ATR-FTIR快速測(cè)定食醋總酸的研究

江秀明，王鶴達(dá)，楊登輝，向國(guó)強(qiáng)，何麗君，趙文杰

河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001

醋是一種酸性調(diào)味品，已經(jīng)有3 000多年的釀造及食用歷史。根據(jù)釀造的原料，食醋可分為谷物醋和水果醋。醋在生產(chǎn)過程中使用固態(tài)和液態(tài)發(fā)酵方法[1-4]。在歐洲國(guó)家，醋主要使用液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)，如香醋、雪梨酒醋和蘋果酒醋，原料包括葡萄、蘋果、西紅柿、柿子和菠蘿等。在亞洲國(guó)家，大多數(shù)類型的醋都是通過固態(tài)發(fā)酵釀造的，如黑醋、山西陳醋、鎮(zhèn)江香醋和保寧醋，原料包括高粱、麥麩、豆類、大米和稻殼等[5]。醋富含營(yíng)養(yǎng)成分和生物活性化合物，包括氨基酸、糖、有機(jī)酸、多酚、黑素和四甲基吡嗪[6-7]。釀造使用的原材料、生產(chǎn)技術(shù)，以及釀造過程中的化學(xué)反應(yīng)、物理變化、微生物發(fā)酵與醋中物質(zhì)的種類和濃度密切相關(guān)，這些功能性化合物不僅賦予醋風(fēng)味，而且還具有抗菌和消炎特性，在人類疾病的預(yù)防和治療中起著重要的作用[8]。

食醋的主要品質(zhì)指標(biāo)為總酸質(zhì)量濃度，其中的酸性物質(zhì)主要為乙酸。目前，食醋中總酸質(zhì)量濃度測(cè)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12456—2008)方法是化學(xué)滴定法，該方法通過酸堿滴定測(cè)定食醋中的酸性物質(zhì)總量，對(duì)于深顏色的食醋，需要使用電位法確定滴定終點(diǎn)，并且在測(cè)量前需進(jìn)行多種溶液的標(biāo)定，整個(gè)檢測(cè)過程復(fù)雜、耗時(shí)，對(duì)檢測(cè)人員的技術(shù)水平要求較高。為了快速測(cè)定食醋的總酸質(zhì)量濃度，陳斌等[9]采用近紅外光譜法，對(duì)18份恒順香醋的總酸采用多元線性回歸方法進(jìn)行定量分析，建立的校正模型的相關(guān)系數(shù)大于0.990。

作者采用衰減全反射-傅里葉變換紅外(ATR-FTIR)光譜儀測(cè)定食醋樣品的紅外光譜，建立簡(jiǎn)單易行的食醋總酸質(zhì)量濃度的測(cè)定方法，為醋類產(chǎn)品的研究、生產(chǎn)、銷售及使用者提供一種實(shí)用的紅外光譜測(cè)試技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

15種具有不同總酸質(zhì)量濃度的食醋(白醋、陳醋、香醋、米醋等)購自超市。氫氧化鈉、冰醋酸、鄰苯二甲酸氫鉀均為分析純。配備有衰減全反射(ATR)附件的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：PerkinElmer；酸度計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 食醋總酸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定

食醋樣品的總酸質(zhì)量濃度均按照GB/T 12456—2008進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

首先，稱取10 g冰醋酸于50 mL容量瓶中，加水定容至刻度，配制成0.2 g/mL的乙酸溶液。然后，用移液管準(zhǔn)確吸取上述溶液按比例稀釋，混合均勻，配制成乙酸質(zhì)量濃度為0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 g/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品。吸取上述溶液40 μL滴加到ATR-FTIR 附件的金剛石晶體上，使樣品覆蓋整個(gè)晶體表面，采集其在4 000～400 cm-1的紅外吸收光譜(衰減全反射紅外光譜儀分辨率4 cm-1，掃描16次)。每種食醋樣品平行測(cè)定3次，求平均值，建立紅外光譜參數(shù)與乙酸質(zhì)量濃度(ρ)之間的定量關(guān)系。

1.2.3 食醋總酸的ATR-FTIR光譜測(cè)定

吸取大約50 μL食醋樣品于ATR-FTIR 附件的金剛石晶體上，使樣品覆蓋整個(gè)晶體表面。采集4 000～400 cm-1的紅外光譜，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，求平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel及Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 食醋的ATR-FTIR譜圖分析

化合物中的官能團(tuán)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，引起基團(tuán)振動(dòng)能級(jí)躍遷，產(chǎn)生紅外吸收光譜。紅外光譜具有特征性強(qiáng)的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定和樣品中特定化合物的定量分析[10-11]。金剛石具有穩(wěn)定、耐化學(xué)試劑的特點(diǎn)，以金剛石為晶體的ATR附件操作簡(jiǎn)單,能夠提供合適的吸收光程，近年來在液體及固體樣品的定量分析和摻偽鑒別領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多[12]。

利用ATR附件測(cè)定液體樣品的FTIR光譜時(shí)，只需將一定量的樣品滴于ATR晶體表面，即可方便地獲得FTIR光譜圖。以空氣為背景測(cè)得的水、0.04 g/mL的乙酸溶液、總酸質(zhì)量濃度大于0.04 g/mL的白醋和香醋的ATR-FTIR譜圖(圖1)顯示，樣品中的水在4 000～400 cm-1產(chǎn)生兩個(gè)分別位于3 350 cm-1和1 640 cm-1附近的強(qiáng)吸收峰，而乙酸、白醋和香醋等含有機(jī)酸的樣品在2 000～900 cm-1存在吸收峰(圖1內(nèi)插小圖)，且受到水吸收峰的嚴(yán)重干擾。

