微波等離子體原子發(fā)射光譜測定啤酒中的常量和微量金屬元素

張 萍，劉宏偉，黃建華，陳 林,*

（1.湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所，湖南 長沙 410013）

啤酒是采用大麥、啤酒花和水為主要原料，經(jīng)制麥、糖化、發(fā)酵、儲(chǔ)存、滅菌、澄清、過濾等工序釀制而成的低酒精度飲料，富含氨基酸、低分子糖、維生素、酶和無機(jī)鹽，營養(yǎng)價(jià)值高，適量飲用有益于身體健康[1-3]。啤酒中的氨基酸和低分子糖極易被人體吸收，能為人體提供熱量來源，因此，啤酒素有“液體面包”之美譽(yù)，作為營養(yǎng)食品已成為一種國際性飲料，是全球生產(chǎn)和消耗量最大的含酒精飲料[4]。

雖然啤酒的總體質(zhì)量是根據(jù)感官和理化指標(biāo)確定，并主要取決于其有機(jī)成分的組成及含量[5-7]，但其所含金屬元素對于啤酒的品質(zhì)、口感以及飲用安全性起重要作用[8-10]。元素Ca能提高α-淀粉酶的活性，促進(jìn)酵母細(xì)胞的凝聚性，增強(qiáng)啤酒穩(wěn)定性[11]；元素Fe和Cu會(huì)加速啤酒的自然氧化，縮短啤酒的保質(zhì)期，加深色度并改變啤酒的口味[12]；元素Mn對啤酒中的多種生物酶具有激活或抑制作用，影響啤酒的釀造過程[13]；而啤酒中的毒理性元素Cd、Pb會(huì)在人體中積蓄產(chǎn)生危害[14]。所有用來釀造啤酒的天然成分，包括水、大麥、啤酒花和酵母，都是啤酒中主要內(nèi)源性金屬元素來源；釀造啤酒過程中添加的其他物質(zhì)，啤酒與設(shè)備、容器和包裝的接觸污染，構(gòu)成了啤酒中主要外源性金屬元素來源，此外，貯存和運(yùn)輸過程中可能受到污染也構(gòu)成了啤酒中金屬元素的潛在來源[12]。顯然，無論是從質(zhì)量控制的角度出發(fā)還是出于飲用安全性考慮，都需要對啤酒中的金屬元素進(jìn)行測量，以提高啤酒的營養(yǎng)價(jià)值、口感和質(zhì)地，確保其穩(wěn)定的保質(zhì)期和飲用安全性。

目前，有關(guān)啤酒中金屬元素的測定已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，主要分析方法有原子吸收分光光度（atomic absorption spectroscopy，AAS）法[15-16]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）法[10,17-18]和電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）法[14,19-22]，其中，AAS法僅適合啤酒中單元素的測定，對于多元素的測定操作復(fù)雜繁瑣，分析速度慢，不適合大批量樣品的高通量分析。ICP-OES法和ICP-MS法具有線性范圍寬、檢出限低、靈敏度高以及分析速度快等優(yōu)勢，尤其是ICP-MS法比ICPOES法具有更高的靈敏度和更低的檢出限，但二者均采用ICP為離子源，使用高純氬氣為ICP工作氣，需持續(xù)購買昂貴的高純氬氣，導(dǎo)致分析運(yùn)行成本高。微波等離子體原子發(fā)射光譜（microwave plasma-atomic emission spectroscopy，MP-AES）采用微波導(dǎo)波技術(shù)，通過磁場激發(fā)氮?dú)猱a(chǎn)生等離子體，將磁場與電場的能量耦合并高效聚集于等離子體激發(fā)環(huán)境中，形成比ICP更強(qiáng)的趨膚效應(yīng)，工作穩(wěn)定性更好[23-26]。本實(shí)驗(yàn)采用微波消解處理啤酒樣品，利用MP-AES測定啤酒中金屬元素Na、Mg、K、Ca、Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb，旨在為啤酒中多種金屬元素的快速準(zhǔn)確測定提供低成本分析方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市購啤酒樣品分別為雪花啤酒（產(chǎn)地北京）、燕京啤酒（產(chǎn)地湖南）、珠江啤酒（產(chǎn)地廣東）、青島啤酒（產(chǎn)地山東）。

