励磁等电势法检测粉丝中的硫酸铝钾含量

杨哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陈新文，孙远明*

（1.广东利诚检测技术有限公司，广东中山 528436）（2.华南农业大学食品学院，广东广州 510642）（3.江南大学食品学院，江苏无锡 214122）（4.英都斯特（无锡）感应科技有限公司，江苏无锡 214035）

硫酸铝钾，又称钾明矾，作为一种膨松剂和稳定剂广泛应用于食品加工[1]。红薯具有耐干旱和产量高的特点，是我国的主要农作物之一，红薯中淀粉含量约为10%～30%，其深加工产品红薯粉丝及粉条深受大众欢迎。粉丝加工过程中添加明矾，可防止粉丝断裂，改善粉丝口感[2]。然而，长期食用明矾超标的食品，明矾中的铝元素在人体内过量累积且难以代谢，对人体大脑产生不良影响[3]。莫颂轶等[4]研究发现，慢性铝中毒导致小鼠认知能力发生障碍，学习与记忆能力减弱。陈雅等[5]发现45.03 μmol/L硫酸铝钾抑制小鼠胚胎中脑细胞增殖，而3.92 μmol/L硫酸铝钾阻碍脑细胞分化。李亮等[6]发现，慢性铝中毒影响小鼠空间学习记忆能力，且小鼠低密度脂蛋白降低。我国 GB 2760-2014中明确规定，粉丝中硫酸铝钾的残留物铝的质量分数不超过200 mg/kg。

目前常见的硫酸铝钾残留物铝的检测方法包括铬天青S分光光度法，电感耦合等离子体发射光谱法、石墨炉原子吸收法和电化学法。刘冬豪[7]采用铬天青S分光光度法测定辣椒中的明矾，检出限为0.02 g/kg，该方法需要使用硝酸和高氯酸等消解预处理，操作过程复杂；陈树娣等[8]采用电感耦合等离子体发射光谱法测定蜂蜜中的铝含量，检测限为9.4 mg/kg，检测精度高，但需要专业操作人员，检测成本相对较高；薛巧如等[9]采用石墨炉-原子吸收分光光度法测定复方氨基酸注射液中的铝含量为5～40 ng/mL，检测线性关系良好，但铝的原子化程度高，对石墨炉产生较大伤害，不利于使用寿命；郭蒙等[10]采用伏安法测定食品中的铝含量，其检出限为2.2×10-8mol/L。与Pryor等[11]研究相似，基于变压器的工作参数可表征电解质溶液理化特性。励磁等电势法依据变压器原理，向初级线圈施加不同频率及励磁电压的正弦交流信号，次级线圈中的样品溶液产生感应电势，差异性感应电势根据不同样品溶液的理化特性分配在测量端和次级线圈中。因此，通过检测感应电势的变化，可分析次级线圈中样品特定成分的含量。而利用励磁等电势法测定食品中的硫酸铝钾鲜有报道。

本文采用励磁等电势检测分析不同质量分数硫酸铝钾溶液的电学特性，并选取4种市售的粉丝产品检测其硫酸铝钾含量，探究励磁等电势法检测粉丝中硫酸铝钾的可行性，为食品中硫酸铝钾的检测提供新的方法。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

3种粉丝（散装圆饼粉丝、散装长条粉丝和双塔红薯粉丝），购于超市和1种散装长条粉丝购于自由市场；氨水、盐酸、乙酸、乙酸钠、乙二胺四乙酸二钠、氯化锌、二甲酚橙指示剂和刚果红试纸（所有试剂均为分析纯），国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器与设备

励磁等电势检测设备（根据变压器原理自制励磁电压5～20 V，频率300～700 Hz），广东利诚检测技术有限公司理化分析中心实验室自制；C-MAG磁力搅拌器，德国IKA公司；AL204分析天平，瑞士Mettler Toledo仪器有限公司；低速大容量离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.3 试验条件与方法

励磁等电势检测设备如图1b所示，样品溶液经玻璃连接孔倒入后布满螺旋管道，样品溶液经过 b、c处管道相连，形成两个绕向相同的次级线圈。设置恒温循环水浴温度为 30 ℃，向初级线圈施加频率300～700 Hz和励磁电压5～20 V的正弦交流信号，通过铂电极依次检测样品o和位点a、b、c和d之间的对地电压Vao、Vbo、Vco和Vdo，并测定a、d间的电势差Uad。

