牛乳中主要元素检测方法的研究进展

于海洋，接伟光，姜怡彤，姚延轩，肖光辉

（黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江哈尔滨150066）

随着乳品行业的发展，牛乳及其乳制品已逐渐成为市场主流的健康食品。牛乳是一种天然的保健食品，是人体内必需元素的主要营养来源，对人体的健康发育起着重要的促进作用[1-2]。牛乳及其乳制品的安全检测是乳品行业发展的重中之重，而牛乳中多元素检测更是乳品行业安全检测中的重要一块，因此，选择一种快速、准确、安全的多元素检测技术对于牛乳中元素含量控制具有重要意义。然而，在2013年，某检测机构对97批次的牛乳制品进行全项检测，结果发现微量元素超标超标比例占13%[3]。因此，检测并控制好牛乳及其乳制品中各种元素的含量是有效保证其质量与安全生产的前提。

1 牛乳中的主要元素

牛乳中包括 K、Ca、Cu、Mn等多种有益元素，对改善人体亚健康状态具有良好的作用。此外，牛乳中还可能存在一些有害的微量重金属元素，对人们的健康产生威胁[4]。这主要取决于它们的浓度，如汞、铅等在安全浓度范围内则不会对人体产生严重危害，然而，一些必需微量元素如果超过了安全范围也会对人体产生不利影响。因此，在牛乳的检验过程中要严格的执行国家标准，保证每种元素的含量都符合标准。牛乳中多种元素的检测方法以及标准如表1所示。

表1 牛乳中多种元素的检测方法Table 1 Detection of a variety of elements in milk

2 牛乳中多种元素的检测方法

牛乳中多种元素的检测方法主要包括和电感耦合等离子质谱法（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）等多种方法，每种方法在实际应用中各有特色。从原理、特点和实际应用3个方面分别对每种方法进行描述，旨在为牛乳及其乳制品中多种元素检测方法的未来研究和发展提供参考。

2.1 电感耦合等离子质谱法

电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）[5]是将试样消解后，由电感耦合等离子体质谱仪测定，以元素特定质量数（质荷比，m/z）定性，采用外标法，以待测元素质谱信号与内标元素质谱信号的强度比与待测元素的浓度成正比进行定量分析的一种方法。ICP-MS是20世纪80年代发展起来的一种新的元素检测技术[6]，具有灵敏度高、检出限低、可进行多种模式的分析、线性范围宽等多种优点[7-9]。它以独特的接口技术将ICP的高温电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合，能够同时分析元素周期表中几乎所有的元素，该技术已广泛应用于食品领域[10]。尤其是在牛乳及其乳制品检测方面取得了巨大的进步，对于高含量元素，其检出限可达到10-3μg/mL[11]。Jeong等[12]通过电感耦合等离子质谱法对市售的几种酸奶进行元素测定，证明Cu和Mn在水果混合型酸奶中的含量相对较高。

2.2 酶抑制法

酶抑制法（EIM）是利用酶的功能基团受到某种物质的影响，从而导致酶活力降低或丧失作用的方法。EIM由于具有成本低、操作简单、现场快速检测等优点已被广泛应用[13]。目前，研究者们通过酶抑制法对酶的活性以及反应两方面进行了研究[14]。常用的酶有脲酶、丁酰胆碱脂酶和异柠檬酸脱氢酶等，其中，最常见的是脲酶[15]。生物传感器是酶抑制检测方法的主要手段之一，能在复杂的体系中进行快速在线监测，己被广泛应用于多种领域。Tadeusz等[16]研制的酶传感器检测Hg离子，使无机汞的检测范围低于1.00 μmol/L。Shi等[17]研制了利用脲酶抑制法制成的试纸条，具有快速检测的作用。Compagnone等[18]利用氧化酶传感器来测定重金属离子，发现Hg2+对酶活性的抑制最为明显，可使Hg2+测定范围达到0.05 mg/L～0.5 mg/L。Renbing Shi等[19]在带有电位检测的流动注射分析（flow injection analysis，FIA）系统中利用固定化脲酶膜反应器测定痕量汞，Claudia等[20]研制了一种装有游离脲酶的便携式比色皿能用来检测重金属离子。

