食品及食品接触材料中铬元素形态分析研究进展

吕小丽，郭 平，王文君，戴瑞平，王 栋*

(1.江西省食品检验检测研究院，江西 南昌 330001；2.江西农业大学 食品科学与工程学院，江西 南昌 330045)

元素的形态包括物理形态和化学形态2个方面。在一般情况下，所说的元素形态泛指化学形态，是指该元素以某种离子或分子的形式存在，包括其各种氧化态、各种可能的配体物质等[1]。

随着科学技术的不断发展，人们已经认识到化学元素的存在形态与对人体和环境的作用有着密切的联系，因此元素形态分析成为当今分析化学的重要研究课题之一。

铬(Cr)是一种微量元素，常见的离子价态有0、+2、+3、+6。环境中的铬分为无机铬和有机铬，其中无机铬的含量远比有机铬大得多。三价铬的毒性比较小，而且为人体所必需的元素之一，其主要生理功能是作为葡萄糖耐量因子的组成成分、体内某些代谢酶类的活化剂、核酸的稳定剂和促进胆固醇和脂肪酸的生成。人体缺乏三价铬可能会导致一系列疾病。六价铬的毒性较大，通过毒理学研究已被证明是致癌物。

由于铬元素的不同形态对环境和人体健康有着明显不同的影响，且对食品和食品接触材料的营养与安全的准确评价也有很大影响，近年来，有关铬形态分析的研究越来越多地引起人们的关注。

目前，铬形态的分析方法主要有分光光度法、原子吸收光谱法、离子光谱法、离子色谱与电感耦合等离子体质谱联用法、高效液相色谱与电感耦合等离子体联用法等。本文从样品提取方法、检测技术等方面论述了近年来人们对食品及食品接触材料中铬形态分析的研究状况。

1 无机铬的形态

二价铬是强还原剂，相当不稳定，能迅速氧化成三价铬，因此，二价铬在生物体内极少存在。六价铬离子具有较高的正电荷和较小的半径，因此，不论在晶体中还是在溶液中都不存在简单的六价铬离子，当溶液pH值偏高时，六价铬主要以铬酸根(CrO42-)形态存在；而在酸性条件下则以重铬酸盐(Cr2O72-)的形态存在，是一种很强的氧化剂。三价铬是最稳定的氧化态，也是生物体内最常见的一种，三价铬在中性条件下以Cr3+、Cr(OH)2+、Cr(OH)2+、Cr(OH)3+等形态存在[2-3]。三价铬和六价铬可以通过氧化还原作用相互转化。三价铬到六价铬的转化是一个氧化过程。在碱性条件下，三价铬容易被氧化成六价铬，一般用较弱的氧化剂如过氧化氢即可被氧化；在酸性条件下，三价铬不容易被氧化成六价铬，但在有较强的氧化剂如高锰酸钾存在、温度高于30 ℃下，三价铬离子可能被氧化成六价铬。赵勇[4]的研究表明：三价铬到六价铬的转化，受光照和加热的影响。根据光化学反应原理，含不饱和键的脂类化合物易产生自由基，而这些自由基可与氧气分子结合，形成过氧化物自由基和超氧化物自由基，加速三价铬到六价铬的转化。Róbert等[5]的研究表明：在加热过程(面包烘焙和烤制)中，三价铬不会转化为六价铬。

六价铬到三价铬是一个还原过程。一般来说在酸性环境下(pH值2～3)，而且有焦亚硫酸钠、硫酸亚铁等还原剂的存在下，六价铬均可转化为三价铬；在碱性条件下，可以用硫化钠等作为还原剂，也可使六价铬还原为三价铬。除了物理化学还原法外，利用电解的原理，也可将六价铬转化为三价铬。

2 食品和食品接触材料中铬元素的形态分析

元素的形态分析一般包括以下4个步骤：样品预处理、不同价态铬的分离、不同价态铬的定性和定量，在分析过程中，每一步实施的有效性都会影响最终的结果。

2.1 铬形态分析中的样品前处理方法

形态分析中的样品前处理尤为重要，要求在处理过程中，既要保持样品中待测元素原有存在的形态不变，又要使样品中各待测形态能定量地转化为可测形式，再分别予以测定。样品处理实际上包括样品采集、样品贮存、样品处理。样品中铬的存在形式比较复杂，其中三价铬和六价铬在不同的酸碱度下，其存在形态和稳定性有差异。因此，针对不同的样品，测定不同价态的铬应采用不同的样品处理方法。

