胡家勇 周陶鴻 尹思睿 程銀棋 姚曉帆 宋 政

(湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院;湖北省食品質(zhì)量安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，武漢 430060)

食品添加劑用二氧化硅分為氣相二氧化硅、水合硅膠、沉淀二氧化硅三類(lèi)。這三類(lèi)食品添加劑用二氧化硅均為人工合成的高純度二氧化硅白色粉末。人工合成的二氧化硅具有比表面積大，它能在粉末物質(zhì)的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時(shí)也促進(jìn)了粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，另外其還具有孔隙率高、吸附性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在食品工業(yè)常被用作抗結(jié)劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。目前，礦石、建材、水體等材料中二氧化硅的測(cè)量方法報(bào)道較多，主要有：X射線熒光光譜法[1-2]；硅鉬藍(lán)分光光度法[3-5]；硅鉬黃分光光度法[6-8]；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)[9-14]；電感耦合等離子體質(zhì)譜法[15]；氟硅酸鉀滴定法[16-18]；氫氟酸揮散重量法[19-20]；離子色譜法[21-22]。但關(guān)于食品中二氧化硅的檢測(cè)鮮有報(bào)道。二氧化硅作為食品添加劑，可用于粉末油脂制品[23]、蛋白粉[24]、香精香料[25]、固體飲料等，我國(guó)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760—2014)[26]明確規(guī)定其使用范圍以及最大使用量，但是我國(guó)尚未建立食品中二氧化硅檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法，使得食品添加劑二氧化硅的監(jiān)管缺乏技術(shù)支撐，食品質(zhì)量安全監(jiān)督管理部門(mén)無(wú)法對(duì)其實(shí)施監(jiān)管，為了規(guī)范添加劑用二氧化硅的添加使用，為了維護(hù)消費(fèi)者的身體健康，有必要針對(duì)食品中二氧化硅建立高效、快速、準(zhǔn)確定量的檢測(cè)方法，為加強(qiáng)二氧化硅規(guī)范使用的監(jiān)管提供方法參考，以切實(shí)保護(hù)廣大消費(fèi)者舌尖上的安全。

本研究建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中二氧化硅的方法，此方法采用微波消解作為前處理方式，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀檢測(cè)，微波消解操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、干擾少，因此此方法具有操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、精密度與重復(fù)性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、相對(duì)干擾少等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足食品中二氧化硅的檢測(cè)。建立食品中二氧化硅的檢測(cè)方法以期為食品中二氧化硅的測(cè)定提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品購(gòu)于本地超市。

食品添加劑二氧化硅：天津龍華化工有限公司；無(wú)水碳酸鈉(分析純)： 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸(優(yōu)級(jí)純)：Merck；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

Icap 7400 DUO電感耦合等離子體：賽默飛世爾科技公司；ME203/02電子天平、ME2002E/02電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；KLS15/13馬弗爐：德國(guó)THERMCONCEPT公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

微波消解： 準(zhǔn)確稱(chēng)取0.400 0～1.000 0 g試樣于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸進(jìn)行微波消解，微波消解程序設(shè)置如下：溫度爬坡10 min升溫至120 ℃，溫度保持5 min；溫度爬坡10 min升溫至190 ℃，保持20 min；冷卻25 min降溫至55 ℃。消解完成后將消解液用定量濾紙過(guò)濾，用100 mL蒸餾水清洗濾渣，然后將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無(wú)水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測(cè)液。

濕法消解： 準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00～20.00 g試樣于200 mL燒杯中，加20 mL硝酸，蓋上表面皿，置于電熱板上消解，至無(wú)黃煙冒出。消解完成后將消解液用定量濾紙抽濾，用裝有蒸餾水洗瓶沖洗燒杯，邊洗邊過(guò)濾，待燒杯壁無(wú)明顯附著物后，再依次用50 mL三氯甲烷、50 mL無(wú)水乙醇少量多次清洗燒杯，邊洗邊過(guò)濾。將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無(wú)水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測(cè)液。

1.3.2 測(cè)定

1.3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備：稱(chēng)取二氧化硅基準(zhǔn)試劑于定量濾紙上，將二氧化硅高純?cè)噭┻B同濾紙一起放入鎳坩堝中，加入2.0 g無(wú)水碳酸鈉，再將鎳坩堝置于500 ℃馬弗爐炭化20 min，然后將馬弗爐升溫至960 ℃熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉(zhuǎn)移并定容至50 mL離心管中。