将硫酸铝钾配置成质量分数为 10、20、30、40 mg/kg的硫酸铝钾标准溶液，依次向初级线圈施加频率300、400、500、600和700 Hz及5、10、15和20 V的励磁电压，并测定次级线圈中o点和a～d四个检测点对地电压以及a和d检测位点间的电势差。并测定4种市售粉丝产品中硫酸铝钾含量，粉丝粉碎后，过300目筛，与去离子水按1:10的比例混合均匀，5000 g离心20 min，取上清液过0.45 μm水系滤膜过滤后检测，并按照GB 1886.229-2016《食品安全国家标准食品添加剂 硫酸铝钾》，采用化学法检测粉丝样品中硫酸铝钾含量。

1.4 数据分析

使用ORIGIN 8.5和SPSS 22.0进行制图及数据分析，每个样品重复检测3次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 频率对硫酸铝钾溶液对地电压的影响

向初级线圈施加10 V励磁电压，检测20 mg/kg硫酸铝钾溶液在不同频率下，次级线圈中a～d四个检测点对地电压的变化。从图2中可以发现，在一定励磁电压下，随频率从300 Hz增加至700 Hz，硫酸铝钾溶液的对地电压保持不变，因此后续选择 300 Hz为检测频率值。不同频率下，b和c点对地电压基本相同，这与Edwin等研究结果一致，在同一磁通密度下，液体二次回路为等电位电池[12]。Pryor等利用变压器原理检测海水电导值，并认为电导值可采用基于变压器特性的电学参数来表征[11]。与变压器原理相同，次级线圈中感应电压与初级线圈励磁电压有关，与频率不相关。励磁等电势法中，在相同励磁电压下，不同频率下的硫酸铝钾溶液感应电势无显著变化，测得各位点对地电压变化较小。

2.2 励磁电压对硫酸铝钾溶液对地电压的影响

初级线圈频率为300 Hz，检测20 mg/kg硫酸铝钾溶液在不同励磁电压下，次级线圈中a～d四个检测点对地电压的变化。从图3中可以发现，随励磁电压从5 V提高至20 V，硫酸铝钾溶液Vao增大，20 V下Vao较5 V时增大27.08%。而Vdo则减小，20 V下Vdo较5 V时下降96.49%。随励磁电压的增大，a位点到d位点的对地电压下降趋势逐渐增加，因此后续采用20 V为检测励磁电压值，a至d检测位点的电势差Uad为电信号指标。与Zakrevskii等[13]研究相似，交变电场作用下，聚合物薄膜中大分子迁移加速，电传率增加。Guo等[14]利用微波辅助萃取茶多酚，发现物理场作用下，提取时间缩短97.70%，提取物稳定性提高。随励磁电压的增大，次级线圈中硫酸铝钾溶液感应电势增加，体系中带电离子碰撞几率增加，热运动加剧，离子传导增强，输出电压增大。

2.3 频率对不同质量分数硫酸铝钾溶液电势差的影响

向初级线圈施加20 V励磁电压，检测不同质量分数的硫酸铝钾溶液在300～700 Hz频率下，次级线圈中电势差Uad的变化。硫酸铝钾溶液呈酸性，在 30 ℃下其电导率随硫酸铝钾质量分数的提高而增加。从图4中可以发现，在不同频率下，硫酸铝钾溶液的Uad保持在相对稳定的范围内，随硫酸铝钾溶液质量分数的增加，体系电势差增大。300 Hz，20 V条件下，40 mg/kg硫酸铝钾溶液的Uad较0和10 mg/kg的Uad分别增大88.38%和42.37%。程树康等[15]发现氯化钠溶液经磁场处理后，溶液中水分子磁矩发生偏转，削减了溶液的电泳效应，电导率升高。孟嫚等[16]利用电磁感应原理提取松茸多糖，发现随频率的增加，松茸多糖产量下降。随溶液中硫酸铝钾质量分数的提高，体系电导率增加，次级线圈中带电自由离子受到交变感应电势的影响，发生往复运动，促进离子传导，体系电势差增大，但不随初级线圈频率变化发生改变。