2.3 免疫分析法

免疫分析法（ELISA）是指利用抗原与抗体间的识别作用来检测多种物质的分析方法[21]。牛乳中的重金属免疫学检测方法是通过制备重金属的特异性抗体，利用抗原-抗体准确、快速的反应机制来达到预期的目的。抗原是能够引起免疫反应的分子，它是形成特异性免疫反应的必备条件，而抗原和抗体的制备则是免疫分析的关键过程[22]。免疫分析法具有应用广泛、价格便宜、现场检测快速方便等优点[23]。20世纪60年代，Yalow等[24]创立了放射免疫分析（radioimmunoassay，RIA）技术，使其所能测得的最小浓度达到10-12g/mL水平。1977年，Halmann等[25]发明了具有特异性强、线性范围宽等优点的化学发光免疫分析法（chemiluminescence immunoassay，CLIA）。

2.4 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法（atomic absorption spectroscopy，AAS），又称原子分光光度法，是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收，由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待测元素进行定性定量分析的一种仪器分析的方法[26]。该方法具有精度好、选择性高、测定元素种类多等特点，已被广泛应用于食品中重金属元素的测定[27-28]。原子吸收光谱法分为石墨炉原子吸收光谱法、火焰原子吸收光谱法、氢化物原子吸收光谱法，每种方法都有各自的优缺点[29]。

2.4.1 石墨炉原子吸收光谱法

石墨炉原子吸收光谱法（graphite furnace atomic absorption spectroscopy，GFAAS）[30]是利用石墨材料制成管、杯等形状的原子化器，用电流加热原子化进行原子吸收分析的方法。该方法可使待测样品全部原子化，避免原子浓度在火焰气体中的稀释，使得分析灵敏度得到了显著的提高，并在测定痕量金属元素时，能直接分析固体样品[31-33]。乌尼尔等[34]通过对石墨炉原子吸收仪器工作参数进行优化，使得牛乳及其乳制品中Cr的检出限可达到0.2 μg/L，回收率≥90%，相对标准偏差＜3%。

2.4.2 火焰原子吸收光谱法

火焰原子吸收光谱法（flame atomic absorption spectroscopy，FAAS）是由仪器从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。试样在火焰中的原子化程度与温度有关，过低的温度会导致被测元素不能充分分解成基态原子，温度过高则会引起基态原子电离，降低灵敏度。为了改善FAAS的灵敏度，扩大其应用范围，FAAS通常与多种技术相连用。原子捕获技术[35]是改善火焰原子光谱灵敏度的一种新技术，它可以使待测原子在火焰中进行浓缩，以改善其灵敏度。孙汉文等[36]提出基于测定信号随时间变化的新型导数测定技术，实现了原子光谱法灵敏度的显著提高。朱伟军利用自制的石英缝管捕集装置测定了水中的微量镉，使其灵敏度提高了近61倍[37]。

2.4.3 氢化物原子吸收光谱法

氢化物原子吸收光谱法（hydride generation atomic absorption spectroscopy，HGAAS）是利用选择性的化学还原反应，将预处理液中的待测元素还原成挥发性的共价氢化物，借助载气气流将其导入原子光谱分析系统进行定量测定的一种方法[38]。HGAAS作为一种高效分离富集技术，适用于 As、Bi、Sn、Ge、Hg 等能与氢化物发生反应的多种元素，可将检测限降低至ng/mL级的浓度[39]。Wilhelm等[40]使用HGAAS法测定了乳制品中的汞和砷含量，方法定量限分别为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）是以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度，进行物质中元素的定性和定量分析。中子活化分析法具有灵敏度高、准确度和精密度极佳、无需定量分离、基体效应小等优点[41]。Wasim等[42]通过利用中子活化分析仪和AAS两种仪器相配合的方法检测鲜巴氏牛乳中多种元素，结果表明，新鲜的巴氏牛乳中含有较为丰富的Ca、Mg、Zn等元素，所测结果的平均相对标准偏差为7%。Gill等[43]通过标准物质验证的方法证明中子活化分析法适用于人乳中Zn、Fe等微量元素的检验，检出限可以达到 0.05 ng/mL～50.00 ng/mL。