1.3.2.2 ICP測(cè)定條件：高頻發(fā)生器功率：1 350 W；霧化器壓力：0.20 MPa；輔助氣流量：0.50 L/min；垂直觀測(cè)高度：12 mm；分析泵速：50.0 r/min；積分時(shí)間：15 s；穩(wěn)定時(shí)間：5 s；沖洗時(shí)間：20 s；沖洗泵速：50.0 r/min；重復(fù)次數(shù)：3次。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

以樣品稱(chēng)樣量(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g)、硝酸使用量(4、6、8、10 mL)、熔劑無(wú)水碳酸鈉使用量(1、2、3、4 g)為影響因素，以二氧化硅含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素水平進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析線波長(zhǎng)選擇

在ICP光譜分析中，分析譜線的選擇對(duì)于樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性具有重要影響。ICP光譜儀中硅有多條譜線，選取3條較為靈敏的硅分析線進(jìn)行測(cè)定，其波長(zhǎng)分別為251.667、212.412、288.158 nm，以20.0 mg/L的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試液，在儀器最佳工作條件下，觀察不同波長(zhǎng)譜線的波形圖，結(jié)果表明波長(zhǎng)212.412 nm的譜線其波形圖較好、峰形穩(wěn)定、背景值低、精密度好，并且波長(zhǎng)251.667、288.158 nm譜線下都存在鈉的干擾，而無(wú)水碳酸鈉作為二氧化硅的熔劑，待測(cè)液里存在高濃度的鈉鹽，影響測(cè)定結(jié)果，因此選擇波長(zhǎng)為212.412 nm的譜線作為本方法中二氧化硅的分析線。

2.2 不同消解方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)

考察不同消解方式對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，由表1可以看出，不同的消解方式，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，當(dāng)濕法消解稱(chēng)樣量水平在5～10 g測(cè)定結(jié)果與微波消解測(cè)定結(jié)果基本一致，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出隨著稱(chēng)樣量的增加，硝酸量不足，消解不完全，影響測(cè)定結(jié)果。因?yàn)槲⒉ㄏ廨^濕法消解操作更加簡(jiǎn)便，并且更易于控制變量。因此最終選定的消解方式為微波消解。

表1 不同消解方式對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.3 最佳稱(chēng)樣量確定

考察不同稱(chēng)樣量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，其中硝酸使用量為8 mL，熔劑無(wú)水碳酸鈉使用量為2 g。由圖1可以看出，稱(chēng)樣量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，稱(chēng)樣量為0.2 g時(shí)，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性差，原因是稱(chēng)樣量太少，稱(chēng)樣時(shí)存在不均勻性。稱(chēng)樣量0.4～1.0 g，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩(wěn)定性均比較好。因此最終確定稱(chēng)樣量為0.4～1.0 g。

圖1 不同稱(chēng)樣量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.4 熔劑無(wú)水碳酸鈉最佳使用量確定

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)水碳酸鈉的使用量對(duì)二氧化硅的測(cè)定結(jié)果有影響，考察無(wú)水碳酸鈉使用量不同對(duì)二氧化硅測(cè)定結(jié)果的影響，其中稱(chēng)樣量為0.6 g，硝酸使用量為8 mL。由圖2可以看出，熔劑無(wú)水碳酸鈉使用量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異性，熔劑無(wú)水碳酸鈉4.0 g時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏低，可能的原因是高濃度的Na+對(duì)二氧化硅測(cè)定結(jié)果有一定的干擾，熔劑使用量1.0～3.0 g，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)熔劑使用量為3.0 g，測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性稍遜于1.0與2.0 g。因此最終確定熔劑無(wú)水碳酸鈉使用量為1.0～2.0 g。

圖2 熔劑使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.5 硝酸使用量

考察硝酸使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響，其中稱(chēng)樣量為0.6 g，熔劑無(wú)水碳酸鈉使用量為2 g。由圖3可以看出，硝酸使用量不同，二氧化硅的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異，稱(chēng)樣量為4 mL時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏低，可能的原因是硝酸使用量偏少，樣品消解不完全，影響結(jié)果測(cè)定，硝酸使用量6～10 mL，二氧化硅測(cè)定結(jié)果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩(wěn)定性均比較好。因此最終確定硝酸使用量為6～10 mL，從消解完全和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度考慮，建立硝酸使用量為6～8 mL。

圖3 硝酸使用量對(duì)二氧化硅測(cè)定的影響

2.6 方法學(xué)驗(yàn)證

2.6.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

在本實(shí)驗(yàn)所確定的實(shí)驗(yàn)條件下，分別將標(biāo)準(zhǔn)工作溶液依次進(jìn)樣測(cè)定。以標(biāo)準(zhǔn)溶液中二氧化硅濃度為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。二氧化硅在0.0～30.0 μg/mL范圍內(nèi)呈良好線性相關(guān)性，線性方程為y=696.7x+112.5，相關(guān)系數(shù)為0.999 7；方法檢出限依據(jù)連續(xù)測(cè)定11次空白溶液的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差得出，其方法檢出限為0.04 g/kg。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限測(cè)定結(jié)果

