气相色谱法快速测定食品用二氧化碳中的杂质

胡德龙，宋海龙，陈家颖

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 401121）

二氧化碳与人类的生存密切相关，也是食物链中的一种重要物质，广泛应用于碳酸饮料、啤酒，以及食品保鲜等领域。我国是世界第二大经济体，对食品级二氧化碳需求巨大，年需求量接近200 万吨，且逐年大幅上涨。我国目前食品级二氧化碳气源主要为化工产品副产的二氧化碳，其中对人体有害的烃、苯、硫、醛、醇等杂质的含量有很大的差别。食品级二氧化碳作为一种食品添加剂，对于其中有害杂质的检测是十分必要的。目前国内检测机构存在着检测手段不统一，检测数据缺乏溯源性等问题。新标准GB 1886.228-2016 《食品安全国家标准食品添加剂二氧化碳》［1］于2017 年1 月1 日正式实施，对于覆盖范围、检测指标及检测方法有详细的规定，但有些检测方法较为繁琐，需要的设备种类较多，溯源体系不够完善，检测不确定度偏大，且国内对食品级二氧化碳的标准物质的研究均采用单一组分，在实际检测中，每种组分需要使用一台仪器单独分析。例如，在GB 1886.228-2016 《食品安全国家标准食品添加剂二氧化碳》［2］中，分析环氧乙烷、甲醇和苯时需要一台配置GDX 104 不锈钢柱色谱柱和氢火焰离子化检测器的气相色谱仪，分析氯乙烯、甲醇和苯时需要一台配置涂敷10%的聚乙二醇20M的固定相不锈钢柱色谱柱和氢火焰离子化检测器的气相色谱仪，分析苯系物时需要一台内装涂敷10%的SE30 硅氧烷固定液的不锈钢柱色谱柱和氢火焰离子化检测器的气相色谱仪，分析时间较长；在 GB／T 8984 《气体中一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物的测定气相色谱法》［3］中，分析一氧化碳、二氧化碳和甲烷时，需要一台配置火焰离子化检测器和甲烷化转化器的气相色谱仪［4-7］。由此，完成食品级二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、总烃、甲醇、环氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等二氧化碳中常见杂质的检测时间比较长且设备成本较高。为此，笔者选用一种改造后的SC-3000 型氢火焰离子化检测器气相色谱仪（GC-FID），建立了食品添加剂二氧化碳中杂质的快速检测方法，解决了传统方法所用设备复杂，检测不确定度偏大等问题，可以为气相色谱仪配置较少的实验室提供一种快速检测二氧化碳中常见杂质组分的新方法［8］，大大降低了检测成本。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

食品添加剂二氧化碳专用气相色谱仪：SC-3000 型，配有SCBWQ 玻璃微球柱（Φ3 mm×2 m，180～250 μm），TDX-01 碳分子筛填充柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），OV-101 阻 力 柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），KB-PLOT Q 毛细柱(30 m×0.53 mm，20 μm)，双FID 检测器，重庆川仪分析仪器公司；

原料气体：食品添加剂二氧化碳，40 L 钢瓶，重庆同辉气体有限公司。

1.2 实验原理

食品用二氧化碳含有一氧化碳、甲烷、丙烷、总烃、甲醇、环氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等杂质，其中除一氧化碳外都是碳氢化合物，含氢原子数量较多，一氧化碳通过催化加氢的方法可以转化为甲烷，有机化合物在氢火焰中燃烧时发生化学电离反应，产生正、负离子，检测器的发射极与收集极间有电位差，离子对在两极间形成离子流，由收集极收集的电子流通过负载高阻产生电压信号，经微电流放大器放大后输送到记录器，得到相应物质的色谱峰［9］。因此考虑采用GC-FID 进行检测［10-12］。由于在GC 中各组分使用分离色谱柱不同，为实现一次进样同时检测目标杂质组分，在原有单流路色谱系统上，增加分离通道，一次进样，样品同时进入不同通道进行分离，根据各个通道出峰时间差异，不同通道分离的组分在FID 检测器上分别产生响应信号。通过增加自动切换气动阀和阻力柱等装置，在不影响目标组分出峰检测的情况下，对每个分离通道中不必要的、保留时间较长的组分进行切割反吹，节约色谱分离检测时间［13］。在使用一台GC 的情况下，得到了满意的结果。比较国标GB 1886.228-2016 《食品安全国家标准食品添加剂二氧化碳》中规定采用四台GC 分别进样检测的方法，本研究所建立的方法速度更快、采用仪器少。通过实验数据验证，检测时间不超过国标法的三分之一。为了进一步提高其灵敏度和重复性，优化了色谱条件，增加了定量环体积，取得了满意的结果［14］。