2.1.1 三价铬的前处理方法 在酸性条件下提取三价铬并结合离子树脂等手段净化，有可能导致六价铬还原。袁建等[6]利用离子交换树脂选择吸附原理，对食品中铬的价态与含量分析的前处理方法进行了探讨。试验中用常用预处理方法(硝酸、硝酸-高氯酸消化、550 ℃灰化)结合弱碱性阴离子交换树脂吸附，结果表明：常用的预处理方法都会引起铬价态的变化，试验中采用盐酸浸提不会改变铬的价态，从而可以分别测定三价铬和六价铬。采用硝酸和硝酸-高氯酸消化预处理的这一报道与肖亚兵等[7]的研究报道一致。而与采用直接灰化法的结论有差异。

黄文耀等[8]选用强碱性阴离子交换树脂分离、石墨炉原子吸收法测定食品中的三价铬。样品中铬经盐酸微波浸提后，三价铬以阳离子形式存在，六价铬以阴离子形式存在，过滤后的滤液过强碱性阴离子交换柱，六价铬阴离子被吸附在交换柱上，强碱性阴离子树脂在酸性条件下选择吸附六价铬，而三价铬用0.1%～5.0%的盐酸洗脱，从而达到了三价铬和六价铬分离的目的。

2.1.2 六价铬的前处理方法 鉴于三价铬在酸性条件下是阳离子、六价铬是阴离子的特性，在碱性条件下，提取六价铬有可能导致三价铬氧化，因此需控制碱液pH值和加入保护剂等。杨振宇等[2]对EPA 3060A的前处理方法进行考察，发现10%的碱性提取液可以有效地降低三价铬转化为六价铬，在碱性条件下提取六价铬，应选用合适的碱性溶液，并使用合适的浓度。

肖亚兵等[7]采用石墨炉原子吸收法直接测定鸡蛋中的六价铬。试验中采用直接灰化(550 ℃)法作为样品消化的方法，对铬的价态无影响。倪张林等[9]采用微波灰化技术，通过高温消除食用菌样品中的有机物，并且样品中原有铬的形态没有发生变化。灰化后的样品用EDTA溶液配合形成Cr(Ⅲ)-EDTA，稳定其中的三价铬，再通过HPLC-IPC-MS测定样品中三价铬和六价铬。与袁建等[6]的结论存在差异，可能是由于测定的样品基质不同。

2.2 测定方法

样品预处理后，需对提取物中不同价态的铬进行精确的检测，在元素形态分析中常用的检测方法有分光光度法、原子吸收光谱法、等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)等。

2.2.1 分光光度法 分光光度法作为一种传统经典的检测技术，在铬的形态分析中应用较早。分光光度法测定铬的形态时，通常是利用六价铬的强氧化性和催化活性，使某种有机试剂褪色或颜色加深而用于定量测定。分光光度法具有操作简便、灵敏度高、仪器费用低等优点。

谢华林[10]以磷酸掩蔽铁，采用二苯碳酰二肼(DPC)作显色剂，用吸光光度法直接测定水中六价铬。铬(Ⅵ)在0.004～1.000 mg/L范围内呈线性关系，线性回归方程为A=2.000C+1.825×10-3(C的单位为mg/L)，相关系数为0.9969，该方法的线性良好，加标回收率在98.8%～102.4%之间。

方邢有等[11]建立了测定食品接触材料有机涂层中六价铬的分光光度法，分别用蒸馏水、3%乙酸水溶液浸泡不粘锅涂层，95 ℃恒温存放90 min，得到食品模拟物，对水、3%乙酸水溶液食品模拟物样品用二苯碳酰二肼分光光度法直接测定。六价铬的方法检出限为0.008 mg/L，方法的回收率为86.0%～108.0%。