表1 不同质量分数下硫酸铝钾溶液的电导率Table 1 Conductivities of aluminum potassium sulfate solutions with different mass fractions

2.4 励磁电压对不同质量分数硫酸铝钾溶液电势差的影响

初级线圈频率为300 Hz，检测不同质量分数的硫酸铝钾溶液在5～20 V励磁电压下，次级线圈中电势差Uad的变化。从图 5中可以发现，硫酸铝钾溶液Uad与励磁电压呈正相关，且电势差变化趋势随硫酸铝钾质量分数的增加而增大。在300 Hz频率下，当励磁电压从5 V增加至20 V时，20 mg/kg硫酸铝钾溶液Uad提高78.79%。ZhanG等[17]发现电场处理导致复合物中甲醇分子相对位置旋转，电荷转移，且极性发生改变。Qiu等[18]发现磁场作用下，纳米沉淀物发生二次共沉淀，其核化率增加。当溶液中硫酸铝钾质量分数增加，体系中自由带电离子数量提高，随初级线圈励磁电压的增大，次级线圈中感应电压逐渐增大，离子传导效率增加，次级线圈电势能不断累积，电势差变化趋势急剧增大。

2.5 粉丝样品中硫酸铝钾的检测

表2 粉丝样品中硫酸铝钾含量的测定Table 2 Determination of aluminum potassium sulfate in vermicelli samples

利用ORIGIN 8.5分析溶液中硫酸铝钾含量Y与频率X1、励磁电压X2和电势差X3的关系，得到线性方程Y=-6.75-0.01X1-2.20X2+0.25X3，相关系数(r)为0.94，该研究中粉丝样品的质量分数为 10%，故其硫酸铝钾总含量为10Y。在20 V，300 Hz下测定4种市售粉丝样品的电势差Uad，并依据线性方程计算其硫酸铝钾总含量。从表2中可以发现，样品C中硫酸铝钾总含量极低，该样品中未添加硫酸铝钾，检测样品A～D中硫酸铝钾总含量的相对标准偏差均在1.50%以内，且与样品化学法检测结果相比，相对误差均在2.00%以内，励磁等电势法具有良好的重复性和准确性。适量使用硫酸铝钾可改善食品品质，唐欢欢等[19]使用2.63‰的明矾提高了粉丝的硬度、咀嚼性，改善其蒸煮品质。然而，范子玮[20]发现明矾在改善粉丝品质的同时，其 Al3+在胃部和肠道溶出率仅为 50%和10%，血液、肝脏和脑部等区域 Al3+含量显著升高。市售包装粉丝大多不含有硫酸铝钾，样品C中检测数值极小，该样品不含硫酸铝钾，而散装产品则存在较大隐患，励磁等电势法及化学法检测样品D中硫酸铝钾总含量分别为255.05 mg/kg和251.53 mg/kg，超过国标允许使用量，因此，可靠有效的检测技术为添加剂的规范使用提供了保障。

3 结论

本研究利用励磁等电势法，以300～700 Hz频率及5～20 V励磁电压作为初级线圈电信号参数，分析次级线圈中不同质量分数硫酸铝钾溶液的电学特性，并检测4种市售粉丝产品种硫酸铝钾含量。研究发现，硫酸铝钾溶液的对地电压随频率变化无显著差异，随励磁电压的增加而增大。当硫酸铝钾溶液质量分数增加时，不同频率下体系电势差维持在稳定范围内，而随励磁电压的增加，体系电势差急剧升高，在 300 Hz频率下，当励磁电压从5 V增加至20 V时，20 mg/kg硫酸铝钾溶液Uad提高78.79%。硫酸铝钾溶液质量分数、频率、励磁电压和电势差呈线性相关，相关系数（r）为0.94。检测4种市售粉丝产品，检测值相对标准偏差均在1.50%以内，且与化学法检测结果相比较，测定结果相对误差均小于2.00%，试验具有良好的重复性和准确性。将粉丝的预处理料液作为次级线圈，利用励磁等电势法测定其电学特性为食品中硫酸铝钾等添加剂的检测提供了一种新方法。