微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法同时测定铁罐装食品中锡和9种矿物质元素

◎ 占文慧，刘 琼，吕昭玮，陈启兴

（广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300）

罐装食品其包装罐材质大多为玻璃、塑料、陶瓷和马口铁（镀锡薄铁）等。早期罐头食品大多采用玻璃材质，其安全性好，无毒无味；但是避光性差，较重，不便于运输[1]。塑料罐装材质可塑性好、轻便，便于运输，但是塑料中的加工助剂易向罐头内的食品中迁移。陶瓷材质耐热耐腐蚀、美观，但是陶瓷材料易碎且容易有铅、镉析出。马口铁导热性好、密封性好，能有效抑制微生物的繁殖。徐文慧等[2]研究发现，罐头食品包装材料中马口铁的密封性、不透光性及阻氧性能都优于玻璃瓶和高阻隔软包装。潘新春[3]研究表明，采用马口铁罐作为黄桃罐头的包装容器，在果肉硬度、咀嚼性、凝聚性以及风味物质保留方面，都优于玻璃和塑料包装容器。马口铁由于优良的性能，在食品领域应用广泛，但马口铁大多采用镀锡薄铁，其耐酸碱性能较差，容易发生重金属锡迁移。锡是人体必需的微量元素之一，但是若摄入过多，会引起头晕、恶心、腹泻等症状[4]，也会引起血氨升高，血钾下降[5]。因此在铁罐内壁覆一层膜，可阻止锡元素迁移[6]。

在保证食品安全的前提下，消费者也越来越希望了解食品的营养特性，在购买商品时也会关注食品的配料表、营养成分等。《中华人民共和国食品安全法》实施以来，我国发布实施了《食品安全国家标准 预包装食品标签通则》（GB 7718—2011）[7]、《食品安全国家标准 预包装食品营养标签通则》（GB 28050—2011）[8]和《食品安全国家标准 预包装特殊膳食用食品标签》（GB 13432—2013）[9]，在保护消费者食品安全和营养健康等方面发挥了重要作用。

本文在分析铁罐食品矿物质元素的同时，考虑到铁罐食品锡的迁移风险，因此研究出一种同时测定铁罐食品中锡和9 种矿物质元素的方法。检测食品中矿物质元素常用的方法是《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）中第二法电感耦合等离子体发射光谱法[10]；检测食品中锡的方法是《食品安全国家标准 食品中锡的测定》（GB 5009.16—2014）[11]。本文采用微波消解法结合电感耦合等离子体发射光谱法建立同时测定9 种元素和锡的方法，并对方法进行优化，为相关食品企业和食品检测机构提供更为高效的检测方法。

1 材料与方法

1.1 试剂和材料

盐酸（36%，广州化学试剂厂）；硝酸（65%，苏州晶锐）；9 种元素混标标准溶液（钾为5 000 µg·mL-1、钠为3 750 µg·mL-1、钙为3 750 µg·mL-1、镁为1 000 µg·mL-1、磷为2 500 µg·mL-1、铁为125 µg·mL-1、锰为30 µg·mL-1、铜为30 µg·mL-1和锌为75 µg·mL-1，介质为2% HNO3，IV-16658）；锡标准溶液（1 000 µg·mL-1，介质为20% HCl，GSBG62042-90）。

柑橘叶成分分析标准物质（GBW10020，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）；乳粉中锡分析质控样品（MRM0269，北京美正检测技术有限公司）；婴儿配方乳粉（QC-IP-701，中国检验检疫科学研究院测试评价中心）；实验用水（电阻率为18.2 MΩ.cm，25 ℃）由艾科浦纯水系统制得。

1.2 仪器与设备

Agilent 5800 ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪（美国Agilent 公司）；ETHOS UP 微波消解仪（意大利Milestone 公司）；赶酸器（北京莱伯泰科仪器股份有限公司）；万分天平（梅特勒）；纯水系统（艾科浦公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理方法

称取样品0.3～2.0 g 于微波消解罐中，加入一定量的硝酸后，加盖放置过夜（室温下使样品与硝酸充分混合），加入合适酸 ，快速旋紧罐盖，按照微波消解仪操作步骤进行消解，冷却后取出，开罐排气，至棕色气体排尽，用水定容至50 mL，混匀备用，同时做空白试验，微波消解程序见表1。

表1 微波消解程序表

1.3.2 仪器检测方法

样品经微波消解转化成无机溶液，由电感耦合等离子体发射光谱仪采用标准曲线法进行测定。根据初测值设定钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、锌、磷和锡的观测方式，其中高浓度元素（钾、钠、钙、镁和磷）采用径向观测；低浓度元素（铁、锰、铜、锌和锡）采用轴向观测，电感耦合等离子体发射光谱仪的工作参数见表2、表3。

