微波灰化-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定嬰幼兒乳粉中的鈣和磷

陳麗梅，張 慧，白國(guó)濤，馬彩霞，姚思雨，王 婧

（呼和浩特海關(guān)技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

微波灰化技術(shù)是一種創(chuàng)新的樣品前處理方法，利用抗熱的密閉腔體及微波技術(shù)來(lái)加熱，使得灰化速度提高，減少了能量損耗，增加了樣品的處理量，工作環(huán)境清潔，使用安全.不同于濕法酸消解，微波灰化的優(yōu)點(diǎn)是處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)室日常工作非常通用，多用于過(guò)程及質(zhì)量控制.在石油工業(yè)、制藥業(yè)、食品工業(yè)、塑料制品制造業(yè)、污染物治理等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.微波灰化的原理是微波系統(tǒng)發(fā)射均勻的微波，穿透高溫泡沫陶瓷護(hù)體，內(nèi)置的耐高溫泡沫瓷體內(nèi)的碳化硅板將微波能量轉(zhuǎn)化為熱能，熱量直接輻射到樣品內(nèi)，樣品被均勻加熱.微波的使用大大增加了加熱效率，相較于傳統(tǒng)馬弗爐，加熱速度大幅提高.同時(shí)，微波灰化消解用酸量也非常小，既節(jié)約了酸的使用量，又減少了趕酸過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染.微波灰化消解法在元素檢測(cè)前處理中主要應(yīng)用于油料油品[1-5]、塑料[6-7]、傣藥[8]、食用菌[9]、小麥淀粉[10-11]、電泳材料[12]等樣品.

鈣、磷都是人體必須的營(yíng)養(yǎng)元素.在人體吸收代謝過(guò)程中，鈣和磷會(huì)相互影響.根據(jù)GB 10765—2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 嬰兒配方食品》[13]和GB 10767—2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 幼兒配方食品》[14]要求，鈣磷元素比值范圍分別為1∶1～2∶1 和1.2∶1～2∶1，如果嬰幼兒乳粉中鈣磷比例失衡，嬰幼兒對(duì)鈣的有效吸收就會(huì)降低，造成膳食中鈣營(yíng)養(yǎng)元素的相對(duì)缺乏，影響骨骼和牙齒的發(fā)育，因此對(duì)嬰幼兒乳粉中鈣、磷元素進(jìn)行檢測(cè)十分必要.

目前嬰幼兒乳粉前處理方法主要有微波消解[13]、干法灰化[14]、高壓罐消解[15]和濕法消解[16].國(guó)內(nèi)未見(jiàn)微波灰化法在乳粉前處理中的應(yīng)用研究.由于乳粉基質(zhì)比較復(fù)雜，添加物質(zhì)較多，用傳統(tǒng)的前處理方法對(duì)乳粉進(jìn)行消解，有消解時(shí)間長(zhǎng)、使用酸量大等不足.本文以微波灰化為前處理方法，結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）檢測(cè)嬰幼兒乳粉中鈣、磷元素的含量，建立一種用時(shí)短、用酸量少的測(cè)定乳粉中鈣、磷元素含量的檢測(cè)方法.

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（720 型，安捷倫科技，美國(guó)），微波灰化儀（CEM，培安科技，美國(guó)），電子天平（Sartorius，塞多利斯公司，德國(guó)）（感量：0.001 g），瓷坩堝（50 mL）.硝酸（默克，優(yōu)級(jí)純），鈣、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液1 000 mg/L（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）.試驗(yàn)過(guò)程中所使用嬰幼兒乳粉均購(gòu)自超市，樣品編號(hào)1、2、5 樣品為嬰幼兒1 段乳粉，樣品編號(hào)3、4 為純奶粉，樣品編號(hào)6 為嬰幼兒2 段乳粉，樣品編號(hào)7樣品為嬰幼兒3 段乳粉.試驗(yàn)過(guò)程中使用水均為去離子水.所有使用的器具使用前均經(jīng)20%硝酸浸泡過(guò)夜.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

分別吸取鈣、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL 于100.0 mL 容量瓶中，使用2%硝酸定容至刻度，所配制溶液質(zhì)量濃度分別為10、20、30、40、50 mg/L.

硝酸溶液（硝酸∶水體積比為1∶1）配制：量取100 mL 硝酸加入至100 mL 去離子水中，混合均勻.

1.2.2 試驗(yàn)方案

在瓷坩堝中稱(chēng)量0.500 g 乳粉，設(shè)定微波灰化程序進(jìn)行試驗(yàn)，灰化完成后待微波灰化爐溫冷卻至150 ℃以下取出坩堝，晾至室溫，用2.0 mL 硝酸溶液（硝酸∶水體積比為1∶1）溶解灰分，將溶液轉(zhuǎn)移至100.0 mL 容量瓶中，用水清洗瓷坩堝，將清洗液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用去離子水定容至刻度，混合均勻后進(jìn)行鈣、磷元素含量測(cè)定.