Na、Mg、K、Ca、Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L），Y、La、Lu單元素內(nèi)標(biāo)溶液（1 000 mg/L） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；質(zhì)量分?jǐn)?shù)65% HNO3溶液 德國Merck公司；實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

4200型MP-AES儀（配有MP Expert數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）美國Agilent公司；MARs 5微波消解儀 美國CEM公司；Milli-Q超純水處理系統(tǒng) 美國Millipore公司；ELAN 6000型ICP-MS儀 美國PE-SCIEX公司。所有實(shí)驗(yàn)用器皿使用前均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)24% HNO3溶液浸泡24 h后超純水沖洗3 次備用。

1.3 方法

1.3.1 儀器參數(shù)

MP-AES參數(shù)：RF功率1 000 W；氮?dú)鈮毫?，霧化氣200 kPa，中間氣170 kPa，外部氣170 kPa；泵速15 r/min；讀數(shù)時(shí)間3 s；樣品提升時(shí)間12 s；沖洗時(shí)間40 s；穩(wěn)定時(shí)間10 s；氣源為Agilent 4107 氮?dú)獍l(fā)生器。

微波消解參數(shù)：最大功率1 600 W，控制溫度120 ℃，爬升時(shí)間5 min；最大功率1 600 W，控制溫度150 ℃，爬升時(shí)間3 min，保持時(shí)間5 min；最大功率1 600 W，控制溫度180 ℃，爬升時(shí)間3 min，保持時(shí)間10 min。

1.3.2 樣品預(yù)處理

準(zhǔn)確移取5 mL啤酒樣品于微波消解罐中，加入5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)65% HNO3溶液，敞開罐蓋預(yù)消解20 min，按所設(shè)參數(shù)進(jìn)行微波消解，消解結(jié)束后冷卻至室溫，用超純水轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，定容得樣品溶液，待測。

1.3.3 MP-AES分析

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的HNO3溶液介質(zhì)分別配制0.00、0.10、2.00、20.0、100 mg/L的Na、Mg、K、Ca和0.00、0.01、0.05、0.20、1.00 mg/L的Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，按所設(shè)MP-AES參數(shù)測定，MP Expert軟件自動(dòng)繪制校準(zhǔn)曲線，并同時(shí)測定樣品溶液和空白溶液，所有分析溶液中均在線加入1 mg/L的Y、La、Lu混合內(nèi)標(biāo)溶液，根據(jù)校準(zhǔn)曲線計(jì)算得到樣品溶液中分析元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用MP-AES自帶的MP Expert數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析譜線的選擇

利用MP Expert軟件從分析譜線庫中自動(dòng)調(diào)用各元素的多條譜線，根據(jù)各元素譜線的潛在干擾和強(qiáng)度確定分析譜線。Na 588.595 nm和Na 589.592 nm分別為高強(qiáng)度譜線，在相同濃度下Na 588.595 nm的靈敏度高于Na 589.592 nm，由于Mo 588.831 nm對Na 588.595 nm形成干擾，實(shí)驗(yàn)選擇Na 589.592 nm為分析譜線；Mg 285.213 nm和Mg 279.553 nm均為高靈敏譜線，由于Mg 279.553 nm處受到Mn 279.482 nm和Mn 279.827 nm的干擾，實(shí)驗(yàn)選擇Mg 285.213 nm為分析譜線；K 766.491 nm和K 769.892 nm為高強(qiáng)度譜線，在相同濃度下K 766.491 nm靈敏度比K 769.892 nm高且都不存在干擾，實(shí)驗(yàn)選擇K 766.491 nm為分析譜線；Ca 422.673 nm為最靈敏線，但受到Fe 422.545 nm、Fe 422.417 nm、Fe 422.743 nm原子線的嚴(yán)重干擾，實(shí)驗(yàn)選擇次靈敏線Ca 393.366 nm為分析譜線。微量金屬元素分析譜線選擇原則與常量金屬元素相似，本實(shí)驗(yàn)分別選擇Al 396.152 nm、Mn 403.076 nm、Fe 371.993 nm、Ni 352.454 nm、Cu 324.754 nm、Zn 213.857 nm、Sr 407.771 nm、Cd 228.802 nm、Ba 614.171 nm、Pb 405.781 nm為分析譜線，最大程度地避開光譜干擾。

