基于紫外-可見分光光度法測定食品接觸橡膠中高錳酸鉀消耗量

曾少甫，郭 盼，章凱倩，胡長鷹,，劉宜奇，王志偉,*

（1.暨南大學包裝工程學院，廣東省普通高校產品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海 519070；2.暨南大學力學與建筑工程學院，廣東 廣州 510632；3.暨南大學理工學院，廣東 廣州 510632）

橡膠是一類可逆變形的高彈性聚合物、具有良好的阻隔性、化學穩定性和抗老化特性[1-2]。與塑料相比，橡膠很少用于直接接觸食品的包裝，主要應用在食品加工機械設備中，如管道構件、密封圈、墊圈、墊片等[3]。同時，橡膠同時也是一種重復利用性很高的材料，更換的頻率不高。由于生膠本身彈性不足，機械性能弱，需添加各種助劑以增強其性能[4]，因此，橡膠產品通常比其他塑料食品接觸材料及其產品含有更多的化學成分（例如固化劑、固化促進劑、抗降解劑和增塑劑）[5-6]，這些化學成分可能會遷移到接觸過的食品中，從而影響食品的安全性[7]。

高錳酸鉀（KMnO4）消耗量是指食品接觸材料在一定時間、溫度條件下遷移到水中可被KMnO4氧化的物質總量，表明食品接觸材料中可遷移出并能被氧化的水溶性物質的總和，是食品接觸用材料及其制品在安全標準中的一個重要衛生指標[8-9]。KMnO4消耗量只是一個籠統的篩查指標，沒有特定的指向安全風險，可用于評價材料的穩定性[10]。目前，部分國家對一些食品接觸材料的KMnO4消耗量有指標要求。如日本食品衛生法No.370規定食品接觸用塑料類、樹脂類材料及制品的KMnO4消耗量限值[11]。韓國食品衛生法對部分食品級材質進行KMnO4消耗量測定和限制要求，但對橡膠類材質無要求[12]。美國食品藥品管理局對丙烯酸樹脂類制品的KMnO4可氧化浸提物的吸光度指標有限制要求。GB 4806.11—2016《食品接觸用橡膠材料及制品》對食品接觸用橡膠材料及制品的KMnO4消耗量的限量為10 mg/kg，是強制性檢測指標[13]。

當前，氧化還原滴定法是一些國家測定KMnO4消耗量的方法（如中國、日本和韓國等）[8,11-12]。然而，官方對于實驗預處理中不同橡膠材料基體中酸的量無合理的解釋，不同橡膠的KMnO4消耗量適用性存在一定的差異性，對于部分含量較大的陽性樣品，酸的不足會造成結果偏差，有必要進行相關探究。由于KMnO4可以氧化還原性物質并改變錳的化合價，使溶液顏色變淡，導致光吸收變弱，在某些波長下遵循朗伯定律[14-16]，因此，可以根據KMnO4消耗的吸光度確定還原物質的濃度，以紫外-可見光分光光度法進行檢測。目前對于KMnO4消耗量方面的報道主要集中于產品的適用性和影響檢測的因素，如Zhu Lixian等[10]分析導致食品接觸用紙中KMnO4消耗量偏高的原因來源于紙漿中的淀粉及天然產物，對其適用性進行了探討。楊建平等[17]對食品接觸材料中KMnO4消耗量的影響因素研究，得出取樣量、煮沸時間和加入草酸的時間是影響KMnO4消耗量測定值的重要因素。錢榮敬等[18]對食品接觸用紙中KMnO4消耗量指標的適用性進行評估，發現紙張中的木質素、半纖維素、淀粉等天然成分對KMnO4消耗量的貢獻率較高。本研究建立食品接觸橡膠制品中KMnO4消耗量的紫外-可見光分光光度法，對實驗的吸收波長、H2SO4濃度、KMnO4濃度、反應時間進行優化，并進行方法驗證，為食品用橡膠制品的檢測應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

不同類型食品接觸橡膠（丁腈橡膠、三元乙丙橡膠（EPDM橡膠）、乳膠、氟碳橡膠和硅橡膠）從當地市場購得。

KMnO4、二水合草酸、H2SO4（質量分數98%）（均為分析純） 廣州化學試劑廠；MnO2粉末（CAS：1313-13-9，純度99.9%，微米級） 臺州森諾材料科技有限公司；一級水Milli-Q凈水系統 德國默克公司。

