KMnO4 氧化-单扫描示波极谱法间接测定食品中甜蜜素

王 莹，陈 文，张 浩

(成都理工大学 材料与化学化工学院，成都 610059)

甜味剂是对食物有重要影响的食品添加剂，是禁糖人士的福音。甜蜜素(CYC)属于甜味剂的一种，其对光、热稳定，甜度为蔗糖的30～80倍[1]，应用范围很广。CYC 化学名称是环己基氨基磺酸钠(C6H11NHSO3Na)，为白色结晶或结晶性粉末，无臭，水溶性好。CYC 可溶于水和丙二醇，在两者中的溶解度为1 g/5 mL[2]，0.1 kg·m－3CYC溶液的pH 约为6.5。自2009年广东省“真果粒奶味饮料”中CYC 超标事件发生以来，CYC 的安全使用问题受到了公众的广泛关注。人体每天代谢的CYC 的量有限，CYC的最大摄入量为每公斤体重11 mg。摄入过量的CYC不仅会加重肝脏负担，还对肾脏有一定的毒副作用[3]；有研究表明，甜蜜素还对成骨细胞的增殖和分化有明显的的抑制作用[4]。因此，建立一个简单、快速、有效地测定食品中CYC 含量的方法，对于食品安全的保障具有十分重要的意义。

目前，CYC的测定方法有气相色谱法[5-6]、高效液相色谱法[7-8]、液相色谱-串联质谱法[9-10]、分光光度法[11]、薄层层析法[12]和离子色谱法[13-14]等。这些方法各有其应用领域和特点，但气相色谱法和液相色谱法存在设备昂贵、无法在基层检测机构使用的问题；液相色谱-串联质谱法和薄层层析法存在分析过程繁琐、样品前处理要求较高、操作过程不够简便等问题。

目前，关于采用电化学方法检测CYC的报道不多。文献[15]使用三电极系统，在氨性底液[含有0.8%(质量分数)对氨基苯磺酸、0.2%(质量分数)盐酸奈乙二胺、5%(质量分数)氨水的混合溶液]中，建立了在－0.38 V(相对于饱和甘汞电极)下测量CYC的二次衍生极谱波的方法，但该方法需将CYC酯化，分析过程繁琐，分析时间较长。根据文献[16]报道，在强碱性溶液中，KMn O4会与CYC发生氧化还原反应，Mn O4－被还原为绿色的Mn O42－。当把极谱三电极置于上述反应体系中进行线性扫描时，Mn O4－在电极上会产生一个还原峰，且还原峰的峰电流与CYC的含量在一定范围内呈显著负相关，即CYC浓度越大，峰电流越小。

本工作先采用正己烷对样品中的CYC 进行提取，以将其与样品中的色素及其他具有还原性的物质进行有效的分离，然后采用单扫描示波极谱法测定CYC含量，该方法分析体系简单，无需对CYC进行转化，具有灵敏度较高、操作简便、分析成本低等特点，有较好的应用价值。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

JP-303型示波极谱仪；三电极体系:滴汞电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极(222型)，铂微电极为辅助电极；BS-2245型电子分析天平；H-S6型恒温水浴箱；HC-2066 型高速离心机；优普系列ULUP-IV-10T 型超纯水机。

CYC 标准储备溶液:10.00 g·L－1，称取1.000 0 g CYC 于烧杯中，用水溶解并定容至100.0 mL。

CYC标准溶液:1.000 g·L－1，移取10.00 mL CYC标准储备溶液于100 mL 容量瓶中，用水稀释至刻度。

NaOH 饱和溶液:23 mol·L－1，称取92.0 g NaOH 于烧杯中，加入100 mL水溶解，冷却至室温后真空抽滤，滤液备用。

KMn O4溶液:0.033 5 mol·L－1，称取1.7 g KMnO4固体于500 mL 水中，盖上表面皿，加热至沸腾并保持微沸状态1 h，冷却至室温，溶液保存于棕色试剂瓶中，并在室温下静置5 d后，用砂芯漏斗过滤备用[12]。其含量用草酸基准试剂标定。

十二烷基磺酸钠(SDS)溶液:1.0×10－3mol·L－1，称取0.014 4 g SDS于烧杯中，用水溶解并定容至50.0 mL。

CYC标准品纯度为99%；NaOH 为优级纯；其他试剂均为分析纯；试验用水为RO 纯净水。

果冻、话梅、菠萝啤酒样品采购于当地超市。

1.2 仪器工作条件

起始电位－0.20 V；扫描速率0.40 V·s－1；静止时间4 s；扫描次数3 次；汞柱高度45 cm；量程0～4.0×102nA；测试温度常温。

1.3 试验方法

称取固体样品果冻约70 g或话梅约15 g，加水约30 mL，用玻棒捣碎后搅拌10 min，滤纸过滤，滤液备用；将20 mL 液体样品菠萝啤酒放入50 ℃水浴锅，保温20 min除去其中的二氧化碳，冷却至室温，备用。

