氣相色譜法測定低酒精度飲料中乙醇的含量

陳國通CHEN Guo-tong

毛瓊玲1

左書瑞2

陳俊宇1

王愛霞1

邵家麗1

(1.新疆維吾爾自治區分析測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區職業病防治院，新疆 烏魯木齊 830011)

飲料可分為含酒精飲料和無酒精飲料[1]，無酒精飲料又稱軟飲料，是指酒精體積分數小于0.5%，以補充人體水分為主要目的流質食品，包括碳酸類飲料、果蔬汁飲料、茶類飲料、乳飲料等。其中的一些無酒精飲料在生產發酵過程中也會產生少量的酒精，如果過量飲用這些飲料后駕駛機動車，可能會造成酒精測試結果屬于酒后駕駛。為了避免這種情況發生，有必要對無酒精以及低酒精度飲料中乙醇的含量進行測定。

飲料中乙醇含量的測定方法包括氣相色譜法[2-4]、酒精計法[5]、碘量滴定法[6]、近紅外光譜[7-8]等方法。但是上述方法均需要對樣品進行蒸餾等復雜的前處理操作且誤差大。并且低酒精度飲料中的乙醇含量都比較低，一般不易準確測出[9]。而靜態頂空氣相法具有前處理簡單且不受非揮發組分干擾等優點，常用于測定揮發性及半揮發性有機物。林秋婕等[10]利用頂空氣相色譜法測定紫杉醇注射液中乙醇含量，但是利用靜態頂空氣相色譜法測定低酒精度飲料尚未見報道。鑒于此，本試驗采用靜態頂空氣相法直接測定飲料中乙醇含量，并與傳統蒸餾后進樣的氣相色譜法進行比較。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

植物飲料(外包裝中未注明是否含有酒精及酒精含量等信息)：市售；

乙醇：色譜純，天津市福晨化學試劑廠；

試驗用水為超純水：電阻率≥18.3 MΩ·cm，實驗室通過 Millipore超純水系統自制。

1.1.2 主要儀器設備

氣相色譜儀：GC-2010 plus型，配有氫火焰離子化檢測器，日本島津公司；

自動頂空進樣器：HS-20型，配20 mL頂空瓶，日本島津公司；

電子天平：XS204型，瑞士梅特勒-托利多國際貿易有限公司。

1.2 方法

1.2.1 儀器條件 色譜柱：TG-WAXMS石英毛細柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，HP-5石英毛細柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升溫程序：40 ℃保持5 min，以20 ℃/min升至170 ℃，保持1 min；載氣：氮氣；載氣流速：1.0 mL/min；壓力：74.3 kPa；進樣量：1.0 μL；分流比：20∶1；空氣流速：400 mL/min；氫氣流速：40 mL/min；尾吹氣流速：30 mL/min；檢測器溫度：300 ℃。

進樣方式：直接進樣與自動頂空進樣。

直接進樣：進樣口溫度：190 ℃；進樣量：1 μL標液；自動進樣器：AOC-20i+s。

頂空條件：爐溫60 ℃恒溫；平衡時間30 min；進樣量：1 mL 氣體；樣品流路溫度：150 ℃；傳輸線溫度：150 ℃。

1.2.2 標準曲線 精密量取恒溫至20 ℃的色譜純乙醇1，2，5，10，50，100，200，400，500 μL于10 mL容量瓶中用超純水定容。取1 mL各標液，直接進樣。另取1 mL各標液加入已提前加入0.3 g氯化鈉的25 mL頂空瓶中自動頂空進樣。以乙醇含量為橫坐標，以峰面積為縱坐標，繪制標準曲線。以信噪比等于3為標準，計算試驗條件下乙醇的檢出限(LOD)。以信噪比等于10為標準，計算試驗條件下乙醇的定量限(LOQ)。

1.2.3 樣品處理 蒸餾法：用潔凈、干燥的100 mL容量瓶，準確量取100 mL樣品(液溫20 ℃)于500 mL蒸餾瓶中，用50 mL水分3次沖洗容量瓶，洗液并入500 mL蒸餾瓶中，加幾顆沸石(或玻璃珠)，連接蛇形冷凝管，以取樣用的原容量瓶作接收器，外加冰水浴。開啟冷卻水，緩慢加熱蒸餾，收集餾出液。當接近刻度時，取下容量瓶，蓋塞，于20 ℃水浴中保溫30 min，再補加水至刻度，混勻，備用；靜態頂空法[11]：準確移取1 mL樣品加入已提前加入0.3 g氯化鈉的25 mL頂空瓶中，立即壓蓋備測。

1.2.4 靜態頂空條件優化 平衡溫度：選擇乙醇體積濃度為0.5%的標準溶液，分別在50，60，70，80，90 ℃，平衡30 min，測定連續進樣6次的峰面積；平衡時間：選取乙醇體積分數為0.5%的乙醇標準溶液，60 ℃分別平衡10，15，20，30，40 min 后頂空進樣，測定其對應的峰面積。

