電感耦合等離子體發射光譜法測定食品中二氧化硅研究

胡家勇 周陶鴻 尹思睿 程銀棋 姚曉帆 宋 政

(湖北省食品質量安全監督檢驗研究院;湖北省食品質量安全檢測工程技術研究中心，武漢 430060)

食品添加劑用二氧化硅分為氣相二氧化硅、水合硅膠、沉淀二氧化硅三類。這三類食品添加劑用二氧化硅均為人工合成的高純度二氧化硅白色粉末。人工合成的二氧化硅具有比表面積大，它能在粉末物質的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時也促進了粉末物質的自由流動，另外其還具有孔隙率高、吸附性強、化學性質穩定等特點，因此在食品工業常被用作抗結劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。目前，礦石、建材、水體等材料中二氧化硅的測量方法報道較多，主要有：X射線熒光光譜法[1-2]；硅鉬藍分光光度法[3-5]；硅鉬黃分光光度法[6-8]；電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)[9-14]；電感耦合等離子體質譜法[15]；氟硅酸鉀滴定法[16-18]；氫氟酸揮散重量法[19-20]；離子色譜法[21-22]。但關于食品中二氧化硅的檢測鮮有報道。二氧化硅作為食品添加劑，可用于粉末油脂制品[23]、蛋白粉[24]、香精香料[25]、固體飲料等，我國《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》(GB 2760—2014)[26]明確規定其使用范圍以及最大使用量，但是我國尚未建立食品中二氧化硅檢測的標準方法，使得食品添加劑二氧化硅的監管缺乏技術支撐，食品質量安全監督管理部門無法對其實施監管，為了規范添加劑用二氧化硅的添加使用，為了維護消費者的身體健康，有必要針對食品中二氧化硅建立高效、快速、準確定量的檢測方法，為加強二氧化硅規范使用的監管提供方法參考，以切實保護廣大消費者舌尖上的安全。

本研究建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發射光譜法測定食品中二氧化硅的方法，此方法采用微波消解作為前處理方式，電感耦合等離子發射光譜儀檢測，微波消解操作簡單，重復性好，電感耦合等離子體發射光譜儀靈敏度高、動態范圍寬、干擾少，因此此方法具有操作簡單、靈敏度高、精密度與重復性好、動態范圍寬、相對干擾少等優點，可以滿足食品中二氧化硅的檢測。建立食品中二氧化硅的檢測方法以期為食品中二氧化硅的測定提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品購于本地超市。

食品添加劑二氧化硅：天津龍華化工有限公司；無水碳酸鈉(分析純)： 國藥集團化學試劑有限公司；硝酸(優級純)：Merck；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

Icap 7400 DUO電感耦合等離子體：賽默飛世爾科技公司；ME203/02電子天平、ME2002E/02電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；KLS15/13馬弗爐：德國THERMCONCEPT公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

微波消解： 準確稱取0.400 0～1.000 0 g試樣于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸進行微波消解，微波消解程序設置如下：溫度爬坡10 min升溫至120 ℃，溫度保持5 min；溫度爬坡10 min升溫至190 ℃，保持20 min；冷卻25 min降溫至55 ℃。消解完成后將消解液用定量濾紙過濾，用100 mL蒸餾水清洗濾渣，然后將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測液。

濕法消解： 準確稱取5.00～20.00 g試樣于200 mL燒杯中，加20 mL硝酸，蓋上表面皿，置于電熱板上消解，至無黃煙冒出。消解完成后將消解液用定量濾紙抽濾，用裝有蒸餾水洗瓶沖洗燒杯，邊洗邊過濾，待燒杯壁無明顯附著物后，再依次用50 mL三氯甲烷、50 mL無水乙醇少量多次清洗燒杯，邊洗邊過濾。將濾上物連同濾紙一起放入鎳坩堝中，于500 ℃馬弗爐炭化20 min，取出冷卻后加入2.0 g無水碳酸鈉，置于960 ℃馬弗爐熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉移并定容至50 mL離心管，4 000 rad/min離心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此為待測液。

1.3.2 測定

1.3.2.1 標準溶液制備：稱取二氧化硅基準試劑于定量濾紙上，將二氧化硅高純試劑連同濾紙一起放入鎳坩堝中，加入2.0 g無水碳酸鈉，再將鎳坩堝置于500 ℃馬弗爐炭化20 min，然后將馬弗爐升溫至960 ℃熔融20 min，取出坩堝，稍冷后用2%的硝酸溶解，轉移并定容至50 mL離心管中。

