微波消解-原子吸收光譜法測(cè)定山西老陳醋中微量元素

趙欣，楊慶文，韓建欣，楊宇霞，李慧，彭曉光*

（1.山西省生物研究所，山西太原030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

微波消解-原子吸收光譜法測(cè)定山西老陳醋中微量元素

趙欣1，2，楊慶文1，韓建欣1，楊宇霞1，李慧1，彭曉光1*

（1.山西省生物研究所，山西太原030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

以山西老陳醋為原料，微波消解法處理樣品，采用原子吸收光譜法對(duì)Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素含量進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)混酸體系、混酸體積比、樣液與消解液體積比和消解時(shí)間單因素試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)確定微波消解處理樣品的最佳條件。結(jié)果表明，在以HNO3-H2O2為消解試劑的混酸體系中，Zn、Fe、K、Ca四種微量元素最佳消解條件為混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為20 min；微量元素Mg最佳消解條件為混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為25 min，在此條件下，測(cè)得樣品回收率在95.0%～106.0%，精密度試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42%～1.13%。優(yōu)化后的微波消解法具有反應(yīng)快、消解徹底、精密度好、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究和分析山西老陳醋的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提供參考。

山西老陳醋；微量元素；微波消解；原子吸收光譜法

山西老陳醋是我國(guó)四大名醋之一，且位列四大名醋之首，素有“天下第一醋”的盛譽(yù)，具有悠久歷史及獨(dú)特地方特色，幾百年來(lái)憑“選料上乘、工藝獨(dú)特、品質(zhì)優(yōu)良、營(yíng)養(yǎng)豐富、色香味俱佳”而著稱(chēng)[1]。現(xiàn)代科學(xué)研究證明，微量元素在人體中起著極其重要的作用，山西老陳醋中含有許多對(duì)人體有益的微量元素，能夠促進(jìn)鈣、鎂、鋅、鉀及微生物的代謝。因此，準(zhǔn)確測(cè)定山西老陳醋中微量元素的含量具有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)食醋中微量元素測(cè)定已有了比較成熟的分析檢測(cè)方法[2]，主要有原子吸收法（atomic absorption spectrophotometry，AAS）[3]、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法（inductively coupled plasma-atomic emission spectrom etry，ICP-AES）[4]、原子熒光光譜法（atomic fluorescence spectrometry，AFS）[5]、電位溶出分析法[6]和電感耦合等離子體-質(zhì)譜法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）[7]。除分析檢測(cè)方法外，樣品處理也是檢測(cè)分析的重要方面[8]，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度及檢出限的確定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的樣品前處理方法大多采用普通高壓消解法、濕法消化法和干式灰化法[9]。但這些方法易造成被測(cè)成分的損失，且試劑用量大，空白值高，產(chǎn)生酸霧多且費(fèi)時(shí)[10]，微波消解通過(guò)對(duì)樣品密閉增壓，使樣品在高溫高壓下與酸更有效的接觸[11]，不僅加快了反應(yīng)速率，而且消解完全、徹底，同時(shí)由于試劑用量少，減少了污染，降低了空白值[12]，因此越來(lái)越多的被應(yīng)用于檢測(cè)分析領(lǐng)域[13]。

本研究利用微波消解法處理醋樣，通過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳消解方案，并利用原子吸收光譜法測(cè)定山西老陳醋中Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素的含量，以期為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)山西老陳醋營(yíng)養(yǎng)成分提供科學(xué)的檢測(cè)手段和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山西老陳醋：山西老陳醋集團(tuán)有限公司；東湖、水塔、紫林、寧化府4個(gè)品牌的山西老陳醋：市售；硝酸、過(guò)氧化氫、鹽酸、硫酸（均為優(yōu)級(jí)純）：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液：環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液均由質(zhì)量濃度為500 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5‰硝酸溶液稀釋而成的。

鑭溶液（50 g/L）的配制：稱(chēng)取29.32 g氧化鑭，用25 mL去離子水濕潤(rùn)后，緩慢添加125 mL鹽酸使氧化鑭溶解后，用去離子水稀釋至500 mL。

1.2 儀器與設(shè)備

AA-800型原子吸收光譜儀：美國(guó)PerkinElmer公司；ECH-1型電子控溫加熱板：上海頓克儀器科技有限公司；MilestoneETHOS微波消解儀：北京萊伯泰科儀器股份有限公司；NW150V超純水系統(tǒng)：上海康雷分析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

