现代仪器分析技术在糖品分析中的应用

陈 碧，王小明

（广西科技师范学院食品与生化工程学院，广西 来宾 546199）

为提高食糖品质和强化质量管理，原国家卫生和计划生育委员会委托相关单位对“食糖卫生标准GB13104-2005”进行修订，并于2015年5月24日颁布实施“食品安全国家标准食糖GB13104-2014”，将原有卫生标准上升为食品安全国家标准，在原有标准适用范围基础上增加了红糖、方糖和冰糖各类指标检测，增加了污染物限量标准和食品添加剂使用规定，其中分别执行GB2762和GB2760的最大残留量和最大使用量。食糖GB13104-2014标准的颁布与实施，为科学绿色种植、安全高效管理生产工艺、推动技术进步及强化质量管理提供指导。传统的分析方法操作繁琐、分析时间长、消耗试剂药品量多和严重滞后生产，同时分析方法的灵敏度和检出限都受到限制，而现代分析仪器分析法具有分析速度快、准确度高、灵敏度高、多组分同时分析等特点[1]，成为糖品分析的主要发展方向和检测手段。本文综述了紫外-可见分光光谱法、近红外光谱法、原子光谱法、气相色谱法、高效液相色谱法、色谱质谱联用等现代仪器分析技术在糖品分析中应用的研究进展。

1 糖品分析的特点

1.1 分析检测贯穿整个生产加工流程

糖品分析的任务是对制糖工业生产中含蔗糖较多物料的研究分析，一般是指原材料（甘蔗、甜菜等）、半制品、成品和副产品的主要成分及含量分析，在工厂开机前和生产工艺流程中为了及时掌握与控制生产即时情况，比如开机前对甘蔗或甜菜原料进行品质检测，通过检测分析甘蔗或甜菜的生物性、金属含量和农药残留来确定其质量是否符合生产的要求；生产流程中分析半制品中金属、磷酸盐、还原糖、总糖等，以便掌握生产情况为改进生产提供依据，比如生产过程中通过监控半制品中磷酸盐含量，掌握蔗汁或甜菜汁澄清工艺，通过监控清净工艺过程后糖汁中金属Ca和Mg含量，降低成品糖灰分及废蜜的产量来提高成品糖产率；成品出厂需对其进行相应的理化成份分析，以控制产品质量和掌握糖分损失情况，比如白砂糖中还原糖含量较高时，会降低其贮存性，成品出厂前需对其还原糖含量进行监测。可以看出糖品分析涉及到制糖工业中的每一个流程。

1.2 检测种类和项目繁多

在糖品分析中需要检测的种类有原材料、半制品、成品、副产品，而每一个种类下又分为不同的类别。原材料如甘蔗、甜菜，半制品如糖汁、糖浆、糖膏、糖蜜，成品如白砂糖、赤砂糖、红糖、绵白糖、冰糖等，在不同工艺流程中针对不同样品种类有着相应的检测项目，比如白砂糖检测项目包括色值、蔗糖分、还原糖分、重金属污染物、农药残留、食品添加剂等分析项目。

2 传统糖品分析技术现状与不足

2.1 传统糖品分析技术现状

随着社会发展和科技更新，食品安全问题已经成为当今世人关注的热点和敏感点，食品安全的检测方法也备受关注，糖品作为一类重要的食品其质量安全也成为关注热点，而传统的糖品分析技术主要有物理学检验法和化学检验法，其中物理检验法主要来检验糖品中以下物理参数如锤度、旋光度、视干物（固溶物）等，与糖品的组份及相关含量存在一定关系。化学检验法主要有滴定分析、比色法和质量分析3种方法，比如采用滴定分析测定还原糖分、蔗糖分、硫酸盐和金属元素含量等；采用比色法测定色值、磷酸值、二氧化硫和总砷含量等；采用质量分析测定钾、钠含量。