1.2 儀器與設備

UV-3600i Plus紫外-可見光近紅外光度計 日本島津公司；HWS26電熱恒溫水浴鍋、DHG-9145A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；VORTEX4IKA渦旋振蕩器 德國IKA公司；S220 pH酸度計 瑞士梅特勒托萊多儀器（中國）有限公司；EMAX 7021-H型X射線能譜儀 美國Horiba公司；S-3700N掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；K-Alpha型X射線光電子能譜 美國賽默飛世爾科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標準儲備溶液及標準曲線的配制

將KMnO4加熱溶于一級水中，轉移置于1 L容量瓶中，用水定容至刻度，得到濃度為0.02 mol/L的標準儲備溶液，存于棕色試劑瓶中，避光保存。不同濃度標準工作溶液的制備需要同步進行“KMnO4消耗量實驗”的處理。然后在波長525 nm處采用紫外-分光光度計繪制標準曲線。

1.3.2 橡膠遷移實驗

參照GB 5009.156—2016《食品接觸材料及制品遷移試驗預處理方法通則》[19]中規定的比例（6 dm2/kg模擬液）進行，模擬物為一級水[19]。實驗條件參照GB 4806.11—2016《食品接觸用橡膠材料及制品》，橡膠材料于實驗用容器中加入60 ℃一級水，密封保存于60 ℃恒溫水浴鍋中，保持0.5 h，作為實驗測試用遷移液[13]。注：根據GB 5009.156—2016，以全浸泡法實驗，本實驗樣品大于0.5 mm小于2 mm，遷移面積取正反兩面面積及側面面積之和。

1.3.3 KMnO4消耗量測試

準確移取50 mL遷移液于100 mL錐形瓶中，加入一定體積的H2SO4使用液（5 mol/L），搖動混勻，然后加入一定體積KMnO4標準儲備溶液（0.02 mol/L），搖勻，加入玻璃珠并將混合物加熱至沸騰并在沸騰狀態下再保持6 min。待其冷卻后移至50 mL玻璃刻度管，然后加入一級水定容，以彌補沸騰階段水的蒸發。并將該溶液過0.22 μm的水相濾膜，使用紫外-可見光分光光度計測定溶液的吸光度，同時，使用一級水作為空白并按照相同的測試程序進行處理。實驗流程圖如圖1所示。

圖1 紫外-可見分光光度法測定KMnO4消耗量的實驗流程圖Fig. 1 Experimental flow chart for the determination of KMnO4 consumption by UV-Vis spectrophotometry

根據校準曲線，利用測量得到的空白（A1）和樣品（A2）的吸光度，按式（1）計算空白和樣品的濃度分別對應于C1和C2。按式（2）計算得到KMnO4消耗量的實際值。

式中：C為標準曲線定量后的樣品遷移液中KMnO4的濃度/（mmol/L）；A為紫外-可見分光光度計測量的樣品遷移液中KMnO4的吸光度；b為標準曲線的截距；k為標準曲線的斜率。

式中：X為試樣中KMnO4消耗量/（mg/kg）；C1為空白浸泡液中KMnO4濃度/（mmol/L）；C2為樣品浸泡液中KMnO4濃度/（mmol/L）；158.034為KMnO4摩爾質量（g/mol）；V1為KMnO4消耗量實驗中的定容體積/L；V2為進行遷移實驗得到的總模擬物浸泡液的總體積/L；V3為KMnO4消耗實驗所用浸泡液的體積/L；S為遷移實驗中試樣與浸泡液接觸的試樣面積/dm2；F為在實際使用情況下，食品接觸材料及制品的接觸面積（S）與食品模擬物體積（V）的比（S/V），各種液態食品密度通常以kg/L計，單位dm2/kg，當實際使用情況下，S/V已知時，F即為實際S/V。

1.3.4 反應產物的提取

KMnO4消耗量實驗結束后，將含有反應產物的樣品溶液轉移至50 mL離心管中，以6 000 r/min離心，除去液體，收集附著在管壁上的產物。由于H2SO4的存在使遷移液很難干燥，因此，將收集的產物再次用一級水稀釋并離心，同樣步驟處理5次，最后在溫度為40 ℃的烘箱中干燥3 h，得到反應產物固體粉末，將其儲存在干燥器中。