圖1 以空氣為背景測(cè)定的水、乙酸溶液、白醋和香醋的ATR-FTIR譜圖Fig.1 ATR-FTIR spectra of water,acetic acid solution, white vinegar and fragrance vinegar with air as background

為了消除樣品中水吸收峰的影響，以水為背景，測(cè)定了0.04 g/mL的乙酸溶液、質(zhì)量濃度大于0.04 g/mL白醋和香醋的ATR-FTIR譜圖(圖2)，圖2顯示白醋和乙酸溶液的紅外光譜相似，均在1 710、1 400、1 280 cm-1附近呈現(xiàn)典型的由乙酸中的官能團(tuán)產(chǎn)生的吸收峰，此外白醋在1 050 cm-1附近還出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)吸收峰，該峰與白醋中存在的糖類物質(zhì)有關(guān)。香醋的FTIR光譜較白醋的復(fù)雜，除了與白醋有相似的吸收峰外，在1 570 cm-1處呈現(xiàn)出羧酸根的特征吸收峰，表明香醋中含有少量羧酸鹽。

圖2 以水為背景測(cè)定的乙酸溶液、白醋和香醋的ATR-FTIR譜圖Fig.2 ATR-FTIR spectra of acetic acid solution, white vinegar and fragrance vinegar with water as background

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

乙酸溶液、白醋和香醋在1 710 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰，由有機(jī)酸中的羧羰基的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，其強(qiáng)度與樣品中有機(jī)酸含量有關(guān)，不受其他吸收峰的影響，可用于定量食醋的總酸質(zhì)量濃度，該峰于1 820 cm-1處達(dá)到基線。因此，利用食醋樣品在1 710、1 820 cm-1處吸光度的差值(A1 710/1 820)，計(jì)算食醋總酸質(zhì)量濃度。

食醋樣品中的主要有機(jī)酸為乙酸，可利用不同質(zhì)量濃度的乙酸溶液為標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定其FTIR數(shù)據(jù)，建立食醋總酸質(zhì)量濃度與其光譜數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系。市場(chǎng)中大部分食醋的總酸質(zhì)量濃度在3～9 g/100 mL之間。因此，利用冰醋酸配制成乙酸質(zhì)量濃度為0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 g/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品，測(cè)定其ATR-FTIR的紅外光譜圖。隨著標(biāo)準(zhǔn)樣品的乙酸質(zhì)量濃度不斷增大，1 710 cm-1處吸收峰強(qiáng)度逐漸增大，A1 710/1 820與乙酸(有機(jī)酸)質(zhì)量濃度之間存在良好的線性關(guān)系(圖3)，A1 710/1 820=0.004 29ρ+0.000 46，相關(guān)系數(shù)(R)為0.999 9。

圖3 ATR-FTIR測(cè)定乙酸質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of acetic acid mass content by ATR-FTIR determination

2.3 食醋樣品的ATR-FTIR測(cè)定

利用ATR-FTIR光譜儀測(cè)定了15種總酸質(zhì)量濃度在0.02～0.1 g/mL的食用醋，并同時(shí)利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 12456—2008)測(cè)定其總酸質(zhì)量濃度。2 000～1 000 cm-1的FTIR譜圖(圖4)顯示，各種食用醋在1 710 cm-1處的吸收峰具有不同強(qiáng)度，表明其有機(jī)酸含量各不相同。

注：以水為背景。圖4 食醋樣品的ATR-FTIR譜圖Fig.4 ATR-FTIR spectra of the vinegar samples

根據(jù)各樣品的FTIR譜圖，計(jì)算光譜參數(shù)A1 710/1 820，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線方程可計(jì)算食醋樣品的總酸質(zhì)量濃度。結(jié)果顯示，利用FTIR測(cè)定的總酸質(zhì)量濃度ρFTIR與國(guó)標(biāo)法測(cè)定的總酸質(zhì)量濃度ρGB之間存在良好的相關(guān)性(圖5)，二者的相關(guān)關(guān)系為ρFTIR=1.036ρGB-0.27，相關(guān)系數(shù)(R)為0.997 6。

圖5 食醋樣品總酸質(zhì)量濃度的ATR-FTIR法測(cè)定結(jié)果和國(guó)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relationship of total acid mass content determined by ATR-FTIR and GB methods

2.4 精密度與檢出限

利用建立的ATR-FTIR方法，測(cè)定了總酸質(zhì)量濃度分別為0.03、0.09 g/mL的兩種食醋，9次測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.95%和0.26%，表明所建立的ATR-FTIR方法具有很高的精密度，能夠準(zhǔn)確測(cè)定食醋總酸質(zhì)量濃度。

在食醋樣品中加入固體氫氧化鈉，中和其中的有機(jī)酸，制取酸含量為0的空白樣品，利用ATR-FTIR技術(shù)測(cè)定其總酸質(zhì)量濃度。通過9次平行測(cè)定結(jié)果，計(jì)算得到方法的檢出限(s=3)為0.042%，表明建立的方法具有較高的靈敏度。

3 結(jié)論

建立了基于ATR-FTIR技術(shù)的食醋總酸質(zhì)量濃度的測(cè)定方法，測(cè)得的食醋總酸質(zhì)量濃度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 12456—2008)測(cè)定結(jié)果一致，測(cè)定結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性，方法的檢出限為0.042%。與傳統(tǒng)的滴定分析方法相比，ATR-FTIR方法具有操作方便、分析速度快，且測(cè)定過程中無需使用任何試劑等優(yōu)點(diǎn)。該方法可應(yīng)用于不同種類的食醋測(cè)定，廣泛適用于實(shí)驗(yàn)室研究、食醋生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和生產(chǎn)企業(yè)的大規(guī)模跟蹤測(cè)試。