2.6 溶出伏安法

溶出伏安法（stripping voltammetry，SV）又称反向溶出极谱法，这种方法是使被测的物质，在待测离子极谱分析产生极限电流的电位下电解一定的时间，然后改变电极的电位，使富集在该电极上的物质重新溶出，根据溶出过程中所得到的伏安曲线来进行定量分析。溶出伏安法具有结构简单，易操作、应用范围广和灵敏度高等优点，适于痕量金属的形态分析，是近年来发展最快的方法[44]。朱浩嘉等[45]发现，采用同位镀汞的方式同时测定牛乳中Cd、Pb、Cu 3种金属元素，检出限为 0.1 μg/L～100.0 μg/L，加标回收率≥98.0%，检测效果良好。研究表明[46]在0.1 mol/L的NaNO3总离子强度调节缓冲剂中，采用铅离子电极直接比较法对饮料中的铅进行测定，检出限为1.2×10-8mol/L。Ahmad Rouhollahi[47]采用PVC膜电极测定水中的铅，线性范围低至 1.0×10-2mol/L。

2.7 原子发射光谱法

原子发射光谱法（atomic emission spectrometry，AES）又称光发射谱法或光谱分析法，是一种测定物质元素的组成和含量的分析技术。其原理是根据待测物质在高温下，分解形成的原子或离子所发射的特征光谱的波长及其强度来对各种元素进行定性和定量分析的方法。该方法具有多元素同时检出、分析速快、选择性好、检出限低、标准曲线线性范围宽、样品消耗少等等多种优点。而且AES能够和多种技术联用，其中，电感耦合等离子体原子发射光谱法（inductive coupled plasma-atomic emission spectroscopy，ICP-AES）是 AES技术延伸结合的一种新型常用技术，其基础理论研究主要涉及ICP放电热平衡性质、离子布居特征、激发电离机理以及基体效应等方面[48]。ICP放电过程中，少数偏离热平衡程度部分随等离子体的工作参数而变，但在传统氩气电感耦合等离子体（ar-inductive coupled plasma，Ar-ICP）技术下，等离子体放电偏离LTE状态基本属于部分局部热平衡[49]。有研究论述了等离子体发射光谱中易电离元素对溶液和悬浮液质量传输效率的影响[50]。Dubuisson等[51]比较了轴向观测和径向观测ICP-AES的信背比和基体效应。Nascimento等[52]采用 ICP-AES同时检测乳制品中的 K、Na、Ca、Mn等多种元素，结果表明，加标回收率超过80%，相对标准偏差低于3.3%。

2.8 原子荧光光谱法

20世纪60年代，Winefordner等首先提出原子荧光光谱法（atomic fluorescence spectrometry，AFS）作为一种新的痕量分析化学方法[53]。它是介于原子吸收光谱和原子发射光谱之间的一种利用受激原子在去激发过程中发射的特定波长的原子荧光进行元素定量分析的一种方法。AFS具有灵敏度高、仪器结构简单和可多元素同时分析等优点，尤其是在砷、铅等重金属检测方面[54]。在1974年，Tsujiu等[55]将原子荧光光谱和氢化物气体分离技术相结合测定砷元素。有报道称氢化物发生－原子荧光光谱法是测量矿物质砷的有效方法之一，原子化效率接近100%[56]。Cava-Montesinos等[57]采用同样的方法检测牛乳中的Se元素，检出限达到 0.005 μg/L。

3 展望

随着乳品行业的不断发展，人们健康意识的不断提高，牛乳及其乳制品逐步成为人们生活中必不可少的健康食品。牛乳中富含多种微量元素和常量元素，对婴幼儿和成人的生长发育起着至关重要的作用，因此，选择一种准确、稳定的元素检测方法显得尤为重要。牛乳中多元素检测方法主要包括电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）、酶抑制法（EIM）、免疫分析法（ELISA）、原子吸收光谱法（AAS）、中子活化分析法（NAA）、溶出伏安法（SV）、原子发射光谱法（AES）、原子荧光光谱法（AFS）等方法，每一种方法都有特殊的应用价值，其中，电感耦合等离子质谱法因其准确性高、能够同时分析元素周期表几乎所有元素等优点被广泛应用于食品检测行业，是目前检测牛乳中多元素最常用的一种方法，具有广泛的发展前景。