氟離子選擇性電極-標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定葡萄酒中氟

張東霞，喬元元，史寶明，白金源

(西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安，710123)

氟屬于鹵族元素，是元素周期表中電負(fù)性最大的元素。由于其高反應(yīng)活性，氟以螢石(CaF2)或冰晶石(Na3AlF6)等化合物形態(tài)存在于自然界中。地下水中氟的質(zhì)量濃度通常不超過1 mg/L[1]。早在1973年，世界衛(wèi)生組織將氟列入14種必需的微量元素之一。氟主要通過消化道、呼吸道及皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體。

人體對(duì)氟的生理需要量很小，這樣小的計(jì)量很容易從環(huán)境中獲得，因而尚未發(fā)現(xiàn)人類有因缺氟而引起的疾病。但長(zhǎng)期攝入過量的氟化物，會(huì)和其他對(duì)體內(nèi)平衡必不可少的陽(yáng)離子結(jié)合，有害人體健康。因此，氟化物的攝入應(yīng)該得到控制。

飲料和食物是人體氟的主要來源。食物中氟的吸收率為50%～80%，飲料中的可溶性氟幾乎全部被小腸及胃吸收。酒精飲品中啤酒和葡萄酒中的氟含量最高[2]，而其流行程度及消費(fèi)量也最高。因此，酒精飲品作為氟化物是進(jìn)入人體的重要來源，在平衡飲食時(shí)需加以考慮。國(guó)際葡萄與葡萄酒組織(International Organisation of Vine and Wine，OIV)公布了2017年葡萄酒消費(fèi)量，中國(guó)位居全球第四[3]。

葡萄酒中氟化物的來源是多方面的，其中主要來自灌溉水。葡萄園使用冰晶石作為殺蟲劑，也是促使葡萄酒中氟化物濃度增加的重要原因。在糖酵解途徑中，氟化鈉對(duì)丙酮酸激酶有抑制作用[4-5]，在葡萄酒制備過程中經(jīng)常被用作添加劑以防止葡萄酒異常發(fā)酵。無(wú)機(jī)離子含量通常是葡萄酒產(chǎn)地的特征，與其他地區(qū)酒相比，高氟地區(qū)酒中氟化物含量較高[6]。使用氟硅酸鎂涂布的水泥發(fā)酵池將使葡萄酒中氟含量超過5 mg/L的上限[7]。在葡萄的種植和葡萄酒的釀造過程中，如果控制不當(dāng)，過量的氟化物就會(huì)殘留在成品葡萄酒中，對(duì)人體健康造成危害。因此，檢測(cè)葡萄酒中氟化物的含量具有重要的意義。

氟離子選擇電極是測(cè)定氟離子濃度的主要方法，當(dāng)電極浸入含氟溶液中，氟離子交換和擴(kuò)散發(fā)生在膜/溶液界面產(chǎn)生膜電位，在一定條件下膜電位與氟離子活度呈線性關(guān)系。由于離子選擇電極法具有靈敏、快速、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)應(yīng)用研究還在不斷報(bào)道[8-11]。然而將此法直接應(yīng)用于測(cè)定葡萄酒中氟含量，由于葡萄酒富含多種氨基酸、Fe、Se等人體所需的營(yíng)養(yǎng)元素[12-15]，待測(cè)體系較為復(fù)雜，準(zhǔn)確度和精密度會(huì)受到多種因素的影響。本研究選擇大眾消費(fèi)的干紅葡萄酒和干白葡萄酒為實(shí)際樣品，研究了酸度、干擾離子和總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖劑(total ionic strength adjustment butter，TISAB)的影響，旨在建立一種快速、簡(jiǎn)便葡萄酒中氟含量的測(cè)定方法，以評(píng)價(jià)葡萄酒消費(fèi)中氟攝入量及其毒性風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 試驗(yàn)試劑

NaF，化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；NaOH，河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠生產(chǎn)；NaCl，天力化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；冰醋酸，富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)。所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水。

1.1.2 儀器與設(shè)備

pHS-3C型精密酸度計(jì)，上海大普儀器有限公司生產(chǎn)；PF-2-01型氟離子電極，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)；CHI 150型飽和甘汞電極，上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)；79-1型磁力加熱攪拌器，天津鑫博得儀器有限公司生產(chǎn)。