徐义邦等[12]对GB/T 7467─1987二苯碳酰二肼分光光度法测定水中六价铬的方法进行了适当的改进，在配制二苯碳酰二肼显色剂时，以乙醇代替有毒的丙酮作为溶剂，同时加入适量硫酸和磷酸，配成含混合酸的显色剂，分析时一次性加入，这样可以简化操作步骤，提高工作效率。六价铬的检出限为0.0038 mg/L，铬(Ⅵ)在0.004～0.400 mg/L范围内呈线性关系，线性回归方程为y=0.01584x+0.00077，r=0.9999，方法的线性良好。加标回收率为91.0%～110.0%，相对标准偏差均在10%以下。

已发布的国家标准GB 31604.25─2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 铬迁移量的测定》[13]中的第四法规定了食品接触材料及其制品在食品模拟物中浸泡后铬迁移量测定的二苯碳酰二肼比色法，该方法以高锰酸钾氧化低价铬为高价格(Cr6+)，加氢氧化钠沉淀铁、加焦磷酸钠屏蔽剩余铁等，利用二苯碳酰二肼与铬生成红色络合物，与标准系列比较定量，方法检出限为0.008 mg/L，定量限为0.025 mg/L。

2.2.2 原子吸收光谱法 原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收进行元素定量分析的一种方法。原子吸收光谱法具有检出限低、选择性强、灵敏度高、分析精度好、分析速度快、应用范围广、抗干扰能力强、仪器比较简单、操作简便等优点，缺点主要有多元素同时测定尚有困难、标准曲线的线性范围窄等。

原子吸收光谱法包括火焰原子吸收光谱法、氢化物发生-原子吸收光谱法、石墨炉原子吸收光谱法等。其中火焰原子吸收光谱法是原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至今也广泛应用于食品和食品接触材料的铬形态分析中，石墨炉原子吸收光谱法是应用最广的一种原子吸收光谱法。

Róbert等[5]采用石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)测定了食品和营养补充剂中的铬含量，研究了烘烤和烘烤面包期间Cr(III)与Cr(VI)的转变情况。结果表明：在加热过程(面包烘焙和烤制)中，三价铬不会转化为六价铬。

袁建等[6]研究了用离子交换-石墨炉原子吸收光谱法(IE-GFAAS)测定食品中痕量Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)；讨论了原子化条件、样品预处理方法、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分别测定的条件选择与方法。结果表明：Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在0～80 ng/mL范围内呈线性关系，其中Cr(Ⅵ)的标准曲线为：y=0.00502+0.00188x，r=0.999；Cr(Ⅲ)的标准曲线为：y=0.00899+0.00173x，r=0.998。平均回收率为88.0%～104.9%。

肖亚兵等[7]根据Cr(Ⅲ)与噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)生成的络合物在石墨炉中的挥发性，建立了一种前处理简单、灵敏度高的测定鸡蛋中六价铬的分析方法。他们通过研究鸡蛋样品的消化方式、Cr(Ⅲ)与TA络合的反应酸度、各种试剂的加入量、超声波水浴的温度和时间、静置时间等条件，对石墨炉挥发Cr(Ⅲ)的原子化条件进行了探讨。测试液中Cr(Ⅵ)质量浓度在0.001～0.010 mg/L范围内呈良好的线性关系，线性回归系数为0.9997。鸡蛋样品中Cr(Ⅵ)不同加入量的平均回收率在75%～96%，相对标准偏差为3.5%～11.5%，定量下限为0.3 μg/L。

闫美等[14]通过10% HCl热水浸提，过强阴离子交换树脂，再用石墨炉原子吸收光谱法同时测定保健食品中的三价铬和六价铬。三价铬在加标量分别为5、10、20 μg/kg时，回收率为91.5%～100.41%；六价铬在加标量分别为5、10、20 μg/kg时，未过柱前总铬的回收率达100.07%，将消解液过强阴离子交换树脂后，六价铬的回收率仅0.60%。仪器的检测限为0.244 μg/L，方法检测限为0.024 mg/L。

GB 31604.25─2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 铬迁移量的测定》[13]中的第一法和GB 5009.123─2014《食品安全国家标准 食品中铬的测定》[15]规定了食品接触材料或食品中铬的石墨炉原子吸收光谱测定方法。

2.2.3 原子发射光谱法 原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征也不同，据此可对样品进行定性分析，而根据待测元素原子的浓度不同时发射强度不同，可实现元素的定量测定。该方法可对约70种元素进行分析。原子发射光谱仪分为3个部分：光源、光谱仪、检测器。目前常用的是光源为电感耦合等离子体(ICP)光源，ICP具有检出限低、稳定性好、精密度和准确度高、自吸效应和基体效应小、标准曲线线性范围宽等优点，在食品和食品接触材料的铬价态分析中也有应用。