表2 电感耦合等离子体发射光谱仪工作参数表

表3 各元素对应的分析谱线波长表

2 结果与分析

2.1 微波消解酸体系研究

采用《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）中第二法电感耦合等离子体发射光谱法测定食品中钾、钠、钙、镁、铁、铜、锌、锰和磷，其微波消解法采用硝酸体系。

钾、钠、钙、镁、铁、铜、锌、锰和磷元素在稀硝酸溶液中都能以稳定的离子状态存在，但Sn2+在稀硝酸溶液中存在稳定性问题，放置过夜后会出现白色锡胶，使溶液浑浊，这是因为Sn2+在水溶液中容易氧化和水解，其水解产物和氧化后Sn4+的锡胶均为白色沉淀。沈慕昭等[12]研究发现SnSO4在水中极易发生水解，必须存在足够多的硫酸才能抑制这种水解。

本文若采用硝酸-硫酸体系，钙离子在硫酸溶液中易形成硫酸钙，在硝酸-硫酸体系中，当硝酸浓度为20%以上时对硫酸钙有较强的溶解性，那么采用硝酸-硫酸体系需提高溶液中的硝酸含量[13]。谯斌宗等[14]考察了盐酸、硝酸和硫酸3 种常用无机酸对ICP-AES 测定元素灵敏度、准确度和溶液提升量的影响，其研究结果表明在0%～20%酸度范围内，盐酸基体对元素灵敏度、准确度无影响；硝酸、硫酸基体随酸度的增大导致待测元素灵敏度、准确度降低；硫酸基体产生的影响要大于硝酸。龙有前等[15]研究表明pH 值大于1.9 时，Sn2+开始水解，pH 值大于0.5 时，Sn4+开始水解，为了防止水解，必须严格控制酸度。陈喜红等[16]研究表明盐酸是用于锡溶液测定、保存的理想介质。蔡展帆等[17]采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定食品中的锡含量，其研究表明采用硝酸-盐酸体测定食品中锡含量，结果准确、精密度高。

本文不仅要确保锡含量测定的准确性，还要确保9 种矿物质元素测定的准确性。以柑橘叶（GBW10020）为对象，采用硝酸和硝酸-盐酸两种体系进行实验，实验1 加入6 mL 硝酸后，微波消解，冷却后直接定容；实验2 加入6 mL 硝酸和1 mL 盐酸后，微波消解，冷却后直接定容，实验结果见表4。

表4 不同酸体系下柑橘叶（GBW10020）中9 种矿物质元素和锡含量的结果比较表

由表4知，在硝酸体系和硝酸-盐酸体系下测得的9 种矿物质元素含量均在标示范围内。硝酸-盐酸体系下测得的锡含量在标示范围内，硝酸体系测得的锡含量低于标准值。说明有部分锡氧化水解，导致测得值偏低。结果说明硝酸-盐酸体系适用于9 种矿物质元素和锡含量的同时测定。硝酸-盐酸体系中硝酸是用于氧化分解样品中有机物，将样品溶液转化为无机溶液。盐酸是用于抑制微波消解过程中锡离子的氧化水解，锡离子与氯离子形成配合物，就不易发生氧化反应[18]，当盐酸含量达到一定浓度能够使锡离子在溶液中稳定存在[16]。

2.2 前处理优化

2.2.1 硝酸量的优化

罐装奶粉、罐头肉和罐头鱼等产品含有油脂、蛋白质等难消解有机物；罐装番茄、玉米等产品的有机物含量较少，水分含量多。硝酸的加入量与称样量、样品的水分以及样品有机物含量有关。本研究中罐头奶粉、罐头鱼的取样量为0.3～0.4 g；罐头番茄、罐头玉米的取样量为1.5～2.0 g。各称取样品4 份，分别加入5 mL、6 mL、7 mL 和8 mL 的硝酸溶液，观察消解液的颜色。由表5知，5 mL 硝酸不能完全消解样品，导致氧化反应不充分；当硝酸量增加至6 mL以上，消解液无色澄清，消解反应完全。考虑到试剂成本、消解液酸度等因素，当罐头奶粉、罐头鱼等含水量少的样品取样量为0.3～0.4 g；罐头番茄、罐头玉米等含水量多的样品取样量为1.5～2.0 g 时，6 mL 硝酸为最佳使用量。若称样量增加，硝酸的使用量也应按比例增加。

