于海洋，接偉光，姜怡彤，姚延軒，肖光輝

（黑龍江東方學(xué)院食品與環(huán)境工程學(xué)部，黑龍江哈爾濱150066）

隨著乳品行業(yè)的發(fā)展，牛乳及其乳制品已逐漸成為市場主流的健康食品。牛乳是一種天然的保健食品，是人體內(nèi)必需元素的主要營養(yǎng)來源，對人體的健康發(fā)育起著重要的促進(jìn)作用[1-2]。牛乳及其乳制品的安全檢測是乳品行業(yè)發(fā)展的重中之重，而牛乳中多元素檢測更是乳品行業(yè)安全檢測中的重要一塊，因此，選擇一種快速、準(zhǔn)確、安全的多元素檢測技術(shù)對于牛乳中元素含量控制具有重要意義。然而，在2013年，某檢測機(jī)構(gòu)對97批次的牛乳制品進(jìn)行全項(xiàng)檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微量元素超標(biāo)超標(biāo)比例占13%[3]。因此，檢測并控制好牛乳及其乳制品中各種元素的含量是有效保證其質(zhì)量與安全生產(chǎn)的前提。

1 牛乳中的主要元素

牛乳中包括 K、Ca、Cu、Mn等多種有益元素，對改善人體亞健康狀態(tài)具有良好的作用。此外，牛乳中還可能存在一些有害的微量重金屬元素，對人們的健康產(chǎn)生威脅[4]。這主要取決于它們的濃度，如汞、鉛等在安全濃度范圍內(nèi)則不會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害，然而，一些必需微量元素如果超過了安全范圍也會對人體產(chǎn)生不利影響。因此，在牛乳的檢驗(yàn)過程中要嚴(yán)格的執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，保證每種元素的含量都符合標(biāo)準(zhǔn)。牛乳中多種元素的檢測方法以及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 牛乳中多種元素的檢測方法Table 1 Detection of a variety of elements in milk

2 牛乳中多種元素的檢測方法

牛乳中多種元素的檢測方法主要包括和電感耦合等離子質(zhì)譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）、酶抑制法（enzyme inhibition method，EIM）、免疫分析法（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）等多種方法，每種方法在實(shí)際應(yīng)用中各有特色。從原理、特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用3個方面分別對每種方法進(jìn)行描述，旨在為牛乳及其乳制品中多種元素檢測方法的未來研究和發(fā)展提供參考。

2.1 電感耦合等離子質(zhì)譜法

電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）[5]是將試樣消解后，由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定，以元素特定質(zhì)量數(shù)（質(zhì)荷比，m/z）定性，采用外標(biāo)法，以待測元素質(zhì)譜信號與內(nèi)標(biāo)元素質(zhì)譜信號的強(qiáng)度比與待測元素的濃度成正比進(jìn)行定量分析的一種方法。ICP-MS是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新的元素檢測技術(shù)[6]，具有靈敏度高、檢出限低、可進(jìn)行多種模式的分析、線性范圍寬等多種優(yōu)點(diǎn)[7-9]。它以獨(dú)特的接口技術(shù)將ICP的高溫電離特性與四極桿質(zhì)譜計(jì)的靈敏快速掃描的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，能夠同時(shí)分析元素周期表中幾乎所有的元素，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[10]。尤其是在牛乳及其乳制品檢測方面取得了巨大的進(jìn)步，對于高含量元素，其檢出限可達(dá)到10-3μg/mL[11]。Jeong等[12]通過電感耦合等離子質(zhì)譜法對市售的幾種酸奶進(jìn)行元素測定，證明Cu和Mn在水果混合型酸奶中的含量相對較高。

