食品及食品接觸材料中鉻元素形態分析研究進展

呂小麗，郭 平，王文君，戴瑞平，王 棟*

(1.江西省食品檢驗檢測研究院，江西 南昌 330001；2.江西農業大學 食品科學與工程學院，江西 南昌 330045)

元素的形態包括物理形態和化學形態2個方面。在一般情況下，所說的元素形態泛指化學形態，是指該元素以某種離子或分子的形式存在，包括其各種氧化態、各種可能的配體物質等[1]。

隨著科學技術的不斷發展，人們已經認識到化學元素的存在形態與對人體和環境的作用有著密切的聯系，因此元素形態分析成為當今分析化學的重要研究課題之一。

鉻(Cr)是一種微量元素，常見的離子價態有0、+2、+3、+6。環境中的鉻分為無機鉻和有機鉻，其中無機鉻的含量遠比有機鉻大得多。三價鉻的毒性比較小，而且為人體所必需的元素之一，其主要生理功能是作為葡萄糖耐量因子的組成成分、體內某些代謝酶類的活化劑、核酸的穩定劑和促進膽固醇和脂肪酸的生成。人體缺乏三價鉻可能會導致一系列疾病。六價鉻的毒性較大，通過毒理學研究已被證明是致癌物。

由于鉻元素的不同形態對環境和人體健康有著明顯不同的影響，且對食品和食品接觸材料的營養與安全的準確評價也有很大影響，近年來，有關鉻形態分析的研究越來越多地引起人們的關注。

目前，鉻形態的分析方法主要有分光光度法、原子吸收光譜法、離子光譜法、離子色譜與電感耦合等離子體質譜聯用法、高效液相色譜與電感耦合等離子體聯用法等。本文從樣品提取方法、檢測技術等方面論述了近年來人們對食品及食品接觸材料中鉻形態分析的研究狀況。

1 無機鉻的形態

二價鉻是強還原劑，相當不穩定，能迅速氧化成三價鉻，因此，二價鉻在生物體內極少存在。六價鉻離子具有較高的正電荷和較小的半徑，因此，不論在晶體中還是在溶液中都不存在簡單的六價鉻離子，當溶液pH值偏高時，六價鉻主要以鉻酸根(CrO42-)形態存在；而在酸性條件下則以重鉻酸鹽(Cr2O72-)的形態存在，是一種很強的氧化劑。三價鉻是最穩定的氧化態，也是生物體內最常見的一種，三價鉻在中性條件下以Cr3+、Cr(OH)2+、Cr(OH)2+、Cr(OH)3+等形態存在[2-3]。三價鉻和六價鉻可以通過氧化還原作用相互轉化。三價鉻到六價鉻的轉化是一個氧化過程。在堿性條件下，三價鉻容易被氧化成六價鉻，一般用較弱的氧化劑如過氧化氫即可被氧化；在酸性條件下，三價鉻不容易被氧化成六價鉻，但在有較強的氧化劑如高錳酸鉀存在、溫度高于30 ℃下，三價鉻離子可能被氧化成六價鉻。趙勇[4]的研究表明：三價鉻到六價鉻的轉化，受光照和加熱的影響。根據光化學反應原理，含不飽和鍵的脂類化合物易產生自由基，而這些自由基可與氧氣分子結合，形成過氧化物自由基和超氧化物自由基，加速三價鉻到六價鉻的轉化。Róbert等[5]的研究表明：在加熱過程(面包烘焙和烤制)中，三價鉻不會轉化為六價鉻。

六價鉻到三價鉻是一個還原過程。一般來說在酸性環境下(pH值2～3)，而且有焦亞硫酸鈉、硫酸亞鐵等還原劑的存在下，六價鉻均可轉化為三價鉻；在堿性條件下，可以用硫化鈉等作為還原劑，也可使六價鉻還原為三價鉻。除了物理化學還原法外，利用電解的原理，也可將六價鉻轉化為三價鉻。

2 食品和食品接觸材料中鉻元素的形態分析

元素的形態分析一般包括以下4個步驟：樣品預處理、不同價態鉻的分離、不同價態鉻的定性和定量，在分析過程中，每一步實施的有效性都會影響最終的結果。

2.1 鉻形態分析中的樣品前處理方法

形態分析中的樣品前處理尤為重要，要求在處理過程中，既要保持樣品中待測元素原有存在的形態不變，又要使樣品中各待測形態能定量地轉化為可測形式，再分別予以測定。樣品處理實際上包括樣品采集、樣品貯存、樣品處理。樣品中鉻的存在形式比較復雜，其中三價鉻和六價鉻在不同的酸堿度下，其存在形態和穩定性有差異。因此，針對不同的樣品，測定不同價態的鉻應采用不同的樣品處理方法。

