng)素缺乏現(xiàn)象，如鈣、蛋白質、維生素族的缺乏等，其中的活性肽、蛋白質及其他營養(yǎng)成分對機體也有一定的調節(jié)作用[11]。目前，乳品消耗在逐年增加，其中嬰幼兒奶粉已成為我國乳制品消費中增長速度較快的產(chǎn)品之一[12]。而維生素是人體和動物正常新陳代謝所必需的微量營養(yǎng)素[13],具有易被氧化、可與細胞間質結合、促進膠原合成、防止牙齒和毛細血管破損等功能[14-17]。

在化學振蕩體系中，隨著時間的變化，物質的組分濃度、反應速率及其他變量等會發(fā)生某種規(guī)律性的變化，當把干擾物質加入體系時，如果其中某一基元的反應發(fā)生變化，則振蕩曲線的外觀形狀就會相應發(fā)生改變，這一結果可作為分析檢測中應用的參考與依據(jù)。本文以嬰幼兒奶粉為被測樣本，采用(NH4)4Ce(SO4)4-NaBrO3-丙二酸化學振蕩體系對樣本進行分析，通過不同添加量的維生素C對振蕩圖譜信號進行干擾，促使參加反應的底物濃度發(fā)生改變，同時，樣品中與底物共存的其他化學物質對振蕩反應產(chǎn)生的阻礙以及對其干擾的能力也會發(fā)生相應變化，從而促進圖譜的特征參數(shù)峰谷電位、停波時間、波動壽命、干擾后的最大振幅等發(fā)生改變。本文旨在研究奶粉生產(chǎn)過程中，當維生素C含量超標或不足時，可以通過維生素C對化學振蕩體系的干擾進行辨別，從而保證奶粉在線生產(chǎn)質量。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

實驗所用的1.00 mol/L硫酸、1.00 mol/L丙二酸、0.01 mol/L溴化鈉、0.80 mol/L溴酸鈉、0.05 mol/L硫酸鈰銨及維生素C均為分析純，購于天津市福晨化學試劑廠，水為二次蒸餾水。

所用嬰幼兒配方奶粉，以下簡稱“奶粉”，購于洛陽市當?shù)爻?。奶?：維生素C含量在標準范圍內的合格奶粉；奶粉2與奶粉3：生產(chǎn)過程中添加維生素C超標的不合格奶粉。

儀器包括：MZ-1B-2 型非線性化學指紋圖譜測定儀，湖南尚泰測控科技有限公司；217型復合甘汞電極，213型金屬鉑電極，BS 224 S電子天平，上海精密科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1化學振蕩體系指紋圖譜的測定

取1.00 g奶粉1樣品，加入到反應池中，再分別加入1.00 mol/L丙二酸溶液10.00 mL，1.00 mol/L硫酸溶液25.00 mL，0.01 mol/L溴化鈉溶液1.00 mL，0.05 mol/L硫酸鈰銨溶液3.00 mL和蒸餾水15.00 mL。將反應池蓋子蓋上，打開非線性化學指紋圖譜測定儀開關，將溫度與恒速攪拌速度分別設定為50℃和800 r/min，之后點擊計算機上的采集系統(tǒng)菜單，開始采集數(shù)據(jù)，攪拌到3.00 min時，用移液槍迅速加入0.80 mol/L溴酸鈉溶液5.00 mL，當振蕩曲線進入平穩(wěn)狀態(tài)后，在8 min時，分別加入不同質量的維生素C，對圖譜信號進行干擾。記錄E-t曲線至電位E不再隨時間t變化為止。

1.2.2干擾樣品的準備

維生素C對奶粉1樣本化學振蕩體系的干擾：分別稱取維生素C 0.000 1、 0.000 5、0.000 8、0.001 0、0.001 2、0.001 5、0.010 6、0.020 3、0.025 4 g。