2.2 传统糖品分析技术存在不足

传统的糖品分析技术虽能分析检测较多项目，但也存在以下定不足：一是传统的化学分析法分析时间长，不便于实时指导工艺流程的改进，如采用质量分析测定糖品中钾、钠含量，操作过程中包含生成物溶解、过滤、蒸干、冷却、称重，单个样品分析耗时长达6～8 h，当测定钾的含量时用的亚硝酸钴钠试剂具有毒性，对操作人员和环境造成一定伤害和危害；二是仪器设备更新缓慢，不便于在线检测；三是分析项目单一，不能实现多项目同时分析，造成药品、时间、人力和物力浪费，如采用滴定分析测定糖品中总糖，此方法基于费林试剂与还原糖发生氧化还原反应测定还原性单糖和水解蔗糖的总量，由于此法的化学反应及显色机理比较复杂，同时反应终点受空气中氧气干扰和水解过程中酸度、充分程度等因素影响，另外此实验操作时间偏长和需要配制试剂种类多且复杂，分析人员必须严格控制分析条件才能获得准确和可靠的测定结果，此法[2-3]对试剂配置、水解条件、操作人员和分析检测环境要求较严格；四是检测结果的准确度和精密度不够，如经典兰－艾农法[4]测定还原糖时终点颜色判定误差、澄清剂、脱铅剂、稀释倍数、加热温度和沸腾时间等因素都会影响分析结果的准确度；五是分析方法、标准更新缓慢，糖品中各项目的分析检测标准主要参考《食品安全国家标准》中的测定方法，但《食品安全国家标准》具体操作步骤和分析方法并不能完全适用于糖品分析，因此制定适用糖品分析的检验方法标准非常必要的。

3 糖品分析中常用的现代仪器分析技术

3.1 分子光谱分析技术

3.1.1 紫外-可见分光光谱法 紫外-可见分光光谱法基于分子（或离子）对紫外或可见光区辐射能的选择性的吸收光谱，在一定波长处被测定的物质的吸光度与它的浓度呈线性关系，符合朗伯—比尔定律可进行定量分析。

近年来，紫外分光度法用测定糖品中还原糖、蔗糖[5]、色值[6]、二氧化硫[7]和磷酸盐[8]，分光度法相对于滴定法和目视比色法，存在操作简单、快速、准确度高的特点，同时避免了由于受背景颜色及个人对颜色的敏感程度不同造成准确度不高。如采用EDTA（乙二胺四乙酸二钠盐）-铜配合物测定还原糖的分光光度法，此方法相对于滴定法避免操作过程中反应终点的判定带来操作误差，此外该方法操作简便、试剂易得、稳定性强和灵敏度高等优势，适合工厂和普通实验室长期大批量分析。

3.1.2 近红外光谱法 近红外光是介于可见光和中红外之间的电磁波，其波长范围为780～2 526 nm，近红外光谱与有机分子中含氢基团（O-H、N-H、C-H等）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，这些含氢基团的特征性强，受分子内外环境的影响较小，广泛用于定性和定量分析领域。

Brotherton 等[9]采用近红外光谱法检测分析原料蔗、原糖、甘蔗渣的品质成分，由偏最小二乘法建立的数学模型对多个品质成分的分析并取得很好的检测效果。Schaffler等[10]利用近红外光谱方法测定混合蔗汁和糖蜜的蔗糖分、葡萄糖、果糖、转光度、锤度、灰分等项目，结果表明蔗糖分、葡萄糖、果糖、转光度、锤度的准确度较高，但灰分的分析准确性相对于其他项目稍差。曹干等[11]以傅立叶变换近红外光谱技术为基础，采用偏最小二乘法建立了甘蔗蔗汁糖分、转光度、锤度和还原糖分4个品质指标分析数学模型，测定结果有很高的准确性，在该类研究中为甘蔗品种选育和大田生产管理提供极大的方便，同时为糖厂甘蔗品质的管理、按质论价体系和在线分析的实现提供技术支持。Roggo等[12]采用近红外法定量分析甜菜糖蜜和糖汁中的糖度、锤度、干固物、葡萄糖、钠、钾和氮的含量，测定结果表明近红外法有很高的准确度。张翠等[13]建立了红外光谱结合最小二乘法同时测定甘蔗渣中的水分和糖分，该方法不需要对样品进行预处理，具有较好的重现性。黎庆涛等[14]采用近红外在线分析仪，直接对传送带上的白砂糖进行扫描获得光谱数据，测定白砂糖色值。王远辉等[15]采用近红外光谱法测定废蜜锤度、蔗糖分和还原糖分，对废蜜的近红外光谱进行趋势校正、标准正态变量变化和一次求导联合处理，研究结果表明利用改进型偏最小二乘算法建立的模型效果最佳。Rodríguez-Zúñiga等[16]把近红外技术应用到蔗渣化学成分的快速分析检测中，实现同时对蔗渣中半纤维素、纤维素和木质素的快速检测。综上所述，近红外光谱法具有样品前处理简单、无需化学试剂、环境污染小、分析速度快等优点，符合现代分析要求。为了简化和优化该方法在糖品分析领域内的应用，可通过改进光谱预处理方法、完善建模方法、丰富计算方法、提高模型的可解读性，以提高实际应用中定性和定量分析的效率[14-16]。