2.1.1 三價鉻的前處理方法 在酸性條件下提取三價鉻并結合離子樹脂等手段凈化，有可能導致六價鉻還原。袁建等[6]利用離子交換樹脂選擇吸附原理，對食品中鉻的價態與含量分析的前處理方法進行了探討。試驗中用常用預處理方法(硝酸、硝酸-高氯酸消化、550 ℃灰化)結合弱堿性陰離子交換樹脂吸附，結果表明：常用的預處理方法都會引起鉻價態的變化，試驗中采用鹽酸浸提不會改變鉻的價態，從而可以分別測定三價鉻和六價鉻。采用硝酸和硝酸-高氯酸消化預處理的這一報道與肖亞兵等[7]的研究報道一致。而與采用直接灰化法的結論有差異。

黃文耀等[8]選用強堿性陰離子交換樹脂分離、石墨爐原子吸收法測定食品中的三價鉻。樣品中鉻經鹽酸微波浸提后，三價鉻以陽離子形式存在，六價鉻以陰離子形式存在，過濾后的濾液過強堿性陰離子交換柱，六價鉻陰離子被吸附在交換柱上，強堿性陰離子樹脂在酸性條件下選擇吸附六價鉻，而三價鉻用0.1%～5.0%的鹽酸洗脫，從而達到了三價鉻和六價鉻分離的目的。

2.1.2 六價鉻的前處理方法 鑒于三價鉻在酸性條件下是陽離子、六價鉻是陰離子的特性，在堿性條件下，提取六價鉻有可能導致三價鉻氧化，因此需控制堿液pH值和加入保護劑等。楊振宇等[2]對EPA 3060A的前處理方法進行考察，發現10%的堿性提取液可以有效地降低三價鉻轉化為六價鉻，在堿性條件下提取六價鉻，應選用合適的堿性溶液，并使用合適的濃度。

肖亞兵等[7]采用石墨爐原子吸收法直接測定雞蛋中的六價鉻。試驗中采用直接灰化(550 ℃)法作為樣品消化的方法，對鉻的價態無影響。倪張林等[9]采用微波灰化技術，通過高溫消除食用菌樣品中的有機物，并且樣品中原有鉻的形態沒有發生變化。灰化后的樣品用EDTA溶液配合形成Cr(Ⅲ)-EDTA，穩定其中的三價鉻，再通過HPLC-IPC-MS測定樣品中三價鉻和六價鉻。與袁建等[6]的結論存在差異，可能是由于測定的樣品基質不同。

2.2 測定方法

樣品預處理后，需對提取物中不同價態的鉻進行精確的檢測，在元素形態分析中常用的檢測方法有分光光度法、原子吸收光譜法、等離子體原子發射光譜法和電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)等。

2.2.1 分光光度法 分光光度法作為一種傳統經典的檢測技術，在鉻的形態分析中應用較早。分光光度法測定鉻的形態時，通常是利用六價鉻的強氧化性和催化活性，使某種有機試劑褪色或顏色加深而用于定量測定。分光光度法具有操作簡便、靈敏度高、儀器費用低等優點。

謝華林[10]以磷酸掩蔽鐵，采用二苯碳酰二肼(DPC)作顯色劑，用吸光光度法直接測定水中六價鉻。鉻(Ⅵ)在0.004～1.000 mg/L范圍內呈線性關系，線性回歸方程為A=2.000C+1.825×10-3(C的單位為mg/L)，相關系數為0.9969，該方法的線性良好，加標回收率在98.8%～102.4%之間。

方邢有等[11]建立了測定食品接觸材料有機涂層中六價鉻的分光光度法，分別用蒸餾水、3%乙酸水溶液浸泡不粘鍋涂層，95 ℃恒溫存放90 min，得到食品模擬物，對水、3%乙酸水溶液食品模擬物樣品用二苯碳酰二肼分光光度法直接測定。六價鉻的方法檢出限為0.008 mg/L，方法的回收率為86.0%～108.0%。

徐義邦等[12]對GB/T 7467─1987二苯碳酰二肼分光光度法測定水中六價鉻的方法進行了適當的改進，在配制二苯碳酰二肼顯色劑時，以乙醇代替有毒的丙酮作為溶劑，同時加入適量硫酸和磷酸，配成含混合酸的顯色劑，分析時一次性加入，這樣可以簡化操作步驟，提高工作效率。六價鉻的檢出限為0.0038 mg/L，鉻(Ⅵ)在0.004～0.400 mg/L范圍內呈線性關系，線性回歸方程為y=0.01584x+0.00077，r=0.9999，方法的線性良好。加標回收率為91.0%～110.0%，相對標準偏差均在10%以下。