能源是人類賴以生存的基礎，也是世界發(fā)展和經(jīng)濟增長的最基本驅動力。自“鉆木取火”以來，人類對能源的利用主要經(jīng)歷了“從生物燃料到化石燃料”和“從化石燃料到核裂變能”的能源方式變革。

維生素C對空白樣純水化學振蕩體系的干擾：分別稱取維生素C 0.001 0、0.001 5、0.010 6、0.020 3、0.025 4 g。

當振蕩曲線進入平穩(wěn)狀態(tài)后，在8 min時，分別加入以上不同質量的維生素C，對奶粉樣本與空白樣純水的化學振蕩指紋圖譜信號進行干擾，以考察不同質量的維生素C對相應振蕩圖譜的影響。

1.3 維生素C干擾的奶粉化學振蕩指紋圖譜的基本信息

化學振蕩指紋圖譜包括許多信息，如直觀信息誘導曲線、波峰形狀、波動曲線等[10]，可量化信息如誘導時間tind、峰谷時間tcan、峰谷電位Ecan、干擾后的峰谷電位E′can、峰頂電位Epet、峰頂時間tpet、最大振幅ΔEmax、干擾后的最大振幅ΔE′max、波動壽命tund、停波時間tune、波數(shù)nwav等，具體信息的含義參見文獻[18]，如用0.010 4 g維生素C干擾的奶粉1化學振蕩指紋圖譜的相關特征信息如圖1所示，圖中e-f為誘導曲線；f-g為波動曲線；g-h為停波曲線；e和h分別為化學振蕩反應的起點和終點。

2 化學振蕩圖譜的基本振蕩現(xiàn)象

本文的化學振蕩體系是在封閉體系中進行的，隨著物質的消耗和時間的推移，由于體系的封閉性，外界新物質不能進入體系內，于是進入平衡態(tài)，振蕩行為最終停止。維生素C對奶粉1化學振蕩圖譜的干擾，其整體圖如圖2a所示，圖2b為部分圖。當奶粉1被加入到反應池并加入溴酸鈉溶液后，結果發(fā)現(xiàn)，電勢迅速上升，溶液由無色變?yōu)闇\黃色，同時有氣體Br2排出，圖譜進入誘導期，經(jīng)過誘導期大概220 s后，電勢下降，圖譜進入振蕩期，振蕩波譜、振蕩周期比較平穩(wěn)，振蕩周期波動軌跡如圖2b所示。

化學振蕩體系的反應過程如下：

過程Ⅰ

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

過程Ⅲ

(7)

(8)

(9)

當振蕩曲線進入平穩(wěn)狀態(tài)后，在8 min時，向體系中加入0.001 0 g維生素C，一種新的振蕩現(xiàn)象發(fā)生，如圖2b所示，電勢陡然下降，振幅與振蕩周期發(fā)生改變后，振蕩周期突然又變短，緊接著振蕩周期越來越短，振幅相應逐漸變小，最后振蕩狀態(tài)停止，達到平衡狀態(tài)。從另外一個角度分析，維生素C具有很強的還原性，當維生素C被加入時，使反應底物的質量發(fā)生改變，氧化還原反應速度變快，從而使振蕩反應提前結束。實驗結果說明，維生素C的加入，對整個振蕩反應起到阻礙作用，從而使整個振蕩反應很快進入平衡狀態(tài)[23-24]。