3.2 原子光谱分析技术

3.2.1 原子吸收光谱法 原子吸收光谱法是一种根据待测原子蒸气中的基态原子对光源特征辐射谱线的吸收进行元素定量分析的方法。原子吸收光谱法在分析不同的金属元素时选用不同的元素灯，提高了分析的选择，共存元素对被测元素的分析基本不产生干扰，因而具有较高的精密度和准确度。

糖品中痕量金属元素分析消解技术是分析过程中最关键的步骤，直接关系到分析方法的优劣。传统消解技术湿法酸化消解[17]和干法灰化法[18]，湿法消解需要消耗大量的强酸，同时在湿法消化过程都为敞开模式导致某些元素气化损失，这类方法的缺点是耗时长；干化法是利用高温对样品进行灰化分解，不适用易挥发的元素。针对传统的消解技术缺陷，王军等[18]建立微消解法处理甘蔗汁，同时比较微波消解法、干法消化、和温法消化对蔗汁3种不同消化方法对测定结果的影响，研究结果表明微波消解法在对铁的保留程度、消化液用量及消化时间三方面均优于传统的干法消化和湿法消化法。Pohl等[19]使用固相微萃取结合原子吸收光谱法分析检测了白砂糖中钙、钾、镁和钠的含量，该方法Ca、K、Mg、Na回收率97%～102%，回收率令人满意，符合检测要求。秦杰等[20]利用强酸在低温加热不完全消解法—高分辨连续光源石墨炉原子吸收光谱法测定蔗糖中铅和镉，通过加入磷酸二氢铵基体改进剂降低基体干扰，该方法样品前处理耗时在20 min左右，大大加快样品处理速度，其中铅和镉的检出限为0.935 ng/mL和0.073 ng/mL，能满足GB2762-2017规定铅和镉污染限量0.5 mg/kg指标要求，具有较高的应用价值。原子吸收光谱法中采微波消解法[18]和用固相萃取法[19]消解糖品相对于湿法酸化消解[17]和干法灰化法[18]，具有消解时间短、耗酸量少、目标分析项目回收率高和环境友好等优点，有利于生产线大批量即时分析和质量控制。

3.2.2 原子发射光谱法 原子发射光谱法是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子在一定条件下受激发而发射特征光谱的波长及其强度，通过特征波长进行元素定性分析，光谱的强度进行元素的定量分析。每一种样品一经激发光源激发，其中各种不同的元素都能发射出特征谱线，可以实现多元素同时定性和定量分析。