1.1.3 溶液的配制

(1)NaF標(biāo)準(zhǔn)溶液

稱取1g NaF，在105 ℃下干燥4 h，冷卻溶解，定容至100 mL容量瓶，NaF標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為10 mg/L。 由于氟化物與硅酸鹽玻璃反應(yīng)生成四氟化硅和硅氟化物，因此NaF標(biāo)準(zhǔn)溶液貯于聚氯乙烯瓶中。

(2)TISAB I溶液

分別稱取58 g NaCl和29.4 g Na3C6H5O7·2H2O混合，溶于700 mL水；稱取10 g CDTA(反-1，2-環(huán)己二胺四乙酸一水)用6 mL 32%(體積分?jǐn)?shù))的NaOH溶液溶解，定容至50 mL容量瓶。將所得2種溶液混合，添加57 mL 的冰醋酸，并用32%的NaOH調(diào)節(jié)pH至5.5，冷卻定容至1 000 mL容量瓶，得到TISAB Ⅰ溶液。

(3)TISAB Ⅱ溶液

稱取204 g NaAc·3H2O溶于300 mL水中，加1 mol/LHAc溶液，調(diào)節(jié)pH至7.0，定容至500 mL容量瓶，得到3 mol/L NaAc溶液。稱取110 g Na3C6H5O7·2H2O， 溶解后，加14 mL HClO4，定容至500 mL容量瓶，得到0.75 mol/L Na3C6H5O7溶液。將所得2種溶液等量混合，即為TISAB Ⅱ溶液。

(4)TISAB Ⅲ溶液

1.2 分析方法

1.2.1 樣品準(zhǔn)備

不同于紅葡萄酒，白葡萄酒在釀造過程中增加了果汁分離、皮渣壓榨及果汁澄清等處理工藝。分析的干紅葡萄酒和干白葡萄酒樣品均由市場(chǎng)購(gòu)得。樣品1：張?jiān)＝獍偌{干紅葡萄酒，煙臺(tái)張?jiān)Ｆ咸厌劸朴邢薰旧a(chǎn)；樣品2：長(zhǎng)城五星赤霞珠干紅葡萄酒，中國(guó)長(zhǎng)城葡萄酒有限公司生產(chǎn)；樣品3：通化紅梅山葡萄酒，通化葡萄酒股份有限公司生產(chǎn)；樣品4：王朝霞多麗干白葡萄酒，中法合營(yíng)王朝葡萄釀酒有限公司；樣品5：長(zhǎng)城天賦葡園龍眼干白葡萄酒，中國(guó)長(zhǎng)城葡萄酒有限公司生產(chǎn)；樣品6：張?jiān)＠姿玖罡砂灼咸丫?，煙臺(tái)張?jiān)Ｆ咸厌劸朴邢薰旧a(chǎn)。

將葡萄酒過濾，貯于聚氯乙烯瓶，并做好標(biāo)識(shí)，置于通風(fēng)處，備用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)加入法

標(biāo)準(zhǔn)曲線法要求標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液的組成保持一致，不適合組成復(fù)雜的葡萄酒測(cè)定。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法是將標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到待測(cè)溶液中，能夠較好地消除試樣中其他組分對(duì)測(cè)定的影響。取6個(gè)50 mL容量瓶，做好標(biāo)識(shí)，分別加入10 mg/L NaF標(biāo)準(zhǔn)溶液0、1、2、4、8、16 mL，各加入15 mL葡萄酒樣品，10 mL TISAB溶液，稀釋至刻度線，搖勻，轉(zhuǎn)移至100 mL聚氯乙烯燒杯中，以飽和甘汞電極作為參比電極、活化后的氟電極作為工作電極，在電磁攪拌下，以氟質(zhì)量濃度由小到大的順序，測(cè)定各溶液的平衡電位值。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)繪制橫坐標(biāo)為F-濃度(mg/L)，縱坐標(biāo)為電位值(mV)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，即為樣品空白標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 樣品測(cè)定

準(zhǔn)確量取30 mL葡萄酒樣品于100 mL聚氯乙烯燒杯中，再加入10 mL TISAB溶液進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)樣本空白標(biāo)準(zhǔn)曲線得到葡萄酒樣品中氟含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的選擇