1.3.5 掃描電子顯微鏡-能譜儀分析

將收集到的反應產物用導電膠固定在銅臺上，然后噴金箔。使用掃描電子顯微鏡對樣品反應產物的表面進行觀察，并使用配備的能譜分析儀進行局部元素分布分析。

1.3.6 X射線光電子能譜分析

為了測量元素的化學價態，使用配備單色Al Kα X射線源（hν=1 486.6 eV）的X射線光電子能譜分析收集的產物，配備180°雙焦點半球分析儀，128通道檢測器。

1.3.7 方法參數驗證

本實驗方法驗證的主要內容涉及方法線性范圍、檢出限（limit of detection，LOD）、準確度和精密度。具體如下：按操作規程要求，配制標準工作液，驗證線性范圍及情況，要求至少6個濃度點，線性相關系數R2大于0.99。LOD和定量限（limit of quantitation，LOQ）根據ICH指南[20]，LOD=3.3S/b，LOQ=10S/b，其中S為6次試劑空白測定的標準偏差，b為標準曲線的斜率。以5種不同的食品接觸橡膠（丁腈、三元乙丙橡膠、乳膠、氟橡膠、硅橡膠）為實驗樣品，每種陽性材料樣品選擇KMnO4消耗量分別為1、2、5 mg/kg三個水平，按照1.3.2節處理后，對遷移液分別進行紫外-可見分光光度法以及GB 31604.2—2016《食品接觸材料及制品 高錳酸鉀消耗量的測定》的測定，每個水平測試6個平行樣作為精密度評估，以2種方法結果的方差分析比較作為準確度評估。

1.4 數據處理

采用SPSS（Version 19.0）進行進行數據處理。Duncan’s-multiple range test用于確定平均值的顯著差異（P＜0.05）。Thermo Avantage v5.967軟件用于對X射線光電子能譜進行數據處理。使用Origin 8.0用于圖形繪制處理，結果以表示。

2 結果與分析

2.1 反應產物的掃描電子顯微鏡-能譜和X射線光電子能譜結果

KMnO4消耗量實驗中，酸介質的選擇起到重要的作用。在鹽酸的情況下，鹽酸與KMnO4反應，形成氯氣并消耗部分KMnO4[21]，硝酸會參與氧化還原反應，干擾實驗的結果。H2SO4具有揮發性低、酸性強的特點，且與稀釋后的KMnO4無化學反應，比較適合作為KMnO4消耗量中反應性酸介質。在部分對橡膠制品的測試中，也發現部分遷移液在進行KMnO4消耗量實驗后產生深褐色沉淀，并且隨著H2SO4濃度的降低，形成更多沉淀，如圖2所示，推測是H2SO4的濃度不足所導致，此時溶液的顏色由紫色變為紫紅色。如果在形成固體反應產物時用分光光度計測量KMnO4消耗量的結果，會影響其結果。因此，有必要探索反應中H2SO4消耗的規律。

圖2 不同H2SO4濃度下遷移液的KMnO4消耗量實驗反應情況（10 mg/kg）Fig. 2 Visual observation of KMnO4 consumption for different concentrations of H2SO4 (sample concentration of 10 mg/kg)

通過掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀分析，證實了反應產物粉末中某些元素的存在，如圖3a、b所示，可見兩者的形貌都呈絮凝形態和簇狀結構，有孔隙但形狀不規則，與以往對MnO2的形態研究相似[22]。利用X射線能譜儀對電鏡中的區域進行分析，以確定測試樣品的元素種類和含量，結果如圖3c所示，根據X射線能譜儀，在反應產物粉末中發現了氧、硅和錳，其中，氧元素含量最高，為88.18%，其次是錳和硅，分別為8.76%和3.06%。硅含量的存在可能是橡膠浸泡液本身的殘留附著。為了進一步分析未知反應物的化合物狀態，用X射線光電子能譜測量了近表面核心能級的強度和價態，圖4a展示了反應產物X射線光電子能譜全譜的主要成分是氧、錳和硅（微量）元素，其結果與X射線能譜儀吻合。圖4b、c顯示了未知反應產物和標物的Mn 2p1/2、Mn 2p3/2和Mn3s的光譜圖，對于MnO2，在Mn2p有多峰分裂成分，并且在Mn2p3/2峰的頂部有一個可識別的形狀[23]。在Mn3s峰中，MnO2有為多峰分裂組成，并且雙峰結合能的差值在4.7 eV，接近MnO2標準物質的結合能差值，綜合以上分析，該未知反應產物主要是MnO2。根據圖2的現象，推測是由于酸濃度不足，影響了反應中Mn7+向Mn2+的轉化，高濃度酸性條件有利于反應的完成，否則會向其他反應進行，對氧化還原方法的結果產生不良影響。依據X射線光電子能譜得到反應產物的信息，得出足夠（式（3））和不足（式（4））的酸性條件下2個反應離子方程式：

