高纯乳酸纯度检测方法

丁敏 段嫚雷 孟娇然 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

乳酸是一种重要的有机酸，广泛应用于酿造、食品、畜牧、临床医药、化工等行业。乳酸常用工业生产方式生产，如以生物发酵法、化学合成法为主[1]，由于乳酸在各种产品中的含量与人体健康等密切相关，因此，乳酸的准确检测对生命健康和经济贸易发展都有重要的意义。乳酸的检测方法有高效液相色谱法[2]、酶法[3]、折光法[4]和滴定法[5]等。由于目前没有乳酸纯度标准物质，实验室只能使用高纯乳酸试剂绘制校准曲线，无法获得准确的纯度值，要实现乳酸检测结果的量值溯源需要对高纯乳酸试剂准确定值。本文研究了滴定法结合离子色谱法、电感耦合等离子光谱法对高纯乳酸主成分、乳酸试剂生产、纯化过程中引入的有机酸、无机酸杂质检测的方法，通过杂质定值实现高纯乳酸纯度准确测定，为各行业乳酸检测提供量值溯源保障。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

滴定管：EX+30s型，A级，上海申玻仪器公司；电子天平：XS205型，级，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；离子色谱仪：ICS-5000，美国赛默飞世尔科技公司；电感耦合等离子光谱仪： Optima 5300DV型，美国珀金埃尔默股份有限公司；卡尔费休水分仪（容量法）：841型，瑞士万通。

L-（+）乳酸：≥98%，美国Sigma-Aldrich；氢氧化钠滴定溶液标准物质：GBW(E)080494，0.5 mol/L，Urel=0.3%（k= 2），上海市计量测试技术研究院；硫酸滴定溶液标准物质：GBW(E)080496，0.1 mol/L，Urel=0.3%（k= 2），上海市计量测试技术研究院；电感耦合等离子发射光谱法标准物质：等离子发射光谱分析混合离子标准物质，GBW(E)080668，成分：Li、Na、Ca、V、Cr、Mn、Co、Ni、As、Se、Sr、Cd、Ba、Pb、Mg、Al、Fe、Cu、Zn、K、Ag、Bi，上海市计量测试技术研究院；离子色谱法标准物质：水中氯离子、硫酸根、磷酸根、硝酸根标准物质[GBW(E)081209、GBW(E)081213、GBW(E)081215、GBW(E)081217]，0.100 g/L，Urel=2.8%（k= 2），上海市计量测试技术研究院；草酸：≥99.5%，AR，国药集团化学试剂有限公司；酒石酸钾钠四水合物：≥99.0%，AR，上海泰坦科技股份有限公司；无水柠檬酸：≥99.5%，AR，美国Sigma-Aldrich；卡尔费休容量法水分分析试剂：滴定度为2.0 mg/mL的双组份卡尔费休滴定试剂，德国Fluka。实验用水：符合GB/T 6682-2008《分析实验室用水规格和试验方法》[6]中一级水的要求。

1.2 实验方法和仪器工作条件

参考GB1886.173-2016《食品安全国家标准 食品添加剂 乳酸》中的方法对高纯乳酸主要成分进行滴定，采用离子色谱法和电感耦合等离子发射光谱法分析其中的有机酸、无机酸、相应的金属元素以及对称量结果有影响的水分含量，扣除有机酸和无机酸杂质，测得高纯乳酸纯度值。

1.2.1 高纯乳酸中主成分滴定法检测

准确称取（精确至0.1 mg）干燥乳酸试剂质量m约0.3 g于滴定瓶中，加50 mL实验用水，准确移取并加入10 mL氢氧化钠标准溶液，煮沸5 min，加酚酞指示液2滴，趁热用浓度标准值为c的硫酸标准溶液滴定（c约为0.1 mol/L），滴定速率6～8 mL/min，记录溶液由红色变为无色时硫酸标准溶液消耗的体积V1，同时做空白试验，记录消耗的硫酸标准溶液体积V2。按照式（1）计算主要成分含量

1.2.2 高纯乳酸中酸根杂质离子色谱法检测

色谱柱：AS11-HC阴离子色谱柱（4 mm×250 mm），柱温30 ℃，电导检测器，进样量25 μL；流速1.0 mL/min；流动相梯度条件见表1。

表1 离子色谱梯度条件

在表2线性范围内配制氯离子、硝酸根、硫酸根、磷酸根、草酸、酒石酸、柠檬酸线性标准溶液3～5个浓度，按照上述梯度条件绘制标准曲线，同时做空白试验。准确称取（精确至0.1 mg）干燥高纯乳酸适量，配制乳酸溶液，按照上述条件进样检测。

1.2.3 高纯乳酸中水分卡尔·费休容量法检测

用10 μL微量进样器量取2 μL或3 μL纯水，标定滴定剂的滴定度，连续标定3次，取平均值作为该滴定剂的滴定度。准确称取0.5～1.0 g高纯乳酸作水分检测，根据试剂滴定度及称量的高纯乳酸质量计算样品中的水分含量。注意：由于高纯乳酸易吸水，称样需采用可密封的称样漏斗，称量和加样过程需快速进行，剩余的高纯乳酸应立即放回干燥器中，防止在测量过程中吸水。