2.6.2 方法精密度實(shí)驗(yàn)

稱(chēng)取3個(gè)未知二氧化硅含量的咖啡各5份進(jìn)行平行性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表3可知，3個(gè)二氧化硅含量不同的樣品平行性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)在4.33～6.34%，結(jié)果表明本方法的精密度較好符合GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》對(duì)精密度的要求。

表3 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6.3 空白加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

稱(chēng)取二氧化硅空白樣品3份，精確加入二氧化硅高純?cè)噭┻m量，按供試品溶液的制備與測(cè)定同法操作，計(jì)算二氧化硅加標(biāo)回收率，結(jié)果見(jiàn)表4。由表3可知，方法的回收率在91.93～96.98%之間，以上結(jié)果表明本方法的回收率和精密度較好符合GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》對(duì)回收率和精密度的要求。

表4 加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6.4 ICP法與硅鉬黃分光光度法比較

食品中二氧化硅的測(cè)定尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且關(guān)于食品中二氧化硅測(cè)定的報(bào)道也比較少，水中偏硅酸的測(cè)定通常采用GB 8538—2016硅鉬黃分光光度法以及硅鉬藍(lán)分光光度法。為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和可行性，以ICP-AES法和硅鉬黃分光光度法分別測(cè)定隨機(jī)選取的五個(gè)固體飲料，結(jié)果見(jiàn)表5，由表5可以看出兩種方法測(cè)定結(jié)果基本吻合，RSD≤7.0%。

表5 ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法比較

2.7 不同種類(lèi)食品中二氧化硅使用量水平探究

本實(shí)驗(yàn)對(duì)10批次咖啡、10批次奶茶、10批次其他固體飲料、10批次香辛料、10批次乳粉以及10批次固體復(fù)合調(diào)味料實(shí)際樣品進(jìn)行了二氧化硅含量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出，二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、固體復(fù)合調(diào)味料中使用比較普遍，原因是二氧化硅具有比表面積大，使它能在粉末物質(zhì)的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時(shí)也促進(jìn)了粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，因此在食品工業(yè)常被用作抗結(jié)劑；固體飲料及乳粉中添加二氧化硅，主要是因?yàn)槎趸枘茉诜勰┪镔|(zhì)之間起到間隔劑的作用，避免了固體飲料及乳粉在沖調(diào)過(guò)程中結(jié)塊，從而達(dá)到速溶的效果；香辛料、固體復(fù)合調(diào)味料中添加二氧化硅，主要是利用二氧化硅比表面積大，能夠促進(jìn)粉末物質(zhì)的自由流動(dòng)，避免了香辛料、復(fù)合固體調(diào)味料在儲(chǔ)藏過(guò)程中結(jié)塊。

表6 實(shí)際樣品中二氧化硅測(cè)定

3 結(jié)論

采用堿熔融酸化方法，以無(wú)水碳酸鈉為熔劑，經(jīng)微波消解、定量濾紙過(guò)濾、馬弗爐高溫熔融、硝酸酸化溶解進(jìn)行樣品前處理，建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定食品中二氧化硅的方法。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定食品中二氧化硅含量，經(jīng)過(guò)分析線波長(zhǎng)選擇規(guī)避了高含量鈉離子的干擾，同時(shí)進(jìn)行了消解方式、稱(chēng)樣量、熔劑使用量、硝酸使用量四個(gè)因素的單因素實(shí)驗(yàn)，確定了最佳消解方式、稱(chēng)樣量、熔劑使用量以及硝酸使用量。

ICP-AES法測(cè)定食品中二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)曲線及方法學(xué)驗(yàn)證結(jié)果顯示：方法的檢出限為0.04 g/kg，線性回歸方程y=696.7x+112.5，相關(guān)系數(shù)為0.999 7、平行性精密度RSD在4.33%～6.34%之間、加標(biāo)回收率在91.93%～96.98%、ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法的檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著差異，側(cè)面佐證了ICP-AES法測(cè)定食品中二氧化硅結(jié)果的可靠性。經(jīng)過(guò)60批實(shí)際樣品中二氧化硅含量測(cè)定分析，結(jié)果表明二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、復(fù)合固體調(diào)味料中使用比較普遍，尤其在固體飲料和香辛料中使用量較高。