圖3 反應產物（a）、MnO2標準品（b）的掃描電子顯微鏡圖和反應產物表面的能量色散X射線光譜儀圖（c）Fig. 3 SEM images of reaction products (a) and MnO2 standard (b), and energy dispersive X-ray spectrum of surface of reaction products (c)

圖4 反應產物（a）的X射線光電子能譜光譜全譜掃描圖和Mn2p（b）及Mn3s（c）核心能級的X射線光電子能譜高分辨率譜掃描圖Fig. 4 XPS spectra of reaction products (a), XPS high-resolution spectra of core energy levels of Mn2p (b) and Mn3s (c)

2.2 KMnO4消耗量實驗吸收光譜波長的確定

圖5 不同濃度KMnO4紫外-可見分光光譜（a）及一級水（含硫酸）、遷移液和實驗空白紫外-可見分光光譜（b）Fig. 5 UV-Vis spectra of KMnO4 at different concentrations (a),UV-Vis spectra of ultrapure water (containing sulfuric acid), migrant solution and experimental blank (b)

KMnO4的氧化反應取決于不同的酸或堿介質。與中性和堿性條件相比，在酸性條件下氧化能力最強，此時Mn7+被還原為Mn2+，稀溶液呈無色[24-26]。利用紫外-可見光分光光度計分別對不同濃度的KMnO4標準溶液的吸光度進行掃描，結果如圖5a所示，在波長200～800 nm范圍內，對于不同濃度KMnO4標準溶液在波長525 nm處有最大吸收峰（λmax），并且隨濃度增加吸收峰增大。圖5b顯示，與實驗空白相比，樣品遷移液在整個掃描帶的吸光度較弱，對于試劑空白（含H2SO4的一級水遷移液）的吸光度，波長525 nm處的吸收峰可以忽略不計，由此來看，H2SO4的加入不影響此波段處的吸收結果，因此實驗選擇525 nm作為測試波長。

2.3 KMnO4消耗量實驗中H2SO4濃度的優化

根據本實驗結果可知，H2SO4加入量不足會導致溶液中形成固體MnO2，從而影響實驗結果，為此有必要優化實驗中H2SO4的濃度。H2SO4的最佳濃度可以通過水相過濾器過濾和不過濾后的吸光度是否近似評價。如圖6所示，對4種不同濃度的遷移液H2SO4使用進行評價，各遷移液的吸光度隨著H2SO4濃度的增加而降低，并最終趨于穩定，同時也表明增加酸濃度可以抑制反應過程中MnO2的形成。選擇4種濃度遷移液（通過GB 31604.2—2016定量）的H2SO4最低需求濃度，進行線性擬合分析，求出H2SO4最低需求濃度與遷移液消耗量濃度的關系。結果表明本方法1 mg/kg的KMnO4消耗量至少需要0.1 mol/L的H2SO4。

圖6 KMnO4消耗量反應中H2SO4濃度的優化結果Fig. 6 Optimization of the concentration of H2SO4 in the reaction of KMnO4 consumption

2.4 KMnO4消耗量實驗中KMnO4濃度的優化

圖7 KMnO4消耗量反應中KMnO4濃度的優化結果Fig. 7 Optimization of the concentration of KMnO4 in the reaction of KMnO4 consumption