1.3 气相色谱条件

SC-3000 型气相色谱仪分析食品添加剂二氧化碳杂质最佳实验条件列于表1。

表1 SC-3000 型食品添加剂二氧化碳专用气相色谱仪最佳实验条件

1.4 实验方法

根据食品添加剂二氧化碳中杂质组分的不同，利用气相色谱仪中的“阀切换”、切割反吹等功能，使不同气路的载气携带着各组分通过不同流路进入不同的色谱柱中进行分离，不同组分的导热系数和产生的离子电流不同产生相应强度不等的电信号，由色谱处理软件进行处理，得到相应组分的分析结果。

2 结果与讨论

2.1 色谱柱的选择

改造后的SC 3000 型食品添加剂二氧化碳专用气相色谱仪配备了3 种组分分析色谱柱和1 个阻力柱：SCBWQ 玻璃微球柱、TDX-01 碳分子筛填充柱、KB-PLOT Q 毛细柱、OV-101 阻力柱。3 种分析色谱柱均为非极性或弱极性色谱柱，对食品添加剂二氧化碳中各杂质表现出很好的分离效果。SCBWQ柱用以分离总烃（C3H8）；TDX-01 柱用以分离一氧化碳、甲烷；KB-PLOT Q 柱用以分离环氧乙烷、丙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯。而阻力柱用以在不影响目标组分出峰检测的情况下，将每个分离通道中不必要的、保留时间较长的组分进行切割反吹，节约色谱分离检测时间。

图1 食品级二氧化碳快速检测气相色谱内部配置图

2.2 分析进样阀切换时间的优化

改造后的SC 3000 型气相色谱仪含有3 个分离流路、3 个定量管、1 个甲烷转化器和2 个FID 检测器，利用2 个气动十通自动切换阀的切换功能，控制各杂质组分随着载气定量的流入不同的色谱柱，从而实现分离。为了准确、快速的分析食品添加剂二氧化碳各杂质组分，分析过程的阀切换时间的把控就显得尤为重要，解决这个问题需要对改造后气相色谱仪的构造进行分析，内部配置图如图1 所示。

图1 为初始状态，2 个切换阀V1，V2 均为关闭状态，色谱柱中只有载气流过。分析开始进样后，切换气动阀V2，样气经过V1 的3-2 通道、5-4 通道以及气动阀V2 的10-9 通道、6-5 通道、2-1 通道分别进入定量环1（Loop1）、定量环2（Loop2）和定量环3（Loop3），完成进样。载气2（SFV2）将定量环1（Loop1）中样品带入TDX-01 中，CO 和CH4组分首先被色谱柱分离，CO 经甲烷化转化器MC转化为CH4，进入FID-A 检测器被检出，再启动气动阀程序V1回复初始位，剩余组分被载气1（SFV1）N2 反吹排空，避免TDX-01 色谱柱保留时间长的组分在柱上残留和大量的CO2进入MC 甲烷转化炉。与此同时，启动气动阀程序V2，载气4（SFV4）将定量环3（Loop3）中样品经分流／不分流进样口带入PLOT-Q 毛细管色谱柱中，甲烷、环氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯被毛细管色谱柱进行预分离，再进入FTD-B 上检测，而另一路载气3（SFV3）将定量环2（Loop2）中样品带入SCBWQ 中分离，经FID-A 检测总挥发烃（THC）。系统同时进样FID-A 和FID-B 分别采集一张色谱图。CO，CH4，THC 在FID-A 色谱图中显示，CH4，C3H8，CH2-CH2O，CH3OH，CH3CHO，CH2CHCl，C6H6在FID-B色谱图中依次显示，其中CH4既可在FID-A 图谱中定量，也可以通过FID-B 图谱中进行定量，二者可以起到相互验证比对的作用。

为了实现食品添加剂二氧化碳中杂质准确快速分析，首先要进行定量进样。改造后的气相色谱仪准备就绪后（0 min）要立即打开气动阀V2，样品分别经定量环1（Loop1）、定量环2（Loop2）和定量环3（Loop3）进行充分进样2 min 后，将气动阀V1 打开，TDX-01 填充柱预分离组分CO 和CH4，CO 经甲烷化转化器MC 转化为CH4，1.8 min左右出现一个色谱峰即CH4，说明CO 和CH4已经在TDX-01 填充柱上充分分离。由FID-A 检测出CO、CH4峰后，立即启动气动阀程序V1 回复初始位，剩余组分被载气N2反吹排空，避免TDX-01 色谱柱保留时间长的组分在柱上残留和大量的CO2进入MC 甲烷转化炉。在气动阀V1 打开的同时，启动气动阀V2，V2 是双进样阀，SCBWQ 柱预分离总挥发烃，经载气带到FID-A 检测，大概在0.5 min左右出峰即为总挥发烃（THC）；PLOT-Q 毛细管色谱柱预分离甲烷、环氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯；8.5 min 左右最后一个组分苯完全流出，说明食品添加剂二氧化碳中杂质甲烷、环氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯已经充分分离，在10.5 min 启动气动阀程序V2 完成所有组分分析检测。