取上述处理好的固(液)体样品溶液20 mL于50 mL 离心管中，加入10 mL 正已烷，振荡提取5 min后，以2 000 r·min－1转速离心10 min，收集上清液于50 mL烧杯中，加入30 mL水，于70℃保温30 min，除去溶液中的正己烷，即得到待测样品溶液。在10.0 mL 的比色管中依次加入样品溶液1.0 mL、KMn O4溶液0.10 mL、少量水、NaOH 饱和溶液0.90 mL和SDS溶液0.75 mL，用水稀释至刻度，摇匀后放入50 ℃恒温水浴中保温20 min，冷却至室温后倒入10 mL烧杯中，在仪器工作条件下进行测定。

2 结果与讨论

2.1 底液的选择

2.1.1 KMnO4用量

试验通过KMn O4峰电流与CYC 含量的负相关性来检测CYC的，因此KMn O4的浓度需适当过量，使其峰电流足够大，以保证CYC 能与其完全反应，但是KMn O4的用量过大，又会使CYC 对其消耗量不足，难以造成峰电流的明显改变，所以KMn O4的用量选择非常关键。

试验结果显示:当CYC的质量浓度为0.50 g·L－1时，KMn O4用量分别为0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.50 mL 时，峰电流分别为6.000×102，5.969×102，6.000×102，4.188×102，5.938×102，3.344×102nA。由此可见，在KMn O4溶液用量为0.05～0.20 mL 时，峰电流响应最好，综合考虑，试验选择KMn O4溶液用量为0.10 mL。

2.1.2 NaOH 饱和溶液用量

KMn O4与CYC 的反应只有在强碱性条件下才能进行，但碱性太强不仅会腐蚀试验器皿，还会使反应不再均匀缓和地进行。试验考察了CYC 标准溶液的质量浓度分别为0.10 g·L－1(低)和0.50 g·L－1(高)时，不同用量NaOH 饱和溶液对峰电流的影响，结果见图1。

图1 NaOH 用量对峰电流的影响Fig.1 Effect of the volume of NaOH solution on the peak current

由图1可知:在高、低质量浓度的CYC 标准溶液中，不同用量的NaOH 饱和溶液对峰电流的影响趋势一致，峰电流均随着NaOH 用量的增加而下降。综合考虑，试验选择NaOH 饱和溶液用量为0.90 mL。

2.1.3 表面活性剂的种类和用量

由于表面活性剂可以在溶液中形成胶束，能通过增大待测物在溶液中的溶解度来增大待测物在电极表面的吸附量，对峰电流具有增敏作用。

试验考察了表面活性剂SDS、十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和曲拉通(Triton X-100)对峰电流的的影响。结果显示:SDS对峰电流的影响较明显。进一步对其用量考察后发现:SDS溶液的用量为0.75 mL时，对峰电流具有较大的增敏作用。试验选择SDS溶液的用量为0.75 mL。

2.2 反应温度和时间的选择

试验考察了CYC 标准溶液的质量浓度分别为0.10 g·L－1和0.50 g·L－1时，不同反应温度不同反应时间对峰电流的影响，结果见图2。

图2 反应温度及时间对峰电流的影响Fig.2 Effect of the reaction temperature and time on the peak current

由图2结果表明:在50 ℃下反应20 min 时，KMn O4的峰电流最低最稳定，反应更完全。为兼顾高、低含量CYC 的检测，试验选择反应温度为50 ℃，反应时间为20 min。

2.3 仪器工作条件的选择

试验考察了CYC 标准溶液的质量浓度分别为0.10 g·L－1和0.50 g·L－1时，不同扫描速率(0.10～1.0 V·s－1)、不同扫描次数(1～8次)、不同静止时间(1～10 s)、不同起始电位(－0.20～－0.70 V)、不同汞柱高度(30～55 cm)对峰电流的影响，优化后的仪器工作条件见1.2节。

2.4 标准曲线与检出限

配制质量浓度分别为40，60，80，100，110，120，130，140，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700 mg·L－1的CYC标准溶液系列，在仪器工作条件下测定，以CYC 的质量浓度为横坐标，KMn O4峰电流为纵坐标绘制标准曲线。CYC的质量浓度在40～700 mg·L－1时与峰电流具有很好的曲线拟合关系，标准曲线的回归方程为I″p(×102nA)＝－0.010 4ρ3＋0.142 1ρ2－0.645 1ρ＋1.782，相关系数为0.990 9，可以用于食品样品中的CYC含量分析。

