利用同相等差感應電勢法檢測膨化食品中阿斯巴甜的研究

楊哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陳新文，孫遠明*

（1.廣東利誠檢測技術有限公司，廣東 中山 528436；2.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642；3.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；4.英都斯特（無錫）感應科技有限公司，江蘇 無錫 214035）

阿斯巴甜，又名天門冬酰苯丙胺酸甲酯，是由L-苯丙氨酸和L-天門冬氨酸為主要原料合成的一種氨基酸二肽衍生物，作為甜味劑廣泛應用于食品及制藥工業[1]。膨化食品是谷物和薯類等經膨化工藝形成的具有一定膨化度的休閑食品，深受人們喜愛，其加工過程中常添加阿斯巴甜等甜味劑改善產品風味[2]。然而，阿斯巴甜的代謝產物苯丙氨酸具有一定神經毒性，過量食用阿斯巴甜，會導致免疫力低下，存在致癌風險。程曉娟等[3]研究發現，高劑量阿斯巴甜會導致小鼠腎功能衰竭；陽彬等[4]采用不同劑量阿斯巴甜對小鼠進行灌胃，阿斯巴甜刺激糖尿病小鼠，導致其免疫力下降；王虹等[5]對小鼠進行腹腔注射阿斯巴甜，小鼠骨髓嗜多染紅細胞微核率和精子畸形率增加；Hamza等[6]發現阿斯巴甜會降低抗氧化酶活性，加速脂質過氧化。因此，我國食品添加劑使用標準中明確規定膨化食品中阿斯巴甜使用量不超過500 mg/kg。

目前食品中阿斯巴甜的常用檢測方法主要為高效液相色譜法、質譜法、離子色譜和表面增強拉曼光譜等。朱明等[7]采用超高效液相色譜檢測白酒中的阿斯巴甜，其檢測限為1.0 μg/kg；高向陽等[8]利用反相高效液相色譜混標進樣檢測飲料及乳品中的阿斯巴甜，其檢出限為0.21 mg/kg，檢測結果相對標準偏差均小于5%；羅丹等[9]基于表面增強拉曼光譜測定軟飲料中的阿斯巴甜，其檢測限為0.41 mg/L，色譜及光譜法具有速度快、無損和無污染等特點，但檢測成本相對較高。利用同相等差感應電勢法檢測食品中的阿斯巴甜鮮有報道。

本文利用同相等差感應電勢法分析不同含量阿斯巴甜溶液的電學特性，并選取5種市售膨化食品檢測其阿斯巴甜含量，探究同相等差感應電勢法檢測膨化食品中阿斯巴甜的可行性，為食品中阿斯巴甜的分析測定提供一種新的技術方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

4種配料標有阿斯巴甜的膨化食品、1種無包裝膨化食品：市售；冰乙酸、高氯酸、甲酸、結晶紫：國藥集團化學試劑有限公司，所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

同相等差感應電勢檢測設備：根據變壓器原理，廣東利誠檢測技術有限公司理化分析中心實驗室自制（激勵電壓 5 V～20 V，頻率 300 Hz～500 Hz）；磁力攪拌器（C-MAG）：德國IKA公司；低速大容量離心機（TDL-50D）：上海安亭科學儀器廠；分析天平（AL204）：瑞士Mettler Toledo儀器有限公司。

1.3 試驗設備和試驗條件

1.3.1 試驗設備

同相等差感應電勢檢測設備如圖1所示。

圖1 同相等差感應電勢檢測設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-phase equal-difference induced voltage detection equipment

樣品溶液從玻璃連接孔流入，布滿螺旋管道，經b、o和-b處管道相連，形成兩個次級線圈，且其螺旋管道繞向相同。設置恒溫循環水浴溫度為25℃，向初級線圈施加激勵電壓5 V～20 V和頻率300 Hz～500 Hz的正弦交流信號，通過鉑電極依次檢測樣品瞬時絕對電壓（瞬時電壓絕對值）Vao、Vbo、V-ob和 V-oa，并測定 a和-a之間的電勢差U-aa。

1.3.2 試驗條件

研 究 在 300、350、400、450、500 Hz 頻 率 及 5、10、15、20 V 激勵電壓下，不同質量分數（0、25、50、75、100 mg/kg）阿斯巴甜的瞬時絕對電壓及電勢差。測定5種市售膨化食品中阿斯巴甜含量，膨化食品粉碎后，過200目篩，與去離子水按1∶10的質量比，制備成500 g混合液，混合均勻，3 000 r/min離心15 min，上清液經0.45 μm有機系濾膜過濾后檢測，并按照GB 1886.47—2016《食品安全國家標準食品添加劑天門冬酰苯丙氨酸甲酯（又名阿斯巴甜）》，采用化學法檢測膨化食品樣品中阿斯巴甜含量。