3 試驗結果分析

3.1 維生素C對奶粉化學振蕩體系的影響

將1.00 g奶粉1樣本加入反應池后，點擊菜單采集數(shù)據(jù)，當攪拌到3.00 min時用移液槍迅速加入0.80 mol/L溴酸鈉溶液5.00 mL，電勢開始上升，圖譜經(jīng)過一段誘導期后，進入振蕩狀態(tài)。當振蕩反應平穩(wěn)一段時間后，在8 min時，將不同質量的維生素C分別加入到反應池里。隨著加入維生素C質量的不同，相應的奶粉1化學振蕩圖譜存在一定的差異，此時溶液顏色在淺黃色與無色之間變化，具體圖譜見圖3。當反應池中混合試劑及奶粉樣品耗散完，振蕩狀態(tài)停止，未添加維生素C的圖譜進入平衡狀態(tài)。圖3中，隨著維生素C添加量的增加，奶粉1化學振蕩圖譜的特征參數(shù)峰谷電位、停波時間、波動壽命、波數(shù)nwav及干擾后的最大振幅ΔE′max都發(fā)生較明顯的變化，如圖4所示。據(jù)文獻[18]報道，部分中藥與食品對化學振蕩體系的反應，表現(xiàn)出阻尼特征，當被測物質的添加量過少或被測物質不同時，會使樣品中參加反應的底物濃度逐漸變少，與底物共存物質的抑制作用減弱，誘發(fā)振蕩反應所需時間會延長，振蕩周期也會延長。通過圖4可知，隨著維生素C添加量的增加，反應底物濃度也在不斷增加，不僅停波時間、波動壽命都逐漸縮短，波數(shù)也在減少，振蕩結束時間也在提前。同時，在樣品中，與底物共存的其它化學物質，在振蕩反應中產(chǎn)生的阻礙作用與干擾的能力，也在明顯增加，最終導致完全阻止振蕩反應的發(fā)生[25]。

當維生素C添加量大于0.001 5 g時，特征參數(shù)波數(shù)基本消失，而干擾后的最大振幅逐漸增加，當維生素C添加量為0.010 6 g時，干擾后的最大振幅基本不變，如圖4a所示。隨著維生素C添加量的逐漸增加，特征參數(shù)波動壽命和停波時間逐漸縮短，當維生素C添加量大于0.010 6 g時，兩個特征參數(shù)均波動較小，振蕩基本處于停止狀態(tài)，如圖4b所示。以上結論與圖3直觀圖譜的變化趨勢相吻合。

3.2 維生素C對空白樣化學振蕩體系的影響

在封閉體系中，空白體系由“硫酸-丙二酸-溴酸鈉-溴化鈉-硫酸鈰銨-水”組成，隨著時間的推移和物質的消耗，外界新的物質不能進入體系中，最終進入平衡態(tài)，振蕩行為基本停止。由圖5a可知，整個振蕩曲線先進入誘導期，振蕩周期與振蕩波譜變化較大，振幅不規(guī)則，最終導致整個振蕩曲線不平穩(wěn)。由于空白樣水中耗散物質較少，不能使氧化還原反應在短時間內結束，從而使氧化還原反應的時間延長。整個振蕩過程的反應機理如第2節(jié)所述。

當振蕩曲線進入平穩(wěn)狀態(tài)后，在8 min時，向體系中加入0.010 6 g維生素C，一種新的振蕩現(xiàn)象同樣發(fā)生，如圖5b中箭頭所示。當維生素C加入后，電勢并沒有陡然上升，而是振蕩周期增長后，突然又變短，接著振蕩周期又恢復原樣，如圖5a所示。

3.3 維生素C添加量對空白樣化學振蕩體系的影響

將空白樣蒸餾水5.00 mL加入反應池后，點擊菜單采集數(shù)據(jù)，當攪拌到3.00 min時用移液槍迅速加入0.80 mol/L溴酸鈉溶液5.00 mL，電勢開始上升，圖譜同樣經(jīng)過一段誘導期后，進入振蕩狀態(tài)。當反應平穩(wěn)進行一段時間后，在8 min時，向反應池里分別加入不同質量的維生素C。隨著加入維生素C質量的不同，相應的空白樣品化學振蕩圖譜存在一定的差異，此時溶液顏色在淺黃色與無色之間變化，具體圖譜見圖6。當反應池中混合試劑耗散完，振蕩狀態(tài)停止，圖譜進入平衡狀態(tài)。圖6中分別用不同質量的維生素C去干擾，隨著維生素C添加量的增加，空白樣品化學振蕩圖譜的特征參數(shù)干擾后的峰谷電位和干擾后的最大振幅都發(fā)生較明顯的變化，如圖7所示。隨著維生素C添加量的增加，反應底物濃度也在不斷增加，同時，在樣品中，與底物共存的其它化學物質，在振蕩反應中產(chǎn)生的阻礙作用與干擾的能力，也在明顯增加，如圖6中0.025 4 g維生素C添加量圖譜所示，最終導致完全阻止振蕩反應的發(fā)生[10]。