按照仪器工作条件对0.10 g·L－1的CYC标准溶液进行连续10次测定，以峰电流的标准偏差与标准曲线斜率之比计算该方法的检出限(3s/k)为5.3 mg·L－1，满足分析要求。

2.5 精密度与稳定性试验

按照仪器工作条件对0.10 g·L－1和0.50 g·L－1的CYC标准溶液进行6次平行测定，计算测定值的相对标准偏差分别为1.56%，2.29%，说明本方法精密度较高。

对分别含有0.10 g·L－1和0.50 g·L－1的CYC标准溶液的样品溶液的敞开体系和密闭体系的稳定性进行考察，发现，敞开体系放置时间为15～90 min，密闭体系放置时间为12 h内时，样品溶液处于稳定状态，其稳定性较好。

2.6 共存物质的影响

由于食品基质比较复杂，试验考察了在0.50 g·L－1CYC溶液中添加了食品中可能共存的离子和添加剂后对峰电流的影响，结果见表1。

表1 共存物质的干扰Tab.1 Interference of coexisting substances

由表1可知:可能共存的离子和添加剂对试验结果的测定影响较小；根据我国GB 2760－2014的规定，CYC允许添加量为0.65～8.0 g·kg－1，糖精钠允许添加量为0.15～5.0 g·kg－1，柠檬酸添加量在10 g·kg－1之内，均不会对CYC 的测定产生干扰。

防腐剂山梨酸钾、抗坏血酸和水溶性色素如柠檬黄、日落黄、胭脂红等添加剂因不溶于正己烷而不会在样品提取溶液中存在，不影响CYC的测定。

2.7 极谱行为研究

为了确定电极反应机理，按照试验方法配制7种不同混合溶液，并对其进行测定，结果见图3。

图3 不同混合溶液的二阶导数极谱图Fig.3 Second-order derivate polarogram of different mixture solutions

由图3可知:在扫描电压范围内，CYC 会产生微弱的峰电流，但是其变化无规律(曲线7)；KMn O4在－1.0 V 附近产生一个较强的还原峰(曲线1)；NaOH 溶液的还原峰电位在－0.50 V 附近(曲线5)；SDS溶液单独存在时，无还原峰出现(曲线6)；CYC-KMnO4产生的还原峰电流与KMn O4的一致，峰电位因CYC 的影响左移至－0.80 V 附近(曲线2)；当加入NaOH 溶液后，二者发生氧化还原反应，－0.80 V 处峰电流显著降低(曲线4)；加入SDS后，－0.80 V 处的峰电流有一定程度的增大，说明SDS对峰电流有增敏作用(曲线3)，因此，试验选择将－0.80 V 处的峰作为定量检测CYC 含量的极谱峰。

根据以上的结论，推断电极的反应机理为:MnO4－在滴汞电极上会产生一个灵敏的还原峰，当在碱性溶液中时，其与CYC 发生氧化还原反应，MnO4－被还原为MnO42－，溶液中MnO4－含量降低，其产生的峰电流下降，根据峰电流变化间接测定CYC 的含量。电极反应机理见以下反应式:MnO4－＋e－→MnO42－。

2.8 电化学行为研究

根据试验方法，当CYC标准溶液的质量浓度为0.50 g·L－1时，试验考察了不同扫描速率对峰电流的影响。结果显示，在扫描速度为200～1 000 mV·s－1时，测得的峰电流与扫描速率成正比，其线性回归方程为:I″p(×102nA)＝0.003 6ν(mV·s－1)＋0.335 3(n＝10)，相关系数为0.987 4。由此可推断，电化学反应过程受吸附控制。

2.9 回收试验

按试验方法先测定果冻、话梅和菠萝啤酒样品中CYC的含量，每种样品平行测定3次，然后在其中加入已知含量的CYC 标准溶液进行加标回收试验，结果见表2。

表2 回收试验结果Tab.2 Results of test for recovery

由表2可知:CYC的回收率为90.0%～110%，说明本方法具有较好的准确度。

2.10 方法比对

用本法与文献[17]报道的分光光度法对3种样品进行测定，并对其测定值进行比对，结果见表3。

表3 2种方法的结果比对(n＝3)Tab.3 Comparison of results obtained by the 2 methods(n＝3)

由表3可知:本法与分光光度法[17]的分析结果很接近，相对偏差较小，说明本法具有较高的准确度。

本工作建立了一种简易的KMn O4氧化-单扫描示波极谱法间接测定食品中CYC的方法，该方法线性范围宽，检出限低，适于甜蜜素含量较高的样品分析。