微波消解：取2 mL待測(cè)樣品于消解罐內(nèi)筒，加入一定量的硝酸和過(guò)氧化氫，將消解罐置于微波消解儀中，按表1中設(shè)定好的程序進(jìn)行微波消解，同時(shí)做空白對(duì)照。消解完畢后，趕酸，將消解罐內(nèi)液體轉(zhuǎn)移至容量瓶用5‰硝酸溶液定容至25mL容量瓶中。其中鋅、鐵待測(cè)液：將上述消解液直接上機(jī)測(cè)定；鈣待測(cè)液：從25 mL消解液中準(zhǔn)確吸取5 mL定容至100 mL容量瓶中，加2.0 mL 50 g/L鑭溶液，用5‰硝酸溶液定容至25 mL，同樣方法處理空白溶液；鎂待測(cè)液：從25 mL消解液中準(zhǔn)確吸取5 mL定容至25 mL容量瓶中，加0.5 mL 50 g/L鑭溶液，用5‰硝酸溶液定容至25 mL，同樣方法處理空白溶液；鉀待測(cè)液：從25 mL消解液中準(zhǔn)確吸取5 mL至50 mL容量瓶中，用5‰硝酸溶液定容，同樣方法處理空白溶液。

表1 微波消解程序Table 1 Program of microwave digestion

1.3.2 儀器工作條件

用原子吸收光譜儀測(cè)定Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素，儀器工作條件見(jiàn)表2。

表2 原子吸收光譜儀工作參數(shù)Table 2 Working parameters of atomic absorption spectrometry

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

Zn、Fe、K、Ca、Mg系列標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度分別為：Zn質(zhì)量濃度為0、0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、1.5 μg/mL、2.0 μg/mL、2.5μg/mL；Fe質(zhì)量濃度為0、2.0μg/mL、4.0μg/mL、6.0μg/mL、8.0μg/mL、10.0μg/mL；K質(zhì)量濃度為0、1.0μg/mL、2.0μg/mL、3.0μg/mL、4.0μg/mL、5.0μg/mL；Ca質(zhì)量濃度為2.0μg/mL、5.0μg/mL、10.0μg/mL、15.0μg/mL、20.0μg/mL；Mg質(zhì)量濃度為0、0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、2.0 μg/mL、3.0 μg/mL、4.0 μg/mL、5.0 μg/mL。

1.3.4 微波消解條件的確定

分別以HNO3及混酸體系（HNO3-H2O2、HNO3-H2SO4）、混酸體積比（3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、11∶1）、樣液體積比（樣品與消解溶液體積的比例）（1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6）、消解時(shí)間（10 min、15 min、20 min、25 min、30 min）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析對(duì)Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素微波消解的影響。

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以混酸體積比（A）、樣液體積比（B）、消解時(shí)間（C）為影響因素，以吸光度值（Y）為考察指標(biāo)，采用L9（33）正交設(shè)計(jì)，確定各微量元素最佳微波消解條件。正交試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表3。

表3 微波消解條件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments for microwave digestion conditions optimization

2 結(jié)果與分析

2.1 各微量元素標(biāo)準(zhǔn)曲線

利用原子吸收光譜儀分別測(cè)定各質(zhì)量濃度微量元素的吸光度值，以吸光度值（y）為橫坐標(biāo)，質(zhì)量濃度（x）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，測(cè)定的5種微量元素的相關(guān)系數(shù)R均在0.999以上，線性良好，表明該方法能夠滿(mǎn)足這5種微量元素的檢測(cè)分析要求。

表4 5種微量元素的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)Table 4 Linear regression equation and relative coefficients of 5 kinds of trace elements

2.2 微波消解條件的確定

2.2.1 各微量元素混酸體系的確定

考察HNO3、HNO3-H2O2、HNO3-H2SO4三種消解體系對(duì)5種微量元素微波消解吸光度值的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同混酸體系對(duì)5種微量元素吸光度值的影響Table 5 Effect of different mixed acid system on absorbance value of 5 kinds of trace elements

由表5可知，與HNO3直接消解相比，5種微量元素在HNO3-H2O2混酸體系中消解液吸光度值最高，在HNO3-H2SO4混酸體系中吸光度值最低。硝酸不僅能分解樣品基體，同待測(cè)金屬離子形成可溶鹽，還具有強(qiáng)氧化性，能在微波能量激發(fā)下使有機(jī)質(zhì)消解更完全[14]，過(guò)氧化氫的氧化性也較強(qiáng)，且在消解完成后易分解除去，同時(shí)反應(yīng)較為溫和，能夠避免使用高氯酸而引起爆炸的危險(xiǎn)，但直接利用硝酸消解樣品，可能由于硝酸體積過(guò)大，消解完畢后剩余酸較多，不易分解除去，從而影響或干擾各微量元素的測(cè)定。而HNO3-H2SO4混酸體系中硫酸根與其中某些金屬離子易形成微溶性鹽[15]，因此各微量元素吸光度值較其他兩種混酸體系較低。故選用HNO3-H2O2混酸體系作為微波消解試劑。