由于實驗中KMnO4可能被高濃度的遷移液所還原，導致缺少KMnO4與之反應，此時遷移液顯無色，進而難以準確對所消耗的KMnO4進行定量，所以需要對KMnO4的添加濃度進行合理的估算。如圖7所示，吸光度隨著濃度上升而增大，當吸光度接近“0”時，此時KMnO4濃度與遷移液中還原性有機物的濃度臨近，取此時KMnO4濃度與遷移液濃度進行線性擬合，可以得到KMnO4濃度與遷移液消耗量濃度之間的關系，從分析結果可知對實驗中KMnO4消耗量為1 mg/kg的遷移液，KMnO4的需求濃度應超過0.005 74 mmol/L。

2.5 KMnO4消耗量實驗中反應時間的優化

圖8 KMnO4消耗量反應中反應時間的優化結果Fig. 8 Optimization of reaction time for KMnO4 consumption

KMnO4與還原性有機物反應需要一定的時間，確保反應完全，同時也應該控制在適當時間范圍內，避免長時間下有機物與KMnO4的二次反應，影響實驗結果。依照1.3.3節步驟，研究10 mg/kg在不同反應時間點（0～6 min）對KMnO4消耗后的吸光度情況。如圖8所示，不同濃度遷移液的KMnO4消耗量吸光度隨反應時間呈快速下降趨勢，直至4～6 min時無顯著性差異。根據相關文獻，有機物質與KMnO4的反應時間一般在5～10 min內[17,27-29]。實驗中也發現，反應首先出現褪色現象溶液呈現淡紫色，但如繼續延長反應時間，顏色可能發生其他改變，推測其為有機物的二次氧化反應所導致，因此時間不宜過長，綜合考慮反應完成的最佳時間終點取6 min。

2.6 方法驗證

2.6.1 方法的線性范圍及LOD結果

表1 高錳酸鉀標準溶液的線性方程、相關系數、線性范圍、方法LOD和方法LOQTable 1 Linear equation, correlation coefficient, linear range, detection limit and quantification limit of the proposed method

按照1.3.1節儲備液配制方法，以一級水作為溶劑配制標準溶液，形成系列水平的標準液，以吸光度（A）為縱坐標，濃度值（C）為橫坐標，繪制標準曲線，采用最小二乘回歸法計算校準方程和相關系數，結果如表1所示，KMnO4標準曲線在0.014～0.280 mmol/L范圍內線性關系良好，相關系數R2為0.998 91。該方法的LOD和LOQ分別為6.8×10-4mol/L和2.0×10-3mol/L。

2.6.2 準確度和精密度結果

如表2所示，紫外-可見光分光光度法檢測的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）在1.7%～7.8%之間，其精密度較好，重復性良好，高濃度樣品的RSD低于低濃度樣品（P＜0.05）。利用獨立樣本t檢驗對方法準確性進行評價，發現t值和F值均未超過95%置信水平下的值，表明這2種方法無顯著性差異。結果表明紫外-可見分光光度法具有良好的準確度和精密度，適用于食品接觸橡膠制品KMnO4消耗量的分析。

表2 本方法和GB 31604.2—2016方法的精密度和統計比較（n=6）Table 2 Precision and statistical comparison between UV-Vis spectrophotometric method and official redox titration method (n = 6)

3 結 論

本研究證實KMnO4消耗量實驗過程中H2SO4濃度的不足會形成MnO2的現象，因此，反應需要在高濃度酸性環境中進行。建立一種測定食品接觸用橡膠中KMnO4消耗量的紫外-可見分光光度法。對方法中H2SO4濃度、KMnO4濃度、反應時間進行優化，對于1 mg/kg的陽性橡膠樣品，H2SO4溶液濃度需高于0.1 mol/L，KMnO4溶液濃度需超過0.005 74 mmol/L，反應最佳時間為6 min。方法中標準曲線相關系數R2為0.998 91，線性關系良好，LOD和LOQ分別為6.8×10-4mol/L和2.0×10-3mol/L，符合的分析要求。5種食品接觸性橡膠陽性樣品檢測的KMnO4消耗量值的RSD在1.7%～7.8%之間，精密度良好，以獨立樣本t檢驗對比GB 31604.2—2016所測的結果，2種方法無顯著性差異，因此，本方法可靠、準確，可作為食品接觸橡膠制品中KMnO4消耗量的定量檢測手段。