1.2.5 樣品測定及加標回收試驗

(1) 樣品測定：分別取6份各100 mL樣品選用蒸餾法處理并氣相色譜直接進樣測定，另外分別取6份各1.00 mL樣品置于已提前加入0.3 g氯化鈉的25 mL頂空瓶中，立即壓蓋，并于60 ℃下平衡30 min后自動頂空進樣測定。

(2) 空白加標回收試驗：取9個250 mL容量瓶分為A、B、C 3組，分別標記為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。A組加入1.25 mL乙醇，B組加入2.50 mL乙醇，C組加入5.00 mL 乙醇，用超純水定容至標線。從各瓶中取100 mL用于蒸餾法處理并氣相色譜直接進樣測定。另外分別從各瓶中取1.00 mL樣品置于已提前加入0.3 g氯化鈉的25 mL頂空瓶中，立即壓蓋，并于60 ℃下平衡30 min后自動頂空進樣測定。A組理論濃度為0.5%，B組理論濃度為1.0%，C組理論濃度為2.0%；回收率按式(1)計算。

(1)

式中：

P——回收率，%；

Ci——實際測得乙醇濃度，%；

Ct——乙醇理論濃度，%。

(3) 樣品加標回收試驗：取9份各100 mL樣品，分為D、E、F 3組，分別標記為D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2、F3。D組加入0.5 mL乙醇，E組加入1.0 mL乙醇，F組加入2.0 mL 乙醇，用于蒸餾法處理并氣相色譜直接進樣測定。另外取9份各1.00 mL樣品置于已提前加入0.3 g氯化鈉的25 mL頂空瓶中，立即壓蓋。分組及標記情況同蒸餾法樣品加標回收試驗。用微量進樣針在G組加入5 μL乙醇，H組加入10 μL乙醇，I組加入20 μL乙醇，并于60 ℃下平衡30 min 后自動頂空進樣測定。回收率按式(2)計算。

(2)

式中：

P——回收率，%；

C1——加標前樣品乙醇濃度，%；

C2——加標后乙醇濃度，%；

V——樣品體積，mL；

V0——乙醇加入量，mL。

2 結果與分析

2.1 色譜柱選擇與進樣方式比較

分別選用TG-WAXMS色譜柱和HP-5色譜柱進行測定，結果表明HP-5(弱極性)與TG-WAXMS(極性)色譜柱均有較好的分離效果，由于TG-WAXMS色譜柱對甲醇和乙醇具有更好的分離效果[12]，故本試驗選用TG-WAXMS色譜柱。

傳統乙醇測定大多采用蒸餾后進樣或用水稀釋后直接進樣[13]，本試驗分別采用傳統蒸餾后進樣和頂空后進樣2種方式對樣品進行測定。通過對比，發現由于乙醇測定的溶劑主要為蒸餾水，而水汽化膨脹體積較大，可能會造成在進樣口樣品蒸汽膨脹出襯管形成“倒灌”，導致進樣重現性較差且峰形不好。故如果采用直接進樣法，建議適當減小進樣量。而頂空法具有峰形好，重現性好，無干擾的優勢，且對色譜柱有保護作用。頂空進樣標準品色譜圖見圖1。

2.2 頂空條件優化結果

2.2.1 不同頂空平衡溫度下的試驗 從表1可以看出，隨著溫度的升高乙醇峰面積也相應增大，靈敏度也相應提高。但是過高溫度會使測量精密度下降，并且溫度過高后達到乙醇的沸點。故本試驗選擇平衡溫度為60 ℃。

表1 不同頂空平衡溫度下乙醇峰面積測定結果(平衡時間：30 min)Table 1 Peak area of ethanol at different headspace equilibrium temperature (equilibrium time: 30 min)

2.2.2 不同頂空平衡時間下的試驗 由圖2可知，峰面積隨著時間的延長而增大，但是平衡30 min后，峰面積基本不再增加，因此平衡時間選為30 min。

2.3 標準曲線及檢出限

乙醇線性范圍、線性方程、相關系數(r)、檢出限及定量限結果見表2。由表2可知，2種方法在體積分數為0.01%～5.00% 時均有較好的線性關系。

2.4 樣品測定及加標回收試驗

2.4.1 樣品測定結果 由表3可以看出，選用傳統蒸餾后進樣的測定結果較靜態頂空后進樣的偏低，且相對標準偏差較大。

2.4.2 加標回收試驗 為了考查2種測定方法的準確度，分別采用空白加標及樣品加標2種加標方式計算回收率[14]。空白加標試驗中加入的量是已知的，可以避免試樣基質乙醇含量不確定性的干擾，考察方法的可行性程度。而樣品加標可以充分將基質影響考慮在內，實際應用中不可或缺。

空白加標回收試驗測定結果見表4。

樣品加標回收試驗測定結果見表5。回收率計算公式中的樣品濃度采用表3中樣品測得濃度的平均值進行計算。

圖1 乙醇體積分數為0.5%的標準溶液頂空進樣色譜圖Figure 1 Headspace gas chromatography of a standard solution with a concentration of 0.5%