2.2.2 各微量元素混酸體積比的確定

考察混酸體積比對(duì)5種微量元素微波消解吸光度值的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著混酸體積比的增加，5種微量元素微波消解吸光度值呈逐漸上升趨勢(shì)，當(dāng)硝酸與過(guò)氧化氫體積比為7∶1時(shí)，測(cè)得的吸光度值最高，說(shuō)明此時(shí)消解效果最好，隨著硝酸體積增大，吸光度值又逐漸開(kāi)始下降，這可能是由于硝酸體積過(guò)大，導(dǎo)致消解完后剩余酸較多，從而影響各微量元素的測(cè)定，吸光度值降低。因此，選擇HNO3-H2O2混酸體積比7∶1為宜。

圖1 不同混酸體積比對(duì)各微量元素吸光度值的影響Fig.1 Effect of mixed acid volume ratio on absorbance value of 5 kinds of trace elements

2.2.3 各微量元素樣液與消解液體積比的確定

考察樣液體積比對(duì)5種微量元素微波消解吸光度值的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同樣液體積比對(duì)各微量元素吸光度值的影響Fig.2 Effect of simple-digestion liquid volume ratio on absorbance value of 5 kinds of trace elements

由圖2可知，在其他影響因素固定不變時(shí)，隨著樣液體積比的增加，5種微量元素微波消解吸光度值呈逐漸上升趨勢(shì)，當(dāng)樣品與混酸消解液體積比為1∶4時(shí)，測(cè)得的吸光度值最高，說(shuō)明此時(shí)消解效果最好。隨著樣液比升高，吸光度值不再有明顯變化。因此，選擇樣液與消解液體積比1∶4為宜。

2.2.4 各微量元素消解時(shí)間的確定

考察消解時(shí)間對(duì)5種微量元素微波消解吸光度值的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同消解時(shí)間對(duì)各微量元素吸光度值的影響Fig.3 Effect of digestion time on absorbance value of 5 kinds of trace elements

由圖3可知，隨著微波消解時(shí)間的延長(zhǎng)，5種微量元素吸光度值逐漸升高，當(dāng)微波消解時(shí)間為20 min時(shí)，消解效果最佳。隨著消解時(shí)間的增加，吸光度值又呈逐漸下降趨勢(shì)。微波消解過(guò)程中，消解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果造成影響。若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使罐內(nèi)壓力過(guò)大，造成安全裝置自動(dòng)放氣、減壓，從而使微量元素?fù)p失；若時(shí)間過(guò)短，則會(huì)使樣品消化不徹底[16]。故確定20 min為最佳微波消解時(shí)間。

2.2.5 微波消解條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 5種微量元素微波消解條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 6 Results of orthogonal experimental of trace elements

由表6正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析可得，各微量元素中Zn的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋簶右后w積比（B）＞混酸體積比（A）＞消解時(shí)間（C），A2B2C2為最佳組合；Fe的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋夯焖狍w積比（A）＞消解時(shí)間（C）＞樣液與消解液體積比（B），A2B2C2為最佳組合；K的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋簶右号c消解液體積比（B）＞混酸體積比（A）＞消解時(shí)間（C），A2B2C2為最佳組合；Ca的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋合鈺r(shí)間（C）＞樣液與消解液體積比（B）＞混酸體積比（A），A2B2C2為最佳組合，即Zn、Fe、K、Ca四種微量元素在HNO3-H2O2混酸體系中，混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為20 min時(shí)，消解效果最佳；Mg的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋夯焖狍w積比（A）＞樣液與消解液體積比（B）=消解時(shí)間（C），A2B2C3為最佳組合，即在HNO3-H2O2混酸體系中，混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為25 min時(shí)，消解效果最佳。

2.3 方法驗(yàn)證

2.3.1 回收率試驗(yàn)

以樣品加標(biāo)回收率驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。精確量取同一品牌山西老陳醋醋樣6份，置于微波消解儀中，在最佳條件下消解處理后，分別加入各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定各元素吸光度值，計(jì)算各微量元素的質(zhì)量濃度及其回收率，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 5種微量元素回收率試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Table 7 Results of recovery rate experiments of 5 kinds of trace elements