凌美英[16]采用4%(v/v)乙酸煮沸0.5 h、室温放置24 h处理样品，选择Mn的波长257.610 nm、Cr的波长267.716 nm为分析线，使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定锰和铬，从而建立了快速测定不锈钢食具浸出液中锰和铬的方法。试验确定了仪器的最佳工作条件，讨论了共存元素的干扰问题。在锰的质量浓度为0.10～500 μg/mL、铬的质量浓度为0.10～500 μg/mL范围内与其发射强度呈线性，其校准曲线的线性相关系数分别为0.9999、0.9997。方法中锰和铬的检出限分别为0.010和0.020 μg/mL。按照实验方法测定样品浸出液中锰和铬，结果的相对标准偏差(RSD，n=7)为1.2%～1.5%；并与分光光度法、原子吸收光谱法的测定结果相符合。

李颖等[17]建立了电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法测定奶及奶粉中六价铬。样品经干法灰化后，用一定体积的稀硝酸将灰分全部溶解并用水定容，待测溶液经雾化器形成气溶胶被载气送进ICP炬管，各种组分的原子在高温中被激发，产生不同波长的复合光，再经光栅分光得到被测组分的原子特征波长的单色光，最终被光电倍增管检测，外标法计算待测元素的含量。本方法的检出限为0.035 μg/mL，精密度为1.69%，回收率为97.0%。

吴婕等[18]将龟苓膏试样经干法灰化后，采用电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-OES)测定其中的镉、铬和锌含量。该方法的加标回收率为93.9%～105.1%，相对标准偏差为0.85%～3.03%，具有良好的准确度和精密度。因此，该方法可用于龟苓膏中重金属含量的检测和控制。

GB 31604.49─2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 砷、镉、铬、铅的测定和砷、镉、铬、镍、铅、锑、锌迁移量的测定》[19]中的第二部分第二法规定了食品接触材料及制品在食品模拟物中浸泡后砷、镉、铬、镍、铅、锑和锌迁移量测定的电感耦合等离子体发射光谱法，铬的方法检出限为0.01 mg/L，定量限为0.03 mg/L。

SN/T 2891─2011《出口食品接触材料 高分子材料 聚乙烯、聚丙烯中铬、锆、钒和铪的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》[20]规定了以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为原料制作的食品容器、食品包装薄膜中铬、锆、钒和铪测定的电感耦合等离子体发射光谱法。该方法的检出限为5.0 mg/kg。

2.2.4 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS) 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是20世纪80年代发展起来的无机元素和同位素分析测试技术，它是以独特的接口技术将电感耦合等离子体的高温电离特性与质谱仪的灵敏快速扫描的优点相结合而形成的一种高灵敏度的分析技术。ICP-MS的优点是灵敏度高、速度快，可在几分钟内完成几十个元素的定量测定；谱线简单，干扰相对于光谱技术要少；线性范围可达7～9个数量级；样品的制备和引入相对于其他质谱技术简单。近年来，研究者将其与液相色谱或离子色谱等色谱方法或毛细管电泳方法联用，先用色谱方法或毛细管电泳方法将三价铬和六价铬分离，然后采用电感耦合等离子体质谱进行检测。该方法既具有色谱法的高分离能力，又具有ICP-MS的高灵敏度等优点，在铬形态分析中发挥着重要的作用。

倪张林等[9]建立了干食用菌中三价铬[Cr(Ⅲ)]和六价铬[Cr(Ⅵ)]的液相色谱-电感耦合等离子体质谱(LC-ICP-MS)检测方法。采用微波灰化技术对食用菌样品进行灰化处理，用乙二胺四乙酸(EDTA)二钠盐稳定灰化样品中的Cr(Ⅲ)，并使其保留在阴离子交换柱(250 mm×4.6 mm，10 μm)上；用含有60 mmol/L硝酸(pH值9.3)的流动相分离其中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，再用电感耦合等离子体质谱仪测定。标准溶液中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的质量浓度在0.5～50.0 μg/L范围内呈良好的线性关系，线性回归系数均达到0.9999。食用菌样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)不同加入量的平均回收率为78.0%～90.7%，相对标准偏差小于4%(n=6)，定量限均为0.5 μg/L。该方法稳定、可靠、灵敏，可满足干食用菌中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的测定。