Allen等[21]采用电感耦合等离子体质谱法同时测定蔗糖中砷、镉、铜、铅和锡的含量，考查了开放式微波消化和封闭式微波消化两种样品前处理方式对测定结果影响，结果认为开放或封闭的容器消化都适用于测定镉、铜和铅，而封闭的容器消化更适用于测定砷和锡。王桂华等[22]利用电感耦合等离子体质谱法，监测广东蔗区土壤重金属元素的监测、测定广东蔗区甘蔗中的稀土元素和测定甘蔗中25种元素，为掌握甘蔗原料的质量状况、指导收购加工和提升食糖的质量水平起到积极的作用。原子发射光谱[21-22]在样品前处理和测试过程中简单，一次进样可以同时测定多种元素，避免了原子吸收光谱中由于更换元素灯操作过程中带来一些弊端，比如每次更换元素灯需对灯预热、设置相关仪器参数和配制单一元素标准曲线溶液等操作，造成大量的试剂药品、时间和人力的浪费。

3.3 色谱分析法

色谱法是利用通过流动相携带目标分析物进入色谱柱，利用混合物中各组分在流动相与色谱柱中固定相的分配系数、吸附能力、脱附能力等因素不同，当组分在两相相对移动时，各组分在两相中反复多次分配，产生明显的分离效果，从而依次流出色谱柱进行分析检测，根据色谱流出曲线给出的保留时间进行定性和峰高或峰面积进行定量分析。

3.3.1 气相色谱法 气相色谱法是用气体作为流动相的色谱法，主要用于分析气体和沸点低于450℃的各类混合物。采用气相色谱测定食糖中果糖、α-葡萄糖、β-葡萄糖和蔗糖四种游离糖的含量，该方法相对于分光度法不受络合剂用量、pH值和显色反应环境等影响，具有专属性高、选择性强、灵敏度高、分析速度快等特点。高裕锋等[23]建立了食糖中16 种常见的邻苯二甲酸酯类物质的气相色谱质谱（GC-MS）检测方法，研究结果表明食糖样品中邻苯二甲酸酯的残留量都比较低，在检测的各种食糖种类中，方糖、单晶冰糖和多晶冰糖的检出率较高，而这些产品属于二次加工产品，导致残留的主要因素是由于原料引入和新增加工过程造成污染物迁移，该方法为食糖质量安全溯源跟踪提供参考。近年来，采用气相色谱法测定糖品中农药残留已成为研究热点之一[24-25]，这些研究方法根据待测目标物性质和实验条件选择不同的检测器，通过采用不同的前处理方法从复杂基质样品最大限度地提取待测目标物和降低基质干扰，提高分析方法的准确性和实用性[26]。

3.3.2 液相色谱法 液相色谱法是指流动相为液体的色谱技术，该方法已经成为分析复杂物质的有利武器，特别是在对热不稳定、高沸点的有机化合物、天然产物及生化试样的分析[27]。在制糖工业分析中测试结果不受样品中色值、其他旋光性物质和还原性物质的干扰，特别适用于糖厂各工艺流程中各种糖类和相关产物的检测。林月绪等[28]采用乙醇浸提法预处理甘蔗茎节得到提取液，通过高效液相色谱示差折光检测法测定提取液中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量，该方法简单快捷、灵敏度高、结果准确可靠，为对甘蔗品质鉴定、品种开发和种植提供重要的指导。张海殷等[29]采用液相色谱法标准加入法测定蔗糖生产过程中间制品蔗糖含量的测定，该方法为优化制糖企业工艺质量控制水平和提高生产效率提供了指导作用。袁建平等[30]建立高效液相色谱法测定糖液及非纯糖液（如清汁、混合汁、糖浆及各种糖蜜）中5-羟基糠醛（5-HMF）的含量，研究结果表明随着制糖工艺流程的进行，5-羟基糠醛在清汁、糖浆、原蜜和最终糖蜜的含量是不断增大，由于糖液中5-HMF含量增大证明了糖液中的糖发生了降解反应，该方法为深入了解糖液中糖的降解过程及影响因素提供了一个快速灵敏的分析方法，为制糖生产中控制质量品质提供了依据。Polovkov等[31]采用高效液相色谱法分析了13种白砂糖和25种赤砂糖中5-羟基糠醛的含量，除了采用高效液相色谱法之外，冯红伟等[32]采用紫外分光光度法测定了糖蜜中5-羟基糠醛含量，其中线性范围为0～15 mg/L，检出限为0.08 mg/L，该方法相对于高效液相色谱法其测定程序简单且仪器设备费用较低，但其线性范围窄于高效液相色谱法[30-31]。