2.2 干擾及校正

啤酒是具有多種潛在干擾的復(fù)雜基質(zhì)樣品，借助MP Expert軟件中的波長數(shù)據(jù)庫選擇分析譜線避開大量干擾，但仍然存在潛在光譜干擾和背景干擾，實(shí)驗(yàn)采用快速線性干擾校正（fast linear interference correction，F(xiàn)LIC）技術(shù)進(jìn)行校正。如圖1所示，選擇766.491 nm的主波長測定K，樣品溶液中所存在的La在766.434 nm處的光譜線對K產(chǎn)生光譜干擾，采用FLIC技術(shù)能自動(dòng)扣除La對K的光譜干擾，同時(shí)校正空白背景干擾?；贛P-AES的波長示值誤差（±0.035 nm）和最小光譜帶寬（±0.05 nm），確定分析譜線±0.05 nm范圍內(nèi)的譜線為干擾譜線，所對應(yīng)元素為干擾元素[27]，本實(shí)驗(yàn)存在的光譜干擾包括：Mn受到Co、Fe、V的干擾，F(xiàn)e受到Co的干擾、Cu受到Fe、Mn、Ni、Ti的干擾，Pb受到Co、Fe、Mn、Ti、V的干擾，而稀土元素La、Hf、Tm、Ta、Sm、Pr、Ho、Zr、Er、Gd、Tb幾乎對所有分析元素構(gòu)成干擾，雖然啤酒樣品中的干擾元素和稀土元素含量低，所形成的大部分干擾不影響分析元素的測定，但基于所有分析元素均存在背景干擾，實(shí)驗(yàn)選擇FLIC技術(shù)同時(shí)校正所有分析元素的光譜干擾和背景干擾。

圖1 La 766.434 nm和空白峰對K 766.491 nm的干擾Fig. 1 Interferences of La at 766.434 nm and blank peak to K at 766.491 nm

樣品溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液及空白溶液的基質(zhì)組成不同，導(dǎo)致3 種溶液的密度、黏度、表面張力等物理性質(zhì)存在差異，在分析過程中光源波動(dòng)引起譜線強(qiáng)度變化，產(chǎn)生基體效應(yīng)，當(dāng)測定樣品受到基體效應(yīng)又找不到基體匹配時(shí)，內(nèi)標(biāo)法是有效的校正方法[28-30]。由于啤酒基質(zhì)組成復(fù)雜，無法進(jìn)行基體匹配，實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)標(biāo)法校正基體效應(yīng)。將1 mg/L的Y、La、Lu混合內(nèi)標(biāo)溶液通過“Y”型三通接口的橙色/綠色泵管在線加入，與上機(jī)測試溶液進(jìn)入霧化室前匯合，選擇內(nèi)標(biāo)元素的分析譜線分別為Y 371.029 nm、La 394.910 nm、Lu 261.542 nm，利用分析元素與內(nèi)標(biāo)元素的信號強(qiáng)度的比值進(jìn)行定量分析，校正基體效應(yīng)。

2.3 分析穩(wěn)定性評價(jià)

為評價(jià)分析方法的穩(wěn)定性，在啤酒樣品中加入200 mg/L的K標(biāo)準(zhǔn)溶液，50 mg/L的Na、Mg、Ca標(biāo)準(zhǔn)溶液，100 μg/L的Mn、Fe、Zn、Sr標(biāo)準(zhǔn)溶液，50 μg/L的Al、Cu、Ba標(biāo)準(zhǔn)溶液，10 μg/L的Ni、Cd、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液，加標(biāo)樣品經(jīng)微波消解預(yù)處理后，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下采用MP-AES連續(xù)測定3 h，每10 min測定一次，總共測定18 次，對所有元素的測定結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見圖2。14 種分析元素的歸一化濃度在1±0.05范圍內(nèi)變化，表明所有分析元素在3 h內(nèi)的信號強(qiáng)度沒有出現(xiàn)明顯漂移，驗(yàn)證了分析過程的穩(wěn)定性良好。

圖2 3 h內(nèi)重復(fù)測量多元素加標(biāo)啤酒樣品的分析Fig. 2 Analysis of multiple elements spiked into beer sample measured repeatedly within 3 h period