胡玉军等[21]建立了高效液相色谱仪(HPLC)与电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)联用同时测定乳制品中的三价铬和六价铬的方法。样品在EDTA缓冲液中煮沸，冷却后在离心机中以8000 r/min离心10 min沉降蛋白质，取清液用0.45 μm滤膜过滤，就完成了三价铬和六价铬的同时提取。以NH4NO3为流动相(pH值7.0～7.2)，流速为0.6 mL/min，使用HPLC-ICP-MS仅需4 min就完成了提取液中三价铬和六价铬的分离和测定。结果表明：三价铬和六价铬的线性范围为0.2～20 μg/L，相关系数均大于0.9995，其检出限分别为0.034 μg/L和0.066 μg/L。

宋伟华等[22]建立了一种测定黄酒中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱分析方法。黄酒经炭黑氨基柱净化，超纯水洗脱，色谱条件为Dionex AS11-HC阴离子预柱(4 mm×50 mm×9 μm)，以60 mmol/L(pH值9.0)硝酸铵作为流动相，流量为1.5 mL/min；以电感耦合等离子体质谱进行定性和定量分析。结果表明:在0～20 μg/L范围内，Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的线性良好，相关系数均在0.998以上；添加回收率为81.2%～94.8%，相对标准偏差为1.7%～4.1%；黄酒中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的定量限分别为0.12 μg/L和0.18 μg/L。

陈光等[23]采用离子色谱(IC)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用法测定了饮用水中的三价铬[Cr(Ⅲ)]和六价铬[Cr(Ⅵ)]，500 μL进样量时，2种铬形态Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的方法检出限分别为0.007 ng/mL、0.067 ng/mL。根据加标回收的方法评价了该方法的准确性，加标回收率为95.7%～112.5%，相对标准偏差为1.4%～3.8%(n=6)。

GB 31604.49─2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品 砷、镉、铬、铅的测定和砷、镉、铬、镍、铅、锑、锌迁移量的测定》[19]中的第二部分第一法规定了食品接触材料及其制品在食品模拟物中浸泡后，砷、镉、铬、镍、铅、锑和锌迁移量测定的电感耦合等离子体质谱法，铬的方法检出限为1 μg/L，定量限为3 μg/L。

SN/T 2210─2008《保健食品中六价铬的测定 离子色谱-电感耦合等离子体质谱法》[24]规定了保健食品中六价铬的离子色谱-电感耦合等离子体质谱测定方法。试样中的六价铬采用氢氧化钠和碳酸钠碱性溶液提取，提取液用离子色谱-电感耦合等离子体质谱进行测定，外标法定量。六价铬的测定低限为0.01 mg/kg。六价铬在0.01～0.25 mg/kg添加量水平时，回收率范围为83.0%～108.0%，精密度范围为2.1%～6.6%。

何叶等[25]建立了一种基于CE-ICP-MS联用技术同时分析检测六价铬(Cr6+)、三价铬(Cr3+)和吡啶甲酸铬(CrPic)的方法，同时建立了一种从保健食品中提取微量铬化合物的超声提取方法。在20 min内可以有效提取保健食品中所有形态铬化合物，且不改变其形态，在7 min内可实现对Cr6+、Cr3+、CrPic这3种不同形态铬化合物的基线分离和检测，3种不同形态铬化合物的方法检测限低至0.4～0.8 ng Cr/mL，加标回收率为95%～109%。

3 总结

本文综述了近年来铬形态分析方面的研究进展，随着质谱联用技术的引入，检测效率与检出限均得到了大幅度提高。但为了对食品和食品接触材料的营养与安全进行准确评价，铬价态分析的检测技术仍将是今后分析领域的研究重点之一。由于食品基质复杂，而铬的2种形态在检测过程的转化是存在的，不同的提取方式和检测条件对测定结果有很大的影响，因此需要寻找合适的样品预处理方法，避免分析过程中不同形态铬之间的转化，同时需要寻找更加合理、简单而有效的不同铬价态的分离技术，从而进一步提高检测方法的灵敏度和选择性。