已發布的國家標準GB 31604.25─2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品 鉻遷移量的測定》[13]中的第四法規定了食品接觸材料及其制品在食品模擬物中浸泡后鉻遷移量測定的二苯碳酰二肼比色法，該方法以高錳酸鉀氧化低價鉻為高價格(Cr6+)，加氫氧化鈉沉淀鐵、加焦磷酸鈉屏蔽剩余鐵等，利用二苯碳酰二肼與鉻生成紅色絡合物，與標準系列比較定量，方法檢出限為0.008 mg/L，定量限為0.025 mg/L。

2.2.2 原子吸收光譜法 原子吸收光譜法是基于被測元素基態原子在蒸氣狀態對其原子共振輻射的吸收進行元素定量分析的一種方法。原子吸收光譜法具有檢出限低、選擇性強、靈敏度高、分析精度好、分析速度快、應用范圍廣、抗干擾能力強、儀器比較簡單、操作簡便等優點，缺點主要有多元素同時測定尚有困難、標準曲線的線性范圍窄等。

原子吸收光譜法包括火焰原子吸收光譜法、氫化物發生-原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法等。其中火焰原子吸收光譜法是原子光譜分析中最早使用的原子化方法，至今也廣泛應用于食品和食品接觸材料的鉻形態分析中，石墨爐原子吸收光譜法是應用最廣的一種原子吸收光譜法。

Róbert等[5]采用石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)測定了食品和營養補充劑中的鉻含量，研究了烘烤和烘烤面包期間Cr(III)與Cr(VI)的轉變情況。結果表明：在加熱過程(面包烘焙和烤制)中，三價鉻不會轉化為六價鉻。

袁建等[6]研究了用離子交換-石墨爐原子吸收光譜法(IE-GFAAS)測定食品中痕量Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)；討論了原子化條件、樣品預處理方法、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分別測定的條件選擇與方法。結果表明：Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在0～80 ng/mL范圍內呈線性關系，其中Cr(Ⅵ)的標準曲線為：y=0.00502+0.00188x，r=0.999；Cr(Ⅲ)的標準曲線為：y=0.00899+0.00173x，r=0.998。平均回收率為88.0%～104.9%。

肖亞兵等[7]根據Cr(Ⅲ)與噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)生成的絡合物在石墨爐中的揮發性，建立了一種前處理簡單、靈敏度高的測定雞蛋中六價鉻的分析方法。他們通過研究雞蛋樣品的消化方式、Cr(Ⅲ)與TA絡合的反應酸度、各種試劑的加入量、超聲波水浴的溫度和時間、靜置時間等條件，對石墨爐揮發Cr(Ⅲ)的原子化條件進行了探討。測試液中Cr(Ⅵ)質量濃度在0.001～0.010 mg/L范圍內呈良好的線性關系，線性回歸系數為0.9997。雞蛋樣品中Cr(Ⅵ)不同加入量的平均回收率在75%～96%，相對標準偏差為3.5%～11.5%，定量下限為0.3 μg/L。

閆美等[14]通過10% HCl熱水浸提，過強陰離子交換樹脂，再用石墨爐原子吸收光譜法同時測定保健食品中的三價鉻和六價鉻。三價鉻在加標量分別為5、10、20 μg/kg時，回收率為91.5%～100.41%；六價鉻在加標量分別為5、10、20 μg/kg時，未過柱前總鉻的回收率達100.07%，將消解液過強陰離子交換樹脂后，六價鉻的回收率僅0.60%。儀器的檢測限為0.244 μg/L，方法檢測限為0.024 mg/L。

GB 31604.25─2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品 鉻遷移量的測定》[13]中的第一法和GB 5009.123─2014《食品安全國家標準 食品中鉻的測定》[15]規定了食品接觸材料或食品中鉻的石墨爐原子吸收光譜測定方法。

2.2.3 原子發射光譜法 原子發射光譜法是根據處于激發態的待測元素原子回到基態時發射的特征譜線對待測元素進行分析的方法。由于待測元素原子的能級結構不同，因此發射譜線的特征也不同，據此可對樣品進行定性分析，而根據待測元素原子的濃度不同時發射強度不同，可實現元素的定量測定。該方法可對約70種元素進行分析。原子發射光譜儀分為3個部分：光源、光譜儀、檢測器。目前常用的是光源為電感耦合等離子體(ICP)光源，ICP具有檢出限低、穩定性好、精密度和準確度高、自吸效應和基體效應小、標準曲線線性范圍寬等優點，在食品和食品接觸材料的鉻價態分析中也有應用。