2.3 气相色谱仪柱箱温度的优化

针对食品添加剂二氧化碳中杂质的分析检测，预设了两种柱箱温度方案。第一种方案：柱箱温度恒定在100℃，试验结果表明，甲醇和乙醛色谱峰为一个大而宽的合峰，无法很好地分离，同时苯大概在14 min 才出峰，时间较长；第二种方案：采用程序升温模式，初始温度设为80℃，保持5 min 后，以10 ℃／min 升温至120℃，保留5 min。在第二种方案下，FID 通道的组分由于柱箱温度降低，流出速度变慢。甲醇和乙醛可以很好的出峰，苯组分流出速度增大，可有效地缩短分析时间，至此甲烷、一氧化碳、挥发性总烃、环氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯杂质组分色谱峰可以通过峰切割而各自进行定量分析。因此选择第二种程序升温方案为食品添加剂二氧化碳中杂质分析最佳实验条件。

2.4 食品添加剂二氧化碳中杂质在气相色谱中的分离顺序

实验所用色谱柱均为非极性或弱极性色谱柱，通常相对分子质量越小、沸点越低的组分先流出；若沸点相同或相近，饱和烷烃先流出；碳数相同的饱和烃类，异构程度复杂的组分先流出；不饱和烃则是双键在中间的组分先出峰。

为了准确确定各自组分的出峰时间，采用外标法确定食品添加剂二氧化碳中杂质组分的保留时间，结果如图2 和图3 所示。图2 为FID-A 通道检测结果，出峰时间分别是挥发性总烃（0.503 min），一氧化碳（1.105 min）和甲烷（1.817 min）；图3 为FID-B 通道检测结果，出峰时间分别是甲烷（1.105 min），丙烷（2.618 min），环氧乙烷（2.999 min），甲醇（3.465 min），乙醛（3.629 min），氯乙烯（4.465 min），苯（8.487 min）。

图2 FID-A 通道气相色谱图

图3 FID-B 通道气相色谱图

2.5 线性方程、线性范围和检出限

在1.2 气相色谱仪最佳分析条件下，分别在改造后的气相色谱仪上对进样浓度为5.00，25.0，50.0 μmol／mol 甲烷、一氧化碳、丙烷标准气体；1.00，2.00，5.00 μmol／mol 环氧乙烷标、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯标准气体进行定量分析。以标准气体浓度（x）为横坐标，以色谱峰面积（y）为纵坐标进行线性回归，计算线性方程和相关系数，以3 倍基线噪声所对应待测杂质组分的质量计算方法检出限。线性方程、线性相关系数及检出限列于表2。由表2 可知，食品添加剂二氧化碳中杂质组分分析方法线性度良好，线性相关系数不小于0.999 8。

表2 食品添加剂二氧化碳中杂质组分的线性方程、相关系数及检出限

2.6 精密度与准确度试验

在1.3 色谱条件下，重复测定二氧化碳中8 种杂质的气体标准物质，进行精密度试验［16］与准确度试验，试验结果见表3。由表3 可知，8 种杂质测定结果的相对标准偏差小于3%，与标准值的相对误差小于2%，说明该方法准确度较高。

2.7 比对试验

为了验证本试验方法可以准确快速的分析出食品添加剂中各杂质组分的含量，与采用国标GB1886.228-2016 《食品安全国家标准食品添加剂二氧化碳》分析测量方法进行了对比试验。试验表明，采用改造后的气相色谱仪，在优化试验条件下测量食品添加剂二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、总烃、甲醇、环氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等杂质的时间为48 min 左右；而采用国标分析方法测量时，检测时间为135 min 左右。本方法的检测时间较国标规定的方法，缩短为近三分之一。

表3 精密度与准确度试验结果

3 结语

选用一种改造后的SC-3000 气相色谱仪，快速准确地分析食品添加剂二氧化碳中杂质组分。该气相色谱仪配备有二阀四柱系统，同时配备了三个定量管、二个FID 检测器可以自动合并，从而实现快速准确地分析出食品添加剂二氧化碳中各杂质组分。采用外标法确定了食品添加剂二氧化碳中杂质组分的保留时间，很好的实现了定性分析。该方法可以通过一次性进样，快速的准确的分析食品添加剂二氧化碳中的总烃、一氧化碳、甲烷、环氧乙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯含量，且分析方法线性度良好，精密度较高，与现行国标 《GB1886.228-2016 食品安全国家标准食品添加剂二氧化碳》检测方法，使用4 台甚至更多仪器设备来检测，提高了工作效率。

该方法适用于食品添加剂二氧化碳中杂质的测定，为食品添加剂二氧化碳中杂质分析提供了一种新的快速分析手段。该方法成本低，符合国家提倡的绿色和环保方向。