2.2 酶抑制法

酶抑制法（EIM）是利用酶的功能基團(tuán)受到某種物質(zhì)的影響，從而導(dǎo)致酶活力降低或喪失作用的方法。EIM由于具有成本低、操作簡單、現(xiàn)場快速檢測等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用[13]。目前，研究者們通過酶抑制法對酶的活性以及反應(yīng)兩方面進(jìn)行了研究[14]。常用的酶有脲酶、丁酰膽堿脂酶和異檸檬酸脫氫酶等，其中，最常見的是脲酶[15]。生物傳感器是酶抑制檢測方法的主要手段之一，能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行快速在線監(jiān)測，己被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。Tadeusz等[16]研制的酶傳感器檢測Hg離子，使無機(jī)汞的檢測范圍低于1.00 μmol/L。Shi等[17]研制了利用脲酶抑制法制成的試紙條，具有快速檢測的作用。Compagnone等[18]利用氧化酶傳感器來測定重金屬離子，發(fā)現(xiàn)Hg2+對酶活性的抑制最為明顯，可使Hg2+測定范圍達(dá)到0.05 mg/L～0.5 mg/L。Renbing Shi等[19]在帶有電位檢測的流動注射分析（flow injection analysis，F(xiàn)IA）系統(tǒng)中利用固定化脲酶膜反應(yīng)器測定痕量汞，Claudia等[20]研制了一種裝有游離脲酶的便攜式比色皿能用來檢測重金屬離子。

2.3 免疫分析法

免疫分析法（ELISA）是指利用抗原與抗體間的識別作用來檢測多種物質(zhì)的分析方法[21]。牛乳中的重金屬免疫學(xué)檢測方法是通過制備重金屬的特異性抗體，利用抗原-抗體準(zhǔn)確、快速的反應(yīng)機(jī)制來達(dá)到預(yù)期的目的?？乖悄軌蛞鹈庖叻磻?yīng)的分子，它是形成特異性免疫反應(yīng)的必備條件，而抗原和抗體的制備則是免疫分析的關(guān)鍵過程[22]。免疫分析法具有應(yīng)用廣泛、價(jià)格便宜、現(xiàn)場檢測快速方便等優(yōu)點(diǎn)[23]。20世紀(jì)60年代，Yalow等[24]創(chuàng)立了放射免疫分析（radioimmunoassay，RIA）技術(shù)，使其所能測得的最小濃度達(dá)到10-12g/mL水平。1977年，Halmann等[25]發(fā)明了具有特異性強(qiáng)、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)的化學(xué)發(fā)光免疫分析法（chemiluminescence immunoassay，CLIA）。

2.4 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法（atomic absorption spectroscopy，AAS），又稱原子分光光度法，是基于待測元素的基態(tài)原子蒸汽對其特征譜線的吸收，由特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度對待測元素進(jìn)行定性定量分析的一種儀器分析的方法[26]。該方法具有精度好、選擇性高、測定元素種類多等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品中重金屬元素的測定[27-28]。原子吸收光譜法分為石墨爐原子吸收光譜法、火焰原子吸收光譜法、氫化物原子吸收光譜法，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[29]。

2.4.1 石墨爐原子吸收光譜法

石墨爐原子吸收光譜法（graphite furnace atomic absorption spectroscopy，GFAAS）[30]是利用石墨材料制成管、杯等形狀的原子化器，用電流加熱原子化進(jìn)行原子吸收分析的方法。該方法可使待測樣品全部原子化，避免原子濃度在火焰氣體中的稀釋，使得分析靈敏度得到了顯著的提高，并在測定痕量金屬元素時(shí)，能直接分析固體樣品[31-33]。烏尼爾等[34]通過對石墨爐原子吸收儀器工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得牛乳及其乳制品中Cr的檢出限可達(dá)到0.2 μg/L，回收率≥90%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜3%。