凌美英[16]采用4%(v/v)乙酸煮沸0.5 h、室溫放置24 h處理樣品，選擇Mn的波長257.610 nm、Cr的波長267.716 nm為分析線，使用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)測定錳和鉻，從而建立了快速測定不銹鋼食具浸出液中錳和鉻的方法。試驗確定了儀器的最佳工作條件，討論了共存元素的干擾問題。在錳的質量濃度為0.10～500 μg/mL、鉻的質量濃度為0.10～500 μg/mL范圍內與其發射強度呈線性，其校準曲線的線性相關系數分別為0.9999、0.9997。方法中錳和鉻的檢出限分別為0.010和0.020 μg/mL。按照實驗方法測定樣品浸出液中錳和鉻，結果的相對標準偏差(RSD，n=7)為1.2%～1.5%；并與分光光度法、原子吸收光譜法的測定結果相符合。

李穎等[17]建立了電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES)法測定奶及奶粉中六價鉻。樣品經干法灰化后，用一定體積的稀硝酸將灰分全部溶解并用水定容，待測溶液經霧化器形成氣溶膠被載氣送進ICP炬管，各種組分的原子在高溫中被激發，產生不同波長的復合光，再經光柵分光得到被測組分的原子特征波長的單色光，最終被光電倍增管檢測，外標法計算待測元素的含量。本方法的檢出限為0.035 μg/mL，精密度為1.69%，回收率為97.0%。

吳婕等[18]將龜苓膏試樣經干法灰化后，采用電感耦合等離子體-原子發射光譜法(ICP-OES)測定其中的鎘、鉻和鋅含量。該方法的加標回收率為93.9%～105.1%，相對標準偏差為0.85%～3.03%，具有良好的準確度和精密度。因此，該方法可用于龜苓膏中重金屬含量的檢測和控制。

GB 31604.49─2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品 砷、鎘、鉻、鉛的測定和砷、鎘、鉻、鎳、鉛、銻、鋅遷移量的測定》[19]中的第二部分第二法規定了食品接觸材料及制品在食品模擬物中浸泡后砷、鎘、鉻、鎳、鉛、銻和鋅遷移量測定的電感耦合等離子體發射光譜法，鉻的方法檢出限為0.01 mg/L，定量限為0.03 mg/L。

SN/T 2891─2011《出口食品接觸材料 高分子材料 聚乙烯、聚丙烯中鉻、鋯、釩和鉿的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》[20]規定了以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)為原料制作的食品容器、食品包裝薄膜中鉻、鋯、釩和鉿測定的電感耦合等離子體發射光譜法。該方法的檢出限為5.0 mg/kg。

2.2.4 電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS) 電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)是20世紀80年代發展起來的無機元素和同位素分析測試技術，它是以獨特的接口技術將電感耦合等離子體的高溫電離特性與質譜儀的靈敏快速掃描的優點相結合而形成的一種高靈敏度的分析技術。ICP-MS的優點是靈敏度高、速度快，可在幾分鐘內完成幾十個元素的定量測定；譜線簡單，干擾相對于光譜技術要少；線性范圍可達7～9個數量級；樣品的制備和引入相對于其他質譜技術簡單。近年來，研究者將其與液相色譜或離子色譜等色譜方法或毛細管電泳方法聯用，先用色譜方法或毛細管電泳方法將三價鉻和六價鉻分離，然后采用電感耦合等離子體質譜進行檢測。該方法既具有色譜法的高分離能力，又具有ICP-MS的高靈敏度等優點，在鉻形態分析中發揮著重要的作用。

倪張林等[9]建立了干食用菌中三價鉻[Cr(Ⅲ)]和六價鉻[Cr(Ⅵ)]的液相色譜-電感耦合等離子體質譜(LC-ICP-MS)檢測方法。采用微波灰化技術對食用菌樣品進行灰化處理，用乙二胺四乙酸(EDTA)二鈉鹽穩定灰化樣品中的Cr(Ⅲ)，并使其保留在陰離子交換柱(250 mm×4.6 mm，10 μm)上；用含有60 mmol/L硝酸(pH值9.3)的流動相分離其中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，再用電感耦合等離子體質譜儀測定。標準溶液中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的質量濃度在0.5～50.0 μg/L范圍內呈良好的線性關系，線性回歸系數均達到0.9999。食用菌樣品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)不同加入量的平均回收率為78.0%～90.7%，相對標準偏差小于4%(n=6)，定量限均為0.5 μg/L。該方法穩定、可靠、靈敏，可滿足干食用菌中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的測定。