1.2.4 高纯乳酸中金属杂质电感耦合等离子体发射光谱法检测

试验条件：雾化气流 0.2 L/min、等离子气流15 L/min、辅助气流 0.8 L/min，雾化电压 1 300 W，泵流速 1.5 mL/min。

使用本文1.1中的电感耦合等离子发射光谱法标准物质制作标准曲线，准确称取（精确至0.1 mg）干燥乳酸适量，配制成适当浓度的高纯乳酸溶液3个平行样品进行检测，同时做空白试验。

所有试验均在20 ℃±2 ℃，≤80%RH条件进行。

2 结果与讨论

2.1 乳酸主成分滴定法检测结果

按照本文1.2.1方法两人进行滴定，分别做4次平行滴定，两人共8次平行滴定结果相对极差不大于0.18%，得到干燥后的高纯乳酸主要成分含量为8次平行滴定的算术平均值99.82%。

2.2 杂质分析

2.2.1 离子色谱法酸根杂质检测结果

按照本文1.2.2离子色谱法对各组分分离检测，乳酸溶液和混合标准溶液的色谱图见图1、图2，由色谱图可知该方法能有效分离目标杂质酸，试验使用的高纯乳酸中杂质酸含量为未检出。试验得到离子色谱法基线噪声为0.001 µS，根据各组分灵敏度，参考GB/T 27417-2017 《合格评定 化学分析方法确认和验证指南》[7]评价得到高纯乳酸中各有机酸、无机酸杂质含量检测的方法学指标（见表2）。

表2 各组分线性参数、检出定量限和检测结果

图1 0.1 g/L乳酸溶液离子色谱图

图2 有机酸及无机酸混合标准溶液离子色谱图

2.2.2 水分含量检测结果

按照1.2.3方法检测得到3次平行测定的水分含量分别为0.106%，0.112%，0.115%，取其算术平均值为0.11%。

2.2.3 电感耦合等离子体发射光谱法金属杂质检测结果

按照1.2.4方法检测高纯乳酸中各金属元素含量，本次试验所用电感耦合等离子体发射光谱仪对各金属元素检测限为50 μg/L，根据仪器检测结果计算得到各金属元素含量见表3，得到被检高纯乳酸中的金属杂质总含量为0.01%。

表3 金属杂质检测结果

由于浓度60%以上的乳酸试剂具有很强的吸湿性，在乳酸试剂称量、使用过程吸收水分会导致测量结果的不准确，因此，试验过程需要检测和扣除其中的水分含量，开封后的乳酸试剂应尽可能保存于冷藏的干燥皿中，确保量值的稳定和准确可靠。

3 不确定度评定

3.1 乳酸主成分滴定引入的不确定度

滴定的测量模型见式（1），滴定过程引入的不确定度u滴定来源于三部分：第一部分为滴定重复性和温度影响引入的不确定度；第二部分为硫酸标准溶液浓度引入的不确定度；第三部分为称量引入的不确定度。

采用同一根滴定管前后两次滴定，根据测量模型体积负相关，因此，滴定管体积允差引入的不确定度抵消，重复滴定8次的标准偏差计算值为0.065%，因此，滴定重复性引入的相对标准不确定度为

实验室的温度控制为20 ℃±2 ℃，水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，则由温度效应导致的体积变化为22.1×10-4=0.042%。按照均匀分布，温度变化引入的标准不确定度为

滴定过程引入的不确定度为

硫酸标准物质浓度c的扩展不确定度为Urel= 0.3%（k= 2），其相对标准不确定度为

称量用天平的检定分度值为0.1 mg，允差为±0.05 mg，称量质量为0.3 g，称量不准引入的不确定度为

以上三者互不相关，采用方和根的方式合成，得到乳酸主成分测定结果的不确定度urel（ω）为

3.2 杂质成分测定引入的不确定度

杂质含量包括酸根离子、金属杂质测定结果引入的不确定度。两者为通过标准曲线拟合所得结果的不确定度，分别由线性拟合的不确定度和标准物质浓度不准引入的不确定度组成，由于本试验中该两类杂质的含量较低，其不确定度相对主要成分测定结果可忽略。

3.3 滴定结果的不确定度

根据上述评定，高纯乳酸测定结果的合成标准不确定度uc为

取k= 2，其扩展不确定度U= 0.32%。

4 结语

通过采用酸碱容量滴定法对高纯乳酸试剂含量进行准确检测，对在乳酸加工和纯化过程中可能引入有机酸和无机酸，其氢离子会与滴定剂氢氧化钠发生化学反应的情况，采用常用的离子色谱法和电感耦合等离子体发射光谱法检测有机酸和无机组分。经评定，各有机酸、无机酸的定量限达到10-5（质量百分比），滴定得到的乳酸纯度结果扩展不确定度水平为U= 0.432%（k= 2）；在存在杂质酸的情况下，可参考本文实验方法检测并计算杂质消耗的氢氧化钠含量后，在式（1）中扣除相应标准溶液消耗量后再计算，实现对高纯乳酸纯度的准确定值，为建立高纯乳酸试剂标准提供参考，有效保障食品、饲料等样品中乳酸检测结果的准确可靠。