1.3.2.2 ICP測定條件：高頻發生器功率：1 350 W；霧化器壓力：0.20 MPa；輔助氣流量：0.50 L/min；垂直觀測高度：12 mm；分析泵速：50.0 r/min；積分時間：15 s；穩定時間：5 s；沖洗時間：20 s；沖洗泵速：50.0 r/min；重復次數：3次。

1.3.3 單因素實驗

以樣品稱樣量(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g)、硝酸使用量(4、6、8、10 mL)、熔劑無水碳酸鈉使用量(1、2、3、4 g)為影響因素，以二氧化硅含量為評價指標進行單因素實驗，每個因素水平進行3次平行實驗。

2 結果與分析

2.1 分析線波長選擇

在ICP光譜分析中，分析譜線的選擇對于樣品分析結果的準確性和精確性具有重要影響。ICP光譜儀中硅有多條譜線，選取3條較為靈敏的硅分析線進行測定，其波長分別為251.667、212.412、288.158 nm，以20.0 mg/L的硅標準溶液作為測試液，在儀器最佳工作條件下，觀察不同波長譜線的波形圖，結果表明波長212.412 nm的譜線其波形圖較好、峰形穩定、背景值低、精密度好，并且波長251.667、288.158 nm譜線下都存在鈉的干擾，而無水碳酸鈉作為二氧化硅的熔劑，待測液里存在高濃度的鈉鹽，影響測定結果，因此選擇波長為212.412 nm的譜線作為本方法中二氧化硅的分析線。

2.2 不同消解方式對比實驗

考察不同消解方式對二氧化硅測定的影響，由表1可以看出，不同的消解方式，二氧化硅的測定結果存在一定的差異，當濕法消解稱樣量水平在5～10 g測定結果與微波消解測定結果基本一致，通過實驗現象可以看出隨著稱樣量的增加，硝酸量不足，消解不完全，影響測定結果。因為微波消解較濕法消解操作更加簡便，并且更易于控制變量。因此最終選定的消解方式為微波消解。

表1 不同消解方式對二氧化硅測定的影響

2.3 最佳稱樣量確定

考察不同稱樣量對二氧化硅測定的影響，其中硝酸使用量為8 mL，熔劑無水碳酸鈉使用量為2 g。由圖1可以看出，稱樣量不同，二氧化硅的測定結果存在一定的差異，稱樣量為0.2 g時，測定結果穩定性差，原因是稱樣量太少，稱樣時存在不均勻性。稱樣量0.4～1.0 g，二氧化硅測定結果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩定性均比較好。因此最終確定稱樣量為0.4～1.0 g。

圖1 不同稱樣量對二氧化硅測定的影響

2.4 熔劑無水碳酸鈉最佳使用量確定

通過實驗發現無水碳酸鈉的使用量對二氧化硅的測定結果有影響，考察無水碳酸鈉使用量不同對二氧化硅測定結果的影響，其中稱樣量為0.6 g，硝酸使用量為8 mL。由圖2可以看出，熔劑無水碳酸鈉使用量不同，二氧化硅的測定結果存在一定的差異性，熔劑無水碳酸鈉4.0 g時，測定結果偏低，可能的原因是高濃度的Na+對二氧化硅測定結果有一定的干擾，熔劑使用量1.0～3.0 g，二氧化硅測定結果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，當熔劑使用量為3.0 g，測定結果的穩定性稍遜于1.0與2.0 g。因此最終確定熔劑無水碳酸鈉使用量為1.0～2.0 g。

圖2 熔劑使用量對二氧化硅測定的影響

2.5 硝酸使用量

考察硝酸使用量對二氧化硅測定的影響，其中稱樣量為0.6 g，熔劑無水碳酸鈉使用量為2 g。由圖3可以看出，硝酸使用量不同，二氧化硅的測定結果存在一定的差異，稱樣量為4 mL時，測定結果偏低，可能的原因是硝酸使用量偏少，樣品消解不完全，影響結果測定，硝酸使用量6～10 mL，二氧化硅測定結果比較一致，差異不顯著(P>0.05)，并且穩定性均比較好。因此最終確定硝酸使用量為6～10 mL，從消解完全和經濟節約的角度考慮，建立硝酸使用量為6～8 mL。