2.4.2 火焰原子吸收光譜法

火焰原子吸收光譜法（flame atomic absorption spectroscopy，F(xiàn)AAS）是由儀器從光源輻射出具有待測元素特征譜線的光，通過試樣蒸氣時(shí)被蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收，由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素的含量。試樣在火焰中的原子化程度與溫度有關(guān)，過低的溫度會導(dǎo)致被測元素不能充分分解成基態(tài)原子，溫度過高則會引起基態(tài)原子電離，降低靈敏度。為了改善FAAS的靈敏度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，F(xiàn)AAS通常與多種技術(shù)相連用。原子捕獲技術(shù)[35]是改善火焰原子光譜靈敏度的一種新技術(shù)，它可以使待測原子在火焰中進(jìn)行濃縮，以改善其靈敏度。孫漢文等[36]提出基于測定信號隨時(shí)間變化的新型導(dǎo)數(shù)測定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原子光譜法靈敏度的顯著提高。朱偉軍利用自制的石英縫管捕集裝置測定了水中的微量鎘，使其靈敏度提高了近61倍[37]。

2.4.3 氫化物原子吸收光譜法

氫化物原子吸收光譜法（hydride generation atomic absorption spectroscopy，HGAAS）是利用選擇性的化學(xué)還原反應(yīng)，將預(yù)處理液中的待測元素還原成揮發(fā)性的共價(jià)氫化物，借助載氣氣流將其導(dǎo)入原子光譜分析系統(tǒng)進(jìn)行定量測定的一種方法[38]。HGAAS作為一種高效分離富集技術(shù)，適用于 As、Bi、Sn、Ge、Hg 等能與氫化物發(fā)生反應(yīng)的多種元素，可將檢測限降低至ng/mL級的濃度[39]。Wilhelm等[40]使用HGAAS法測定了乳制品中的汞和砷含量，方法定量限分別為0.1 μg/kg和1.5 μg/kg。

2.5 中子活化分析法

中子活化分析法（neutron activation analysis，NAA）是以一定能量和流強(qiáng)的中子轟擊試樣中元素的同位素發(fā)生核反應(yīng)，通過測定產(chǎn)生的瞬發(fā)伽瑪或放射性核素衰變產(chǎn)生的射線能量和強(qiáng)度，進(jìn)行物質(zhì)中元素的定性和定量分析。中子活化分析法具有靈敏度高、準(zhǔn)確度和精密度極佳、無需定量分離、基體效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)[41]。Wasim等[42]通過利用中子活化分析儀和AAS兩種儀器相配合的方法檢測鮮巴氏牛乳中多種元素，結(jié)果表明，新鮮的巴氏牛乳中含有較為豐富的Ca、Mg、Zn等元素，所測結(jié)果的平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為7%。Gill等[43]通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證的方法證明中子活化分析法適用于人乳中Zn、Fe等微量元素的檢驗(yàn)，檢出限可以達(dá)到 0.05 ng/mL～50.00 ng/mL。

2.6 溶出伏安法

溶出伏安法（stripping voltammetry，SV）又稱反向溶出極譜法，這種方法是使被測的物質(zhì)，在待測離子極譜分析產(chǎn)生極限電流的電位下電解一定的時(shí)間，然后改變電極的電位，使富集在該電極上的物質(zhì)重新溶出，根據(jù)溶出過程中所得到的伏安曲線來進(jìn)行定量分析。溶出伏安法具有結(jié)構(gòu)簡單，易操作、應(yīng)用范圍廣和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適于痕量金屬的形態(tài)分析，是近年來發(fā)展最快的方法[44]。朱浩嘉等[45]發(fā)現(xiàn)，采用同位鍍汞的方式同時(shí)測定牛乳中Cd、Pb、Cu 3種金屬元素，檢出限為 0.1 μg/L～100.0 μg/L，加標(biāo)回收率≥98.0%，檢測效果良好。研究表明[46]在0.1 mol/L的NaNO3總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖劑中，采用鉛離子電極直接比較法對飲料中的鉛進(jìn)行測定，檢出限為1.2×10-8mol/L。Ahmad Rouhollahi[47]采用PVC膜電極測定水中的鉛，線性范圍低至 1.0×10-2mol/L。