胡玉軍等[21]建立了高效液相色譜儀(HPLC)與電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)聯用同時測定乳制品中的三價鉻和六價鉻的方法。樣品在EDTA緩沖液中煮沸，冷卻后在離心機中以8000 r/min離心10 min沉降蛋白質，取清液用0.45 μm濾膜過濾，就完成了三價鉻和六價鉻的同時提取。以NH4NO3為流動相(pH值7.0～7.2)，流速為0.6 mL/min，使用HPLC-ICP-MS僅需4 min就完成了提取液中三價鉻和六價鉻的分離和測定。結果表明：三價鉻和六價鉻的線性范圍為0.2～20 μg/L，相關系數均大于0.9995，其檢出限分別為0.034 μg/L和0.066 μg/L。

宋偉華等[22]建立了一種測定黃酒中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜分析方法。黃酒經炭黑氨基柱凈化，超純水洗脫，色譜條件為Dionex AS11-HC陰離子預柱(4 mm×50 mm×9 μm)，以60 mmol/L(pH值9.0)硝酸銨作為流動相，流量為1.5 mL/min；以電感耦合等離子體質譜進行定性和定量分析。結果表明:在0～20 μg/L范圍內，Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的線性良好，相關系數均在0.998以上；添加回收率為81.2%～94.8%，相對標準偏差為1.7%～4.1%；黃酒中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的定量限分別為0.12 μg/L和0.18 μg/L。

陳光等[23]采用離子色譜(IC)和電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)聯用法測定了飲用水中的三價鉻[Cr(Ⅲ)]和六價鉻[Cr(Ⅵ)]，500 μL進樣量時，2種鉻形態Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的方法檢出限分別為0.007 ng/mL、0.067 ng/mL。根據加標回收的方法評價了該方法的準確性，加標回收率為95.7%～112.5%，相對標準偏差為1.4%～3.8%(n=6)。

GB 31604.49─2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品 砷、鎘、鉻、鉛的測定和砷、鎘、鉻、鎳、鉛、銻、鋅遷移量的測定》[19]中的第二部分第一法規定了食品接觸材料及其制品在食品模擬物中浸泡后，砷、鎘、鉻、鎳、鉛、銻和鋅遷移量測定的電感耦合等離子體質譜法，鉻的方法檢出限為1 μg/L，定量限為3 μg/L。

SN/T 2210─2008《保健食品中六價鉻的測定 離子色譜-電感耦合等離子體質譜法》[24]規定了保健食品中六價鉻的離子色譜-電感耦合等離子體質譜測定方法。試樣中的六價鉻采用氫氧化鈉和碳酸鈉堿性溶液提取，提取液用離子色譜-電感耦合等離子體質譜進行測定，外標法定量。六價鉻的測定低限為0.01 mg/kg。六價鉻在0.01～0.25 mg/kg添加量水平時，回收率范圍為83.0%～108.0%，精密度范圍為2.1%～6.6%。

何葉等[25]建立了一種基于CE-ICP-MS聯用技術同時分析檢測六價鉻(Cr6+)、三價鉻(Cr3+)和吡啶甲酸鉻(CrPic)的方法，同時建立了一種從保健食品中提取微量鉻化合物的超聲提取方法。在20 min內可以有效提取保健食品中所有形態鉻化合物，且不改變其形態，在7 min內可實現對Cr6+、Cr3+、CrPic這3種不同形態鉻化合物的基線分離和檢測，3種不同形態鉻化合物的方法檢測限低至0.4～0.8 ng Cr/mL，加標回收率為95%～109%。

3 總結

本文綜述了近年來鉻形態分析方面的研究進展，隨著質譜聯用技術的引入，檢測效率與檢出限均得到了大幅度提高。但為了對食品和食品接觸材料的營養與安全進行準確評價，鉻價態分析的檢測技術仍將是今后分析領域的研究重點之一。由于食品基質復雜，而鉻的2種形態在檢測過程的轉化是存在的，不同的提取方式和檢測條件對測定結果有很大的影響，因此需要尋找合適的樣品預處理方法，避免分析過程中不同形態鉻之間的轉化，同時需要尋找更加合理、簡單而有效的不同鉻價態的分離技術，從而進一步提高檢測方法的靈敏度和選擇性。