圖3 硝酸使用量對二氧化硅測定的影響

2.6 方法學驗證

2.6.1 標準曲線及檢出限

在本實驗所確定的實驗條件下，分別將標準工作溶液依次進樣測定。以標準溶液中二氧化硅濃度為橫坐標，以對應發射強度為縱坐標，繪制標準曲線。二氧化硅在0.0～30.0 μg/mL范圍內呈良好線性相關性，線性方程為y=696.7x+112.5，相關系數為0.999 7；方法檢出限依據連續測定11次空白溶液的3倍標準偏差得出，其方法檢出限為0.04 g/kg。結果見表2。

表2 標準曲線與檢出限測定結果

2.6.2 方法精密度實驗

稱取3個未知二氧化硅含量的咖啡各5份進行平行性實驗，結果見表2。由表3可知，3個二氧化硅含量不同的樣品平行性實驗結果的相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)在4.33～6.34%，結果表明本方法的精密度較好符合GB/T 27404—2008《實驗室質量控制規范 食品理化檢測》對精密度的要求。

表3 精密度實驗結果

2.6.3 空白加標回收實驗

稱取二氧化硅空白樣品3份，精確加入二氧化硅高純試劑適量，按供試品溶液的制備與測定同法操作，計算二氧化硅加標回收率，結果見表4。由表3可知，方法的回收率在91.93～96.98%之間，以上結果表明本方法的回收率和精密度較好符合GB/T 27404—2008《實驗室質量控制規范 食品理化檢測》對回收率和精密度的要求。

表4 加標回收率實驗結果

2.6.4 ICP法與硅鉬黃分光光度法比較

食品中二氧化硅的測定尚無國家標準，并且關于食品中二氧化硅測定的報道也比較少，水中偏硅酸的測定通常采用GB 8538—2016硅鉬黃分光光度法以及硅鉬藍分光光度法。為了驗證方法的準確性和可行性，以ICP-AES法和硅鉬黃分光光度法分別測定隨機選取的五個固體飲料，結果見表5，由表5可以看出兩種方法測定結果基本吻合，RSD≤7.0%。

表5 ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法比較

2.7 不同種類食品中二氧化硅使用量水平探究

本實驗對10批次咖啡、10批次奶茶、10批次其他固體飲料、10批次香辛料、10批次乳粉以及10批次固體復合調味料實際樣品進行了二氧化硅含量測定，測定結果見表6。由表6可以看出，二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、固體復合調味料中使用比較普遍，原因是二氧化硅具有比表面積大，使它能在粉末物質的顆粒之間起到間隔劑的作用，同時也促進了粉末物質的自由流動，因此在食品工業常被用作抗結劑；固體飲料及乳粉中添加二氧化硅，主要是因為二氧化硅能在粉末物質之間起到間隔劑的作用，避免了固體飲料及乳粉在沖調過程中結塊，從而達到速溶的效果；香辛料、固體復合調味料中添加二氧化硅，主要是利用二氧化硅比表面積大，能夠促進粉末物質的自由流動，避免了香辛料、復合固體調味料在儲藏過程中結塊。

表6 實際樣品中二氧化硅測定

3 結論

采用堿熔融酸化方法，以無水碳酸鈉為熔劑，經微波消解、定量濾紙過濾、馬弗爐高溫熔融、硝酸酸化溶解進行樣品前處理，建立了一種微波消解、電感耦合等離子體發射光譜法測定食品中二氧化硅的方法。采用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定食品中二氧化硅含量，經過分析線波長選擇規避了高含量鈉離子的干擾，同時進行了消解方式、稱樣量、熔劑使用量、硝酸使用量四個因素的單因素實驗，確定了最佳消解方式、稱樣量、熔劑使用量以及硝酸使用量。

ICP-AES法測定食品中二氧化硅標準曲線及方法學驗證結果顯示：方法的檢出限為0.04 g/kg，線性回歸方程y=696.7x+112.5，相關系數為0.999 7、平行性精密度RSD在4.33%～6.34%之間、加標回收率在91.93%～96.98%、ICP-AES法與硅鉬黃分光光度法的檢測結果無顯著差異，側面佐證了ICP-AES法測定食品中二氧化硅結果的可靠性。經過60批實際樣品中二氧化硅含量測定分析，結果表明二氧化硅在固體飲料、乳粉、香辛料、復合固體調味料中使用比較普遍，尤其在固體飲料和香辛料中使用量較高。