2.7 原子發(fā)射光譜法

原子發(fā)射光譜法（atomic emission spectrometry，AES）又稱光發(fā)射譜法或光譜分析法，是一種測定物質(zhì)元素的組成和含量的分析技術(shù)。其原理是根據(jù)待測物質(zhì)在高溫下，分解形成的原子或離子所發(fā)射的特征光譜的波長及其強(qiáng)度來對各種元素進(jìn)行定性和定量分析的方法。該方法具有多元素同時(shí)檢出、分析速快、選擇性好、檢出限低、標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍寬、樣品消耗少等等多種優(yōu)點(diǎn)。而且AES能夠和多種技術(shù)聯(lián)用，其中，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（inductive coupled plasma-atomic emission spectroscopy，ICP-AES）是 AES技術(shù)延伸結(jié)合的一種新型常用技術(shù)，其基礎(chǔ)理論研究主要涉及ICP放電熱平衡性質(zhì)、離子布居特征、激發(fā)電離機(jī)理以及基體效應(yīng)等方面[48]。ICP放電過程中，少數(shù)偏離熱平衡程度部分隨等離子體的工作參數(shù)而變，但在傳統(tǒng)氬氣電感耦合等離子體（ar-inductive coupled plasma，Ar-ICP）技術(shù)下，等離子體放電偏離LTE狀態(tài)基本屬于部分局部熱平衡[49]。有研究論述了等離子體發(fā)射光譜中易電離元素對溶液和懸浮液質(zhì)量傳輸效率的影響[50]。Dubuisson等[51]比較了軸向觀測和徑向觀測ICP-AES的信背比和基體效應(yīng)。Nascimento等[52]采用 ICP-AES同時(shí)檢測乳制品中的 K、Na、Ca、Mn等多種元素，結(jié)果表明，加標(biāo)回收率超過80%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于3.3%。

2.8 原子熒光光譜法

20世紀(jì)60年代，Winefordner等首先提出原子熒光光譜法（atomic fluorescence spectrometry，AFS）作為一種新的痕量分析化學(xué)方法[53]。它是介于原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜之間的一種利用受激原子在去激發(fā)過程中發(fā)射的特定波長的原子熒光進(jìn)行元素定量分析的一種方法。AFS具有靈敏度高、儀器結(jié)構(gòu)簡單和可多元素同時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在砷、鉛等重金屬檢測方面[54]。在1974年，Tsujiu等[55]將原子熒光光譜和氫化物氣體分離技術(shù)相結(jié)合測定砷元素。有報(bào)道稱氫化物發(fā)生－原子熒光光譜法是測量礦物質(zhì)砷的有效方法之一，原子化效率接近100%[56]。Cava-Montesinos等[57]采用同樣的方法檢測牛乳中的Se元素，檢出限達(dá)到 0.005 μg/L。

3 展望

隨著乳品行業(yè)的不斷發(fā)展，人們健康意識的不斷提高，牛乳及其乳制品逐步成為人們生活中必不可少的健康食品。牛乳中富含多種微量元素和常量元素，對嬰幼兒和成人的生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，因此，選擇一種準(zhǔn)確、穩(wěn)定的元素檢測方法顯得尤為重要。牛乳中多元素檢測方法主要包括電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）、酶抑制法（EIM）、免疫分析法（ELISA）、原子吸收光譜法（AAS）、中子活化分析法（NAA）、溶出伏安法（SV）、原子發(fā)射光譜法（AES）、原子熒光光譜法（AFS）等方法，每一種方法都有特殊的應(yīng)用價(jià)值，其中，電感耦合等離子質(zhì)譜法因其準(zhǔn)確性高、能夠同時(shí)分析元素周期表幾乎所有元素等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品檢測行業(yè)，是目前檢測牛乳中多元素最常用的一種方法，具有廣泛的發(fā)展前景。