1.3 ICP-OES 儀器條件

ICP-OES 檢測(cè)條件：功率1.2 kW，等離子體氣氣體流量：15.0 L/min，輔助器流量：1.50 L/min，霧化器流量：0.75 L/min，讀數(shù)時(shí)間：1 s，進(jìn)樣時(shí)間：15 s，穩(wěn)定時(shí)間：15 s.各元素檢測(cè)波長(zhǎng)分別為鈣317.933 nm、磷213.618 nm.

1.4 微波灰化條件優(yōu)化方案

采用正交試驗(yàn)法對(duì)微波灰化條件進(jìn)行優(yōu)化，選取4 因素4 水平正交試驗(yàn)表，因素和水平如表1 所列.

表1 正交試驗(yàn)的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 結(jié)果與討論

2.1 微波灰化參數(shù)優(yōu)化

采用正交試驗(yàn)法對(duì)微波灰化的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2 所列，正交試驗(yàn)結(jié)果分析如表3 所列.

表2 微波灰化正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test programs and results of microwave ashing

表3 灰化參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test /（mg/kg）

從表3 可以看出，磷元素4 個(gè)因素極差從大到小的順序?yàn)椋篈＞C＞B＞D，鈣元素4 個(gè)因素極差從大到小的順序?yàn)椋篈＞B＞C＞D，因此灰化溫度在整個(gè)灰化過(guò)程中起到重要的作用，碳化時(shí)間因素影響最小.

2.1.1 微波灰化溫度的優(yōu)化

正交試驗(yàn)因素的極差結(jié)果越大，代表該因素在試驗(yàn)條件中影響較大.從正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可以看出，微波灰化溫度極差最大，是影響灰化的最主要因素.將微波灰化溫度各個(gè)水平對(duì)應(yīng)的k 值為縱坐標(biāo)，灰化溫度為橫坐標(biāo)作因素水平圖，如圖1（a）所示.從圖1（a）可以看出，當(dāng)灰化溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，鈣和磷隨著微波灰化溫度的提高，所得到的含量沒(méi)有明顯的增加.鈣、磷兩種元素最佳微波灰化溫度雖然有所差別，但是差別不大.綜合以上結(jié)果，選擇500 ℃作為微波灰化的最優(yōu)溫度.

圖1 （a）灰化溫度、（b）碳化溫度、（c）微波灰化時(shí)間的因素水平圖、（d）微波灰化時(shí)間的單點(diǎn)優(yōu)化Fig.1 Factor level diagrams of (a) microwave ashing temperatures, (b) microwave carbonization temperatures and(c) microwave ashing times, (d) optimization of microwave ashing times

2.1.2 微波碳化溫度的優(yōu)化

從表3 可以看出，碳化溫度是灰化效果的次主要因素.碳化過(guò)程是將待處理的樣品置于低溫下使其碳化，減少因溫度上升過(guò)快而使得樣品灰分的揮發(fā).以微波灰化碳化溫度各個(gè)水平對(duì)應(yīng)k 值為縱坐標(biāo)，碳化溫度為橫坐標(biāo)作因素水平圖，如圖1（b）所示.

從圖1（b）可以看出，過(guò)高的碳化溫度并不利于微波灰化的結(jié)果.隨著碳化溫度的提高，樣品碳化過(guò)程過(guò)快，使得元素隨著碳化的煙霧揮出，造成了元素含量的損失.當(dāng)碳化溫度為300 ℃時(shí)，鈣和磷含量均達(dá)到最佳水平.因此選擇最佳的碳化溫度為300 ℃.

2.1.3 微波灰化時(shí)間的優(yōu)化

以微波灰化時(shí)間各個(gè)水平對(duì)應(yīng)k 值為縱坐標(biāo)，微波灰化時(shí)間為橫坐標(biāo)作因素水平圖，如圖1（c）所示.

從圖1(c）中可看到并沒(méi)有最優(yōu)的灰化時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，因此對(duì)微波灰化時(shí)間進(jìn)行了單點(diǎn)優(yōu)化，結(jié)果如圖1(d)所示.從圖1(d) 中可以看出，當(dāng)灰化時(shí)間達(dá)到90 min 后，延長(zhǎng)灰化時(shí)間對(duì)于消解并沒(méi)有明顯的改善，綜合考慮各元素的灰化時(shí)間，選擇最優(yōu)的灰化時(shí)間為90 min.

2.1.4 碳化時(shí)間的優(yōu)化

以碳化時(shí)間各個(gè)水平對(duì)應(yīng)k 值為縱坐標(biāo)，碳化時(shí)間為橫坐標(biāo)作因素水平圖，結(jié)果如圖2 所示.從圖2 可以看出，當(dāng)碳化時(shí)間達(dá)到4 min 時(shí)，鈣和磷的含量水平達(dá)到最優(yōu)，因此所選碳化時(shí)間為4 min.