當維生素C添加量大于0.001 5 g時，特征參數(shù)干擾后的最大振幅迅速上升，當維生素C添加量大于0.020 3 g時，干擾后的最大振幅基本達到平穩(wěn)狀態(tài)，而干擾后的峰谷電位隨著維生素C添加量的增加逐漸降低，當維生素C添加量大于等于0.025 4 g時，干擾后的峰谷電位基本不再變化，如圖7所示，該結論與圖6直觀圖譜的變化趨勢相吻合。

3.4 維生素C對化學振蕩體系干擾在實際中的應用

為了充分保證嬰兒配方食品的安全和營養(yǎng)，我國制訂了專門針對嬰幼兒配方食品的強制性國家標準，即GB 10765—2010《食品安全國家標準 嬰兒配方食品》，標準中詳細規(guī)定了嬰兒配方食品中各個營養(yǎng)素含量，其中就包括維生素C。乳粉中維生素C含量特別少，因此，嬰兒配方乳粉中必須通過添加維生素C，來保證嬰幼兒攝入足夠的維生素C。按照配方奶粉標準中規(guī)定，以每克奶粉中平均含有0.000 4 g維生素C計算。在實際嬰兒配方奶粉生產(chǎn)過程中，將添加維生素C含量超標的1.00 g奶粉2和1.00 g奶粉3樣本分別加入反應池后，相應奶粉的特征參數(shù)干擾后的最大振幅、波動壽命和停波時間都會發(fā)生改變，具體數(shù)據(jù)如表1所示。通過該組數(shù)據(jù)表明，在奶粉生產(chǎn)過程中，當維生素C量超標或不足，可以通過維生素C對化學振蕩體系的干擾進行辨別，從而保證奶粉在線生產(chǎn)過程中的質量。

表1 維生素C對不同奶粉化學振蕩體系干擾數(shù)據(jù)

4 結束語

本文通過不同質量的維生素C對奶粉與純水空白樣的化學振蕩圖譜進行干擾實驗，結果表明，反應過程及機理基本一致，但對于不同的樣本，由于參與反應的底物濃度存在差異，當分別加入不同質量的維生素C進行干擾時，奶粉與空白樣的圖譜都發(fā)生明顯的變化。當每克奶粉中維生素C添加量大于0.001 5 g時，奶粉與純水空白樣的直觀圖譜及部分特征參數(shù)均變化較為明顯，尤其當維生素C添加量大于0.010 6 g時，奶粉振蕩圖譜的特征參數(shù)干擾后的最大振幅基本不變，特征參數(shù)波動壽命和停波時間波動較小，振蕩狀態(tài)基本停止。不同添加量的維生素C對空白樣的干擾存在一定差異，當維生素C添加量大于0.020 3 g時，干擾后的最大振幅基本達到平穩(wěn)狀態(tài)，而干擾后的峰谷電位，則隨著維生素C添加量的逐漸增加而降低，當維生素C添加量大于等于0.025 4 g時，干擾后的峰谷電位基本不再發(fā)生變化。其中特征參數(shù)干擾后的最大振幅變化、干擾后峰谷電位的變化、停波時間及波動壽命的變化規(guī)律可為奶粉中維生素C含量的定性與定量分析提供理論依據(jù)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在奶粉生產(chǎn)過程中，當維生素C含量超標或不足，可以通過維生素C對化學振蕩體系的干擾進行辨別，從而保證奶粉在線生產(chǎn)過程的質量。