由表7可知，微波消解法所得的回收率在95.0%～106.0%，說(shuō)明此方法具有較好的準(zhǔn)確度。

2.3.2 精密度試驗(yàn)

精確量取同一品牌的山西老陳醋醋樣6份，置于微波消解儀中，在最佳條件下進(jìn)行消解處理，測(cè)定吸光度值，計(jì)算各微量元素的質(zhì)量濃度及其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD），結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 精密度試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Precision test results of this method

由表8可知，微波消解法所測(cè)定的5種微量元素的RSD值在0.42%～1.13%，說(shuō)明此方法具有較好的精密度。

2.3.3 樣品測(cè)定

取東湖、水塔、紫林、寧化府4個(gè)品牌的市售產(chǎn)品在選擇的儀器工作條件下，以最佳消解條件進(jìn)行消解，利用原子吸收光譜儀測(cè)定各元素含量。

表9 不同山西老陳醋5種微量元素測(cè)定結(jié)果比較Table 9 Results comparison of 5 kinds of trace elements in different Shanxi aged vinegar

由表9可知，對(duì)東湖、水塔、紫林、寧化府4個(gè)不同品牌的市售山西老陳醋中5種微量元素的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，東湖山西老陳醋5種微量元素高，可能與陳釀時(shí)間、工藝參數(shù)等生產(chǎn)條件有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究以山西老陳醋為原料，采用微波消解法處理樣品，利用原子吸收光譜法測(cè)定山西老陳醋中Zn、Fe、K、Ca、Mg 5種微量元素的含量。通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)微波消解處理樣品條件進(jìn)行優(yōu)化，確定在以HNO3-H2O2混酸體系為消解試劑中，Zn、Fe、K、Ca四種微量元素最佳消解條件為混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為20 min；微量元素Mg最佳消解條件為混酸體積比7∶1，樣液與消解液體積比1∶4，消解時(shí)間為25min。在此條件下，測(cè)得樣品中5種微量元素回收率在95.0%～106.0%，精密度試驗(yàn)結(jié)果RSD在0.42%～1.13%，因此優(yōu)化后的微波消解法具有反應(yīng)快、消解徹底、精密度好、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，適合大規(guī)模樣品的快速處理，能為進(jìn)一步分析山西老陳醋營(yíng)養(yǎng)成分提供可靠的檢測(cè)手段和方法學(xué)依據(jù)。

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Determination of trace elements in Shanxi aged vinegar by microwave digestion-atomic absorption spectrometry method

ZHAO Xin1,2,YANG Qingwen1,HAN Jianxin1,YANG Yuxia1,LI Hui1,PENG Xiaoguang1*
(1.Biology Institute of Shanxi,Taiyuan 030006,China;2.College of Agriculture,Shanxi Agriculture University,Taigu 030801,China)

Using the Shanxi aged vinegar as the raw material,the simple was treated by microwave digestion method and the contents of Zn,Fe,K,Ca and Mg were determined by atomic absorption spectrometry method.On the basis of single factor experiments of mixed acid system,mixed acid volume ratio,simple-digestion liquid volume ratio and digestion time,the optimum conditions of microwave digestion were determined.Results showed that with HNO3-H2O2as digestion reagents in mixed acid system,the optimum digestion conditions of four trace elements(Zn,Fe,K,Ca) were mixed acid volume ratio 7∶1,simple-digestion liquid volume ratio 1∶4 and digestion time 20 min;the optimum digestion conditions of trace element(Mg)were mixed acid volume ratio 7∶1,simple-digestion liquid volume ratio 1∶4 and digestion time 25 min.Under the conditions,the recovery rate was 95.0%-106.0%,the relative standard deviation(RSD)of precision tests results was 0.42%-1.13%.After optimization,the microwave digestion method was fast,eliminate digestion,good precision,high accuracy and so on,which provided reference for further research and nutritive value analysis of Shanxi aged vinegar.

Shanxi aged vinegar;trace elements;microwave digestion;atomic absorption spectrometry method

O657.31

0254-5071（2017）03-0165-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.03.033

2016-12-01

山西科技攻關(guān)項(xiàng)目（20150311023-1）

趙欣（1983-），女，助理研究員，博士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測(cè)。

*通訊作者：彭曉光（1967-），男，研究員，本科，研究方向?yàn)楣I(yè)微生物發(fā)酵與食品安全檢測(cè)。