與LaF3單晶反應(yīng)的物質(zhì)和能與F-配位的陽(yáng)離子是干擾氟離子選擇電極測(cè)定的主要物質(zhì)。在待測(cè)液中加入TISAB溶液的作用是掩蔽干擾離子、保持相對(duì)穩(wěn)定的離子強(qiáng)度及維持溶液pH的恒定。

取葡萄酒樣品1，分別用3種不同的TISAB溶液，按照1.2.2實(shí)驗(yàn)方法，平行測(cè)定3次，并計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表1。TISAB I溶液響應(yīng)時(shí)間較短，具有最高的精密度。CDTA作為金屬掩蔽劑適用范圍廣且檸檬酸三鈉—冰醋酸可維持溶液pH恒定。故實(shí)驗(yàn)方法選擇TISAB I溶液。

表1 總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的選擇Table 1 Selection of TISAB

2.2 pH的影響

酸度是葡萄酒口感的重要組成部分，在發(fā)酵前的漿果和果汁中，這些酸包括酒石酸、蘋果酸和檸檬酸。釀造成為成品酒后，酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸和琥珀酸逐漸增加。而溶液的酸度對(duì)測(cè)定有影響，當(dāng)pH<4，發(fā)生反應(yīng)：2F-+H+=HF++F-=HF2，降低了F-濃度。pH較高，發(fā)生反應(yīng)：LaF3+3OH-=La(OH)3+3F-，使F-濃度偏高。對(duì)氟離子選擇電極法，最佳的測(cè)定酸度為pH 5～6。本研究通過加入10 mL TISAB I溶液，調(diào)節(jié)待測(cè)液pH至5.5，以保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 葡萄酒樣品中氟含量及精密度測(cè)定結(jié)果

選擇TISAB I溶液，按照1.2分析方法測(cè)定葡萄酒樣品，平行測(cè)定6次。圖1為干紅葡萄酒測(cè)定結(jié)果。張?jiān)＝獍偌{干紅葡萄酒平均氟含量(樣品1)為0.68 mg/L；長(zhǎng)城五星赤霞珠干紅葡萄酒(樣品2)平均氟含量為0.90 mg/L；通化紅梅山葡萄酒(樣品3)平均氟含量為0.76 mg/L。圖2為干白葡萄酒測(cè)定結(jié)果。王朝霞多麗干白葡萄酒(樣品4)平均氟含量為0.91 mg/L；長(zhǎng)城天賦葡園龍眼干白葡萄酒(樣品5)平均氟含量為0.81 mg/L；張?jiān)＠姿玖罡砂灼咸丫?樣品6)平均氟含量為0.88 mg/L。所分析的葡萄酒符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其氟離子質(zhì)量濃度均未超過OIV規(guī)定1 mg/L 的最大限度，所得結(jié)論與文獻(xiàn)[12]中報(bào)道的從葡萄酒中攝取氟化物不會(huì)對(duì)消費(fèi)者的健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)基本相符。平行6次的測(cè)定結(jié)果的RSD為1.11%～4.44%，說明該法滿足測(cè)定氟含量的精密度要求。

圖1 干紅葡萄酒氟離子濃度測(cè)定結(jié)果(n=6)Fig.1 Average fluoride concentration in red wines

圖2 干白葡萄酒氟離子濃度測(cè)定結(jié)果(n=6)Fig.2 Average fluoride concentration in white wines

2.4 葡萄酒樣品加標(biāo)回收率

取干紅葡萄酒和干白葡萄酒實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平分別為0.5、1.0、1.5 mg/L，按照1.2分析方法平行測(cè)定6次，計(jì)算測(cè)得6種樣品的平均回收率為95.83%～106.67%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)Table 2 Results for recovery experiments (n=6)

3 結(jié)論

研究了TISAB對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，建立了組成復(fù)雜體系中氟的測(cè)定方法。用氟離子選擇電極—標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定實(shí)際葡萄酒樣品中的氟含量，準(zhǔn)確度高且簡(jiǎn)便快速，可在葡萄酒的微量元素監(jiān)測(cè)方面推廣使用。