2.4 線性關(guān)系與檢出限

在優(yōu)化條件下采用MP-AES法對系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定，以各元素分析譜線與內(nèi)標(biāo)元素分析譜線信號絕對強(qiáng)度的比值（相對強(qiáng)度）對標(biāo)準(zhǔn)溶液所對應(yīng)的濃度進(jìn)行線性回歸；連續(xù)分析空白溶液10 次，根據(jù)各元素的相對強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的質(zhì)量濃度為各元素儀器的檢出限（limit of detection，LOD），以10 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的質(zhì)量濃度為各元素的定量限（limit of quantitation，LOQ），結(jié)果見表1。所有分析元素的線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999 0，各元素的LOD為0.13～230 μg/L，LOQ為0.43～768 μg/L。

表1 元素的分析譜線、線性關(guān)系及檢出限Table 1 Analytical spectral lines, linear correlation coefficients and LODs and LOQs for the analytes

2.5 準(zhǔn)確性與精密度評價(jià)

由于缺少啤酒標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)，采用啤酒樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)評價(jià)分析方法的準(zhǔn)確性和精密度，同時(shí)采用ICP-MS法對加標(biāo)樣品進(jìn)行測定，進(jìn)一步評價(jià)方法的準(zhǔn)確性。根據(jù)啤酒樣品中分析元素的含量（本底值）分別加入不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用MP-AES法平行測定6 次，計(jì)算各元素的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD），應(yīng)用t檢驗(yàn)法對MPAES法和ICP-MS法的測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果見表2。各元素的加標(biāo)回收率在95.6%～104%之間，RSD在1.8%～4.0%之間，在95%的置信度水平，2 種分析方法的測定結(jié)果無顯著性差異（P＞0.05），表明所建立的分析方法具有良好的準(zhǔn)確性和精密度。

表2 元素的加標(biāo)回收率及對比分析結(jié)果（n=6）Table 2 Spiked recoveries and comparative analysis results of the analytes using MP-AES and ICP-MS (n= 6)

2.6 樣品分析

分別選取我國4 個(gè)不同產(chǎn)地的雪花啤酒、燕京啤酒、珠江啤酒、青島啤酒（樣品編號1、2、3、4），采用MP-AES法進(jìn)行測定，每個(gè)樣品重復(fù)測定6 次，結(jié)果見表3。4 種啤酒中的金屬元素含量雖然存在一定差異，但所有分析樣品中的K含量最高，均大于200 mg/L，其次是Mg含量，均大于50 mg/L，而Na和Ca的質(zhì)量濃度略低于Mg，其中Na質(zhì)量濃度在25.2～56.9 mg/L之間，Ca質(zhì)量濃度在25.6～48.7 mg/L之間。啤酒中微量元素Fe、Mn、Sr的含量明顯高于其他微量元素，而重金屬元素Cd、Pb的含量極低，遠(yuǎn)低于GB 2762—2017《食品中污染物限量》中的Cd≤3 μg/L、Pb≤0.2 mg/L[31]，其中4 種啤酒中均未檢出重金屬元素Cd，2 種啤酒中均未檢出重金屬元素Pb，表明4 種啤酒沒有受到重金屬污染，飲用安全。

表3 樣品的分析結(jié)果（n=6）Table 3 Analytical results of real samples (n= 6) μg/L

3 結(jié) 論

利用MP-AES對啤酒中的14 種金屬元素進(jìn)行分析，選擇分析譜線避開基體組分的大量光譜干擾，采用FLIC技術(shù)校正潛在的光譜干擾和背景干擾，通過加入內(nèi)標(biāo)元素校正基體效應(yīng)。各元素的LOD為0.13～230 μg/L，加標(biāo)回收率在95.6%～104%之間，準(zhǔn)確度好，RSD在1.8%～4.0%之間，精密度高、分析穩(wěn)定性好，采用ICP-MS對同一樣品進(jìn)行對比分析進(jìn)一步驗(yàn)證分析方法的準(zhǔn)確性好。該方法無需使用昂貴的高純氬氣，避免連接或更換鋼瓶，分析運(yùn)行成本低，操作簡單安全，并具有高通量分析特性，尤其適合氣體采購困難、運(yùn)輸不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，是復(fù)雜樣品中無機(jī)元素低成本快速準(zhǔn)確分析的理想選擇。