1.4 數據分析

使用ORIGIN 8.5進行制圖及數據分析，每個樣品重復檢測3次，取其平均值。

2 結果與分析

2.1 激勵電壓對阿斯巴甜溶液瞬時絕對電壓的影響

不同激勵電壓下阿斯巴甜溶液的瞬時絕對電壓如圖2所示。

圖2 不同激勵電壓下阿斯巴甜溶液的瞬時絕對電壓Fig.2 Instantaneous absolute voltages of aspartame solutions under different excitation voltages

在300 Hz頻率，5 V～20 V激勵電壓下測定次級線圈中50 mg/kg阿斯巴甜溶液ao、bo、-ob和-oa 4個檢測位點瞬時絕對電壓的變化。從圖2中可以發現，隨初級線圈激勵電壓的增加，阿斯巴甜溶液各位點瞬時絕對電壓增大，且Vao和V-oa、Vbo和V-ob大小基本相同。20V下Vao較5V提高82.05%，而Vbo則增大2.83倍，但Vbo數值較小，后續選擇20 V為激勵電壓檢測值，a和-a位點間的電勢差U-aa為電信號檢測參數。王瑩等[10]研究發現隨電場強度增加，抗氧化肽含量減少。Zakrevskii等[11]研究發現，在交變電場下，聚合物中大分子遷移速率提高，電傳導率增加。化學法生產阿斯巴甜過程中會產生金屬離子，體系電導率較高，且阿斯巴甜是一種二肽類甜味劑，肽類物質在電磁場下具有抗磁性[12]。隨初級線圈激勵電壓增加，次級線圈中感應電勢增大，阿斯巴甜溶液中肽類物質及微量金屬離子碰撞加劇，檢測位點瞬時絕對電壓增大。

2.2 頻率對阿斯巴甜溶液瞬時絕對電壓的影響

不同頻率下阿斯巴甜溶液的瞬時絕對電壓如圖3所示。

圖3 不同頻率下阿斯巴甜溶液的瞬時絕對電壓Fig.3 Instantaneous absolute voltages of aspartame solutions under different frequencies

在20 V激勵電壓，300 Hz～500 Hz頻率下測定次級線圈中50 mg/kg阿斯巴甜溶液ao、bo、-ob和-oa 4個檢測位點瞬時絕對電壓的變化。從圖3中可以發現，阿斯巴甜溶液各位點的瞬時絕對電壓隨頻率增加無顯著變化，后續選擇300 Hz為頻率檢測值。在不同頻率下，Vao和 V-oa瞬時絕對電壓值高于 Vbo和 V-ob，b、o和-b位點電位相等，與Stacey等[13]研究結果一致，在相同磁通密度下，液體二次回路為等電位電池。與變壓器電磁感應原理相同，次級線圈中感應電勢與初級線圈激勵電壓和匝數比相關，與頻率變化無關。同相等差感應電勢檢測中，次級線圈螺旋管道匝數與初級線圈激勵電壓均不變時，不同頻率下阿斯巴甜溶液瞬時絕對電壓變化較小。

2.3 激勵電壓對不同質量分數阿斯巴甜溶液電勢差的影響

不同質量阿斯巴甜溶液的電導率如圖4所示，不同激勵電壓下阿斯巴甜溶液的電勢差如圖5所示。

圖4 不同質量阿斯巴甜溶液電導率Fig.4 Conductivities of aspartame solutions with different masses

圖5 不同激勵電壓下阿斯巴甜溶液的電勢差Fig.5 Potential differences of aspartame solutions under different excitation voltages

在300 Hz頻率，5 V～20 V激勵電壓下測定次級線圈中不同質量分數阿斯巴甜溶液a和-a間的電勢差U-aa的變化。阿斯巴甜溶液呈弱酸性，25℃下其電導率隨質量分數的增加而增大。從圖5中可以發現，阿斯巴甜溶液的U-aa隨初級線圈激勵電壓及體系質量分數的增加而增大。300 Hz、20 V下，100 mg/kg阿斯巴甜溶液的U-aa較50 mg/kg提高32.46%。與劉暢等[14]研究結果相似，隨電場強度的增大，大豆肽與鈣離子螯合率增大。Guo等[15]發現電化學法檢測中，可溶性固形物含量與輸入電壓呈正相關。Wu等[16]利用磁電耦合對玉米棒進行水解處理，發現隨勵磁電壓的增大，水解產生的還原糖含量提高56%。隨阿斯巴甜溶液質量分數的增加，體系中肽類物質及微量金屬離子數量增大，電導率升高，帶電物質受熱效應引起的無規則運動在次級線圈感應電勢的作用下變為定向運動，碰撞幾率增加，傳導加劇，體系電勢差增大。