圖2 不同平衡時間下測得乙醇峰面積(體積分數：0.5%)Figure 2 Ethanol peak area (volume fraction is 0.5%) under different equilibration time

表2 乙醇線性范圍、線性方程、相關系數(r)、檢出限及定量限Table 2 Linear ranges, Linear equations, correlation coefficients (r), detection limits, and quantitative limits of the ethanol

表3 樣品測定結果及相對標準偏差Table 3 Sample result and relative standard deviation (n=6) %

表4 空白加標回收試驗結果Table 4 Recoveries of blank sample %

表5 樣品加標回收試驗結果Table 5 Recoveries of sample %

通過對比蒸餾法和靜態頂空法2個回收試驗結果，得出無論是空白加標回收試驗還是樣品加標回收試驗，蒸餾法的回收率相對較低，可能是蒸餾法前處理操作相對繁瑣，容易造成目標產物的損失。而靜態頂空法的回收率均在100%附近。究其原因是靜態頂空法的處理步驟簡單不易造成目標成分的損失。

3 結論

本試驗采用靜態頂空氣相法與傳統蒸餾后進樣的氣相色譜法2種方法測定飲料中乙醇含量。選用TG-WAXMS色譜柱。通過比對發現，2種方法在乙醇體積分數為0.01%～5.00%時均具有良好的線性關系。直接進樣法會造成大量的水溶劑在進樣口氣化膨脹溢出襯管形成“倒灌”，導致進樣重現性較差且峰形不好；而靜態頂空進樣可以避免此現象發生。通過空白加標及樣品加標2種加標試驗考察方法的準確度，結果表明傳統蒸餾后直接進樣的氣相色譜法回收率相對較低(83%～91%)，是由于該法前處理步驟繁瑣且耗時較長，在處理過程中易造成待測物質乙醇的損失；而靜態頂空法前處理簡單，待測物質乙醇不易損失。

利用靜態頂空法測定低酒精度飲料中的乙醇相比傳統蒸餾法具有前處理簡單、準確度高、重現性好、對色譜柱污染小、不受非揮發組分干擾等優點。另外該法還可以用于類似的低酒精度飲品中乙醇的測定。

[1] 全國食品工業標準化技術委員會釀酒分技術委員會.GB/T 17204—2008 飲料酒分類[S].北京: 中國標準出版社, 2008: 1-3.

[2] 曾詩雨, 趙麗麗, 王可興, 等.固相微萃取-氣相色譜法測定全麥酒釀中乙醇含量[J].食品安全質量檢測學報, 2017, 8(4): 1 397-1 403.

[3] 謝文, 丁慧瑛, 章曉氡.葡萄酒、果酒中乙醇含量的測定方法[J].色譜, 2004, 22(5): 561-561.

[4] 張紅雨, 宋曙輝, 周家華, 等.紫山藥低醇發酵飲料中乙醇含量的氣相色譜法測定[J].食品工業科技, 2014, 35(1): 307-309.

[5] 全國食品工業標準化技術委員會釀酒分技術委員會.GB/T 15038—2006 葡萄酒、果酒通用分析方法[S].北京: 中國標準出版社, 2007: 1-3.

[6] 方北曙, 李翠蓮, 曹小彥.碘量法測定果酒中乙醇的含量的研究[J].食品與機械, 1997(6): 33-34.

[7] LUO Hong-qun, LIU Shao-pu.Direct determination of ethanol in alcohol beverages by multi-wavelength overlapping near-infrared absorption spectrometry[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry, 1998, 26(1): 97-99.

[8] GALLIGNANI Máximo, GARRIGUES Salvador, GUARDIA Miguel De La.Direct determination of ethanol in all types of alcoholic beverages by near-infrared derivative spectrometry[J].Analyst, 1993, 118(9): 1 167-1 173.

[9] 孫巍.葡萄酒酒精度檢測方法的改進[J].飲料工業, 2009, 12(3): 36-38.

[10] 林秋婕, 陳贊民.頂空氣相色譜法測定紫杉醇注射液中乙醇含量[J].中國熱帶醫學, 2007, 7(7): 1 211-1 212.

[11] 吳偉都, 金世梅, 朱慧.自動進樣頂空氣相色譜法測定濃縮果汁中的乙醇[J].中國食品添加劑, 2004(5): 97-98.

[12] 霍曉敏.氣相色譜內標法測定化妝品中的甲醇和乙醇含量[J].日用化學品科學, 2012, 35(8): 27-29.

[13] 孫海彥, 劉恩世, 趙平娟, 等.氣相色譜法和蒸餾-酒精計法測定木薯發酵液中酒精含量的比較[J].釀酒科技, 2012(11): 105-107.

[14] 胡冠九, 李娟, 袁力, 等.液液萃取-GC-MS法測定水中硝基苯質量控制指標研究[J].化學分析計量, 2012, 21(2): 25-28.