表5 不同硝酸量下消解效果比较表

2.2.2 盐酸加入量的优化

本研究中罐装奶粉、午餐肉罐头和豆豉鲮鱼罐头等油脂、蛋白质含量高的样品称取0.3 g；番茄罐头、玉米罐头和水果罐头等有机物含量较少，水分含量多的样品称取2.0 g；加入6 mL 硝酸，在保证样品完全消解的情况下，考虑优化盐酸的加入量。以试样所测10 种元素的仪器响应值总和（以下简称T值）的变化为依据来确定盐酸的加入量[19]。以番茄罐头为研究对象，依据表6中的数据，由单因素方差分析得出，3 组数据的F值小于临界值（F=0.257，＜F0.05（2,6）=2.66，P=0.781），说明盐酸加入量的影响因素不显著。一方面微波消解过程中，某些油脂含量高的样品氧化反应剧烈，导致温度升高，盐酸有损失；另一方面减少试剂用量，降低空白值并控制酸度，综合考虑这两个方面，本研究盐酸加入量为1 mL。

表6 盐酸加入量的比较表（n=3）

2.2.3 排酸气温度的优化

样品经微波消解后，消解罐内产生大量的酸气，会影响定容时无损失转移。大量酸气也会导致酸浓度过高，而降低待测元素的灵敏度和准确度，此外对电感耦合等离子体发射光谱仪雾化器有损伤。

本研究采用的微波消解酸体系为6 mL 硝酸和1 mL 盐酸，定容体积为50 mL；定容后上机溶液中硝酸浓度小于12%，盐酸浓度小于2%（考虑到微波消解过程中损失一部分酸）。谯宗斌等[14]研究表明0%～20%硝酸介质对待测元素的灵敏度影响较小，0%～20%盐酸介质对灵敏度影响甚微。综上，本研究上机溶液的酸度能满足要求，不需要加热赶走部分酸，考虑到酸气对定容的影响，因此需要排酸气。鉴于盐酸是用于稳定溶液中锡离子，浓盐酸（38%）沸点48 ℃，盐酸与水形成的最高共沸物为20%盐酸，其沸点为108.6 ℃[20]，这样加热排酸气温度不宜超过108.6 ℃。因此本研究采用水果罐头为研究对象，分别采用25 ℃（室温）排酸气和不同温度加热排酸气进行比较实验，以试样所测10 种元素的仪器响应值总和变化为依据，确定排酸气温度（以下简称T值）的变化结果见表7。由单因素方差分析得出，3 组数据的F值小于临界值[F=0.172＜F0.05(2,6)=2.66，P=0.846]，说明温度控制在90 ℃以下排酸气无明显差异。

表7 不同温度排酸气对10 种元素的总T 值影响表（n=3）

2.3 标准曲线、线性关系和检出限

精密吸取一定量“1.1”项下的9 种混合元素标准溶液和锡标准溶液用体积分数为12%的硝酸和2%盐酸混合溶液，逐级稀释为表8中系列标准溶液。

表8 标准溶液系列浓度表

将标准溶液依次分析，以待测元素对应的分析谱线信号强度为纵坐标，待测元素浓度为横坐标，绘制标准曲线，得到线性回归方程和相关系数，见表9。测定空白20 次，算出20 次标准偏差，检出限为3 倍标准偏差除以曲线斜率；定量限为10 倍标准偏差除以曲线斜率[21]。

表9 标准曲线、检出限和定量限表

2.4 精密度

对市售罐装奶粉、罐装豆豉鲮鱼、罐装腰豆、罐装八宝粥、罐装番茄酱和罐装玉米等共13 种基质进行测定，10 种元素每个元素进行3 次平行试验。由表10可知，所有样品3平行的相对标准偏差都＜5%，满足《实验室质量控制规范 食品理化检测》（GB/T 27404—2008）对于精密度的要求。

表10 基质样品的测定结果表（n=3）

续表10

2.5 标准物质验证

在相同试验条件下，对标准物质进行测定，所测元素的测量值均在标准值范围内，说明本研究方法可靠，满足罐装食品中9 种矿物质元素和锡元素的同时测定，结果见表11。

表11 标准物质测定结果表

2.6 加标回收率

以罐装番茄为研究对象，采用10 种元素混合标准溶液进行3 个不同浓度水平的加标，结果见表12，加标回收率在95%～107%，满足《实验室质量控制规范 食品理化检测》（GB 27404—2008）对回收率的要求。

表12 番茄罐头3 水平加标回收率与精密度表（n=3）

3 结论

本研究采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法同时测定罐装食品中9 种矿物质元素和锡元素。采用6 mL 硝酸-1 mL 盐酸体系进行微波消解，消解完室温赶酸气后直接定容，罐装奶粉、午餐肉罐头和豆豉鲮鱼罐头等油脂、蛋白质含量高的样品称取0.3 g；对于番茄罐头、玉米罐头和水果罐头等有机物含量较少，水分含量多的样品称取2.0 g；消解液无色澄清透明，多种基质样品的精密度＜5%，回收率在95%～107%。该方法适用于罐头食品中矿物质元素和锡元素同时测定。