圖2 碳化時(shí)間的因素水平圖Fig.2 Factor level diagram of microwave carbonization times

2.1.5 稱(chēng)樣量的優(yōu)化

通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果，選擇最佳微波灰化條件：微波灰化溫度500 ℃，灰化時(shí)間90 min，碳化溫度300 ℃，碳化時(shí)間4 min.在最優(yōu)的條件下對(duì)不同稱(chēng)樣量（0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 g）樣品進(jìn)行前處理，采用ICP-OES 對(duì)其含量進(jìn)行檢測(cè)，以樣品含量為縱坐標(biāo)，樣品稱(chēng)樣量為橫坐標(biāo)作圖3.當(dāng)稱(chēng)樣量達(dá)到2.0 g 時(shí)，嬰幼兒乳粉出現(xiàn)了灰化不完全的情況，定容樣品中含有黑色沉淀.從圖3 也可以看出，當(dāng)稱(chēng)樣量達(dá)到2.0 g 時(shí)，檢測(cè)到的樣品含量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于樣品稱(chēng)樣量過(guò)多時(shí)，樣品沒(méi)有被完全灰化，待測(cè)元素?zé)o法完全轉(zhuǎn)移到溶液中，造成檢測(cè)含量降低.因此最佳稱(chēng)樣量應(yīng)小于2.0 g.

圖3 樣品稱(chēng)樣量的選擇Fig.3 Optimization of sample weights

2.2 各元素儀器方法學(xué)考察

采用外標(biāo)法對(duì)各元素進(jìn)行檢測(cè)，以元素濃度（X）為橫坐標(biāo)，元素在ICP-OES 檢測(cè)強(qiáng)度（Y）為縱坐標(biāo)擬合線(xiàn)性方程，得到線(xiàn)性方程和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）.各元素檢出限取3 倍樣品空白標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=11）計(jì)算，定量限取10 倍樣品空白標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=11）計(jì)算.所得結(jié)果如表4 所列.

表4 線(xiàn)性方程、檢出限和定量限Table 4 Linear regression equations, limits of detection and limits of quantitation

2.3 加標(biāo)回收試驗(yàn)

在嬰幼兒乳粉中添加標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用最優(yōu)灰化條件進(jìn)行樣品處理后采用ICP-OES 進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表5 所列.從表5 可以看出，磷元素加標(biāo)回收率為86%～104%，鈣元素加標(biāo)回收率為87%～96%.磷和鈣元素6 次加標(biāo)回收率的RSD 分別為2.5%～7.0%，3.9%～10.0%.加標(biāo)回收率結(jié)果能夠滿(mǎn)足日常檢測(cè)要求.

表5 加標(biāo)回收率Table 5 Results of recovery

2.4 實(shí)際樣品的檢測(cè)

采用所建立的方法對(duì)市場(chǎng)采購(gòu)的嬰幼兒乳粉進(jìn)行鈣、磷元素含量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表6 所列.從表中可以看出，所檢測(cè)的樣品編號(hào)1、2、5 號(hào)樣品鈣磷比值分別為1.4、1.6、1.6，符合GB 10765—2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 嬰兒配方食品》[13]要求.樣品編號(hào)3、4 號(hào)樣品是純奶粉和甜奶粉，鈣磷比值分別為1.2 和1.1.樣品編號(hào)6、7 號(hào)樣品比值分別為1.7、1.3，符合GB 10767—2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 幼兒配方食品》[14]要求.

表6 實(shí)際樣品的檢測(cè)Table 6 Detection of samples/(mg/kg)

2.5 微波灰化與其他消解方法的比較

將微波灰化法與其他前處理方法消解體系和所用時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)果如表7 所列.微波灰化前處理方法的精密度和回收率能夠滿(mǎn)足日常檢測(cè)的需求.與干法灰化相比，由于微波的使用，大大增加了加熱效率，從而使在進(jìn)行嬰幼兒乳粉前處理過(guò)程中所需要的灰化時(shí)間更短，總體處理時(shí)間與微波消解相當(dāng).微波灰化前處理只需要在灰化完成后用少量酸溶解樣品，因此用酸量與濕法消解相比更少.說(shuō)明微波灰化用于嬰幼兒乳粉中鈣、磷檢測(cè)的前處理，所用時(shí)間少，消解所用到的酸的種類(lèi)和劑量也很少，減少了酸的使用對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)人員的危害.

表7 微波灰化與其他前處理方法比較Table 7 Comparison between microwave ashing and other pretreatment methods

3 結(jié)論

采用微波灰化對(duì)嬰幼兒乳粉中鈣、磷元素進(jìn)行樣品前處理，相比微波消解方法，具有用時(shí)短、用酸量少、消解效果好、不需要進(jìn)行趕酸處理等優(yōu)勢(shì).與干法灰化和濕法消解相比大大減少了樣品處理時(shí)間.采用微波灰化與ICP-OES 結(jié)合對(duì)嬰幼兒乳粉中重要的指標(biāo)元素鈣、磷元素進(jìn)行檢測(cè)，是一種快速、環(huán)保、準(zhǔn)確度高的方法，在嬰幼兒乳粉質(zhì)量控制中有很好的應(yīng)用價(jià)值.