2.4 頻率對不同質量分數阿斯巴甜溶液電勢差的影響

不同頻率下阿斯巴甜溶液的電勢差如圖6所示。

圖6 不同頻率下阿斯巴甜溶液的電勢差Fig.6 Potential differences of aspartame solutions under different frequencies

在20 V激勵電壓，300 Hz～500 Hz頻率下測定次級線圈中不同質量分數阿斯巴甜溶液a和-a間的電勢差U-aa的變化。從圖6中可以發現，阿斯巴甜溶液的U-aa隨頻率的增加維持在較為穩定的范圍內，隨阿斯巴甜質量分數的提高，U-aa增大。20V、300Hz下，0～100mg/kg阿斯巴甜溶液的 U-aa分別為 148.31、228.22、285.76、329.15 mV和378.52 mV，100 mg/kg阿斯巴甜溶液的U-aa較0 mg/kg時增加155.22%。與Yang等[17]研究結果相似，利用電位法檢測雞蛋蛋黃和蛋白含水量，其檢測終端電壓與樣品電導率呈正相關，與頻率變化無關。隨阿斯巴甜溶液中溶質的增加，體系電導率增大，帶電離子在感應電勢的作用下傳導加劇，但頻率的變化對感應電勢的增強無顯著作用，體系電勢差無明顯變化。

2.5 膨化食品中阿斯巴甜含量的測定

同相等差感應電勢法檢測膨化食品中阿斯巴甜的含量如表1所示。

表1 膨化食品中阿斯巴甜含量的測定Table 1 Determination of aspartame contents in puffed food

分析激勵電壓X1、頻率X2、體系電勢差X3及溶液中阿斯巴甜質量分數Y的關系，得到線性方程Y=7.08-3.96X1-0.01X2+0.47X3，相關系數（r）為 0.94，本研究中，樣品溶液中膨化食品的質量分數為10%，因此膨化食品中阿斯巴甜總含量為10Y。在300 Hz、20 V下測定5種市售膨化食品的U-aa，并根據線性方程計算其阿斯巴甜總含量。從表1可以發現，所有樣品的相對標準偏差均在3.00%以內，同相等差感應電勢法檢測膨化食品中的阿斯巴甜總含量具有良好的重復性。作為白砂糖的替代物，阿斯巴甜等甜味劑成為低糖食品的主要甜味來源，膨化谷物[18]、飲料[19]和蛋糕[20]等食品中添加阿斯巴甜可有效改善其風味。但Gezginci-oktayoglu等[21]發現長期食用阿斯巴甜會則增加腫瘤干細胞的侵略性，加劇腫瘤惡化。同相等差感應電勢法與化學法檢測樣品E中阿斯巴甜總含量分別為942.63 mg/kg和928.17 mg/kg，均高于膨化食品中阿斯巴甜允許使用量，存在食品安全隱患，且兩種方法測定結果相對誤差均在2.50%以內，高效可靠的檢測方法有利于促進及保障食品添加劑的規范使用。

3 結論

本研究利用同相等差感應電勢法，于初級線圈施加5 V～20 V激勵電壓及300 Hz～500 Hz頻率的正弦交流信號，分析次級線圈中不同質量分數阿斯巴甜溶液的電學特性，并選取5種市售膨化食品檢測其阿斯巴甜總含量。研究發現，相同質量分數的阿斯巴甜溶液其瞬時絕對電壓隨激勵電壓的增加而增大，但隨頻率增加維持在穩定范圍內。當阿斯巴甜質量分數增大時，隨激勵電壓的增加，體系電勢差增大，300 Hz、20 V下，100 mg/kg阿斯巴甜溶液電勢差較50 mg/kg提高32.46%。同相等差感應電勢法各參數與阿斯巴甜質量分數呈線性相關，相關系數（r）為0.94。檢測5種市售膨化食品阿斯巴甜總含量，其結果相對標準偏差均<3.00%，且與化學法測定結果相比，結果間相對誤差均<2.50%，同相等差感應電勢法具有良好的重復性及準確性。同相等差感應電勢法為膨化食品中阿斯巴甜的快速測定提供了一種新的技術方法。