高效液相色谱不仅应用在制糖工业流程监控，同时也应用到对制糖原料和糖品进行分析检测，如污染成分、添加剂[33]和农药残留[34]。这些研究方法的建立为食品安全监督提供了技术支持，特别是Qian等[34]建立超高液相色谱串联质谱测定甘蔗、甘蔗地、蔗糖及附近水环境中的丁噻隆的含量，深入研究了农药残留对人类日常饮食和生态环境的风险评价，为研究食品质量安全和环境评估提供参考。

3.3.3 离子色谱 离子色谱是液相色谱的一种，其工作原理是利用离子交换原理，利用不同离子在固定相亲和力的差别来实现分离。离子色谱在糖品分析中应用主要分为两类，一类是对糖品中阴阳离子[35]、无紫外吸光基团的糖化合物[36]和有机酸[37]的成分分析；另一类用来区分精制白糖原材料是来源于甘蔗还是甜菜[38]。离子色谱在测定还原糖时分离选择性较高，相对于兰-艾农法、兰-艾农恒容法、奥夫纳尔法3种滴定方法操作简单，能准确定量各组分含量；同时离子色谱的电化学检测器[36]灵敏度优于一般液相色谱中示差检测器[28]和蒸发光散射检测器[39]，前者检出限达到μg/L级，而后两种检出限仅达mg/L级，可见采用离子色谱法测定糖品中无紫外吸光基团（果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖等）具有分离效果好、分析速度快、响应信号高和检出限低等优势。

4 前景与展望

通过对上述几种现代仪器分析技术在制糖工业分析中应用进展的介绍，可以看出，现代仪器分析技术由于具有简单、快速、无损[13]、环保、重现性好和专属性高等特点，便于实现糖品的实时分析和制糖工业分析的在线检测、过程分析和遥感监测[14-15，40-41]。紫外-可见分光光度法仪器价格较低、操作简单和测定结果稳定性强，适用于连续不间断的工业生产模式[41]；近红外光谱技术测定过程因不需要对样品进行前处理和可多组分同时定性、定量分析，为实现制糖产业中快速、便捷和在线检测提供技术支持，但近红外光谱技术依赖于化学计量学方法对样品光谱进行预处理、建模及模型评价，因此改进光谱预处理方法、完善建模方法、丰富计算方法、提高模型的可解读性，是推动近红外光谱技术在糖品分析中广泛应用的发展趋势；原子吸收光谱和原子发射光谱分析技术由于技术成熟，已在制糖工业分析的金属元素分析中发挥了重要作用，原子吸收光谱仪器价格相对于原子发射光谱较低，但原子吸收光谱必须用特征元素灯测定对应金属元素，每测定一种金属元素必须换相对应的元素灯不便用于多种元素同时分析，而原子发射光谱对于多种元素同时测定时具有较强优势；色谱法中以气相色谱、高效液相色谱和离子色谱为代表的色谱分析技术已经广泛应用于制糖工业分析中工艺流程、原材料、半制品和制品分析检测，如成分含量、污染物、添加剂和农药残留，气相色谱[23-25]侧重分析分离易挥发、沸点低、热稳定性强的物质，液相色谱[28，33]不受样品挥发性和热稳定性的限制，可作为糖品分析的方法，而且为从糖品中提纯和制备活性成分提供技术支持[42]。

随着经济发展和人民生活质量的不断提高，世界各国对食糖的质量要求越来越高，因此建立和完善检验标准方法对保证我国食糖在生产安全、拓展市场和提高国际竞争力方面具有重要意义。现代分析仪器具有高效、无损、低耗、环保和智能的优点，便于实施在线检测和多组分同时分析，逐渐成为制糖工业分析研究领域的主流技术。应用现代仪器分析技术对糖品进行分析检测，不仅用于糖品中成分分析，又可以对其污染物和添加剂进行鉴定分析，保证了食糖产品的安全和生产流程高效运行，同时也为更新检验方法标准提供了依据。