电感耦合等离子体发射光谱法测定食品中二氧化硅研究

胡家勇 周陶鸿 尹思睿 程银棋 姚晓帆 宋 政

(湖北省食品质量安全监督检验研究院;湖北省食品质量安全检测工程技术研究中心，武汉 430060)

食品添加剂用二氧化硅分为气相二氧化硅、水合硅胶、沉淀二氧化硅三类。这三类食品添加剂用二氧化硅均为人工合成的高纯度二氧化硅白色粉末。人工合成的二氧化硅具有比表面积大，它能在粉末物质的颗粒之间起到间隔剂的作用，同时也促进了粉末物质的自由流动，另外其还具有孔隙率高、吸附性强、化学性质稳定等特点，因此在食品工业常被用作抗结剂、消泡剂、增稠剂、助滤剂、澄清剂。目前，矿石、建材、水体等材料中二氧化硅的测量方法报道较多，主要有：X射线荧光光谱法[1-2]；硅钼蓝分光光度法[3-5]；硅钼黄分光光度法[6-8]；电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)[9-14]；电感耦合等离子体质谱法[15]；氟硅酸钾滴定法[16-18]；氢氟酸挥散重量法[19-20]；离子色谱法[21-22]。但关于食品中二氧化硅的检测鲜有报道。二氧化硅作为食品添加剂，可用于粉末油脂制品[23]、蛋白粉[24]、香精香料[25]、固体饮料等，我国《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》(GB 2760—2014)[26]明确规定其使用范围以及最大使用量，但是我国尚未建立食品中二氧化硅检测的标准方法，使得食品添加剂二氧化硅的监管缺乏技术支撑，食品质量安全监督管理部门无法对其实施监管，为了规范添加剂用二氧化硅的添加使用，为了维护消费者的身体健康，有必要针对食品中二氧化硅建立高效、快速、准确定量的检测方法，为加强二氧化硅规范使用的监管提供方法参考，以切实保护广大消费者舌尖上的安全。

本研究建立了一种微波消解、电感耦合等离子体发射光谱法测定食品中二氧化硅的方法，此方法采用微波消解作为前处理方式，电感耦合等离子发射光谱仪检测，微波消解操作简单，重复性好，电感耦合等离子体发射光谱仪灵敏度高、动态范围宽、干扰少，因此此方法具有操作简单、灵敏度高、精密度与重复性好、动态范围宽、相对干扰少等优点，可以满足食品中二氧化硅的检测。建立食品中二氧化硅的检测方法以期为食品中二氧化硅的测定提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

样品购于本地超市。

食品添加剂二氧化硅：天津龙华化工有限公司；无水碳酸钠(分析纯)： 国药集团化学试剂有限公司；硝酸(优级纯)：Merck；实验用水为去离子水。

1.2 仪器与设备

Icap 7400 DUO电感耦合等离子体：赛默飞世尔科技公司；ME203/02电子天平、ME2002E/02电子天平：梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；KLS15/13马弗炉：德国THERMCONCEPT公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

微波消解： 准确称取0.400 0～1.000 0 g试样于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸进行微波消解，微波消解程序设置如下：温度爬坡10 min升温至120 ℃，温度保持5 min；温度爬坡10 min升温至190 ℃，保持20 min；冷却25 min降温至55 ℃。消解完成后将消解液用定量滤纸过滤，用100 mL蒸馏水清洗滤渣，然后将滤上物连同滤纸一起放入镍坩埚中，于500 ℃马弗炉炭化20 min，取出冷却后加入2.0 g无水碳酸钠，置于960 ℃马弗炉熔融20 min，取出坩埚，稍冷后用2%的硝酸溶解，转移并定容至50 mL离心管，4 000 rad/min离心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此为待测液。

湿法消解： 准确称取5.00～20.00 g试样于200 mL烧杯中，加20 mL硝酸，盖上表面皿，置于电热板上消解，至无黄烟冒出。消解完成后将消解液用定量滤纸抽滤，用装有蒸馏水洗瓶冲洗烧杯，边洗边过滤，待烧杯壁无明显附着物后，再依次用50 mL三氯甲烷、50 mL无水乙醇少量多次清洗烧杯，边洗边过滤。将滤上物连同滤纸一起放入镍坩埚中，于500 ℃马弗炉炭化20 min，取出冷却后加入2.0 g无水碳酸钠，置于960 ℃马弗炉熔融20 min，取出坩埚，稍冷后用2%的硝酸溶解，转移并定容至50 mL离心管，4 000 rad/min离心10 min，吸取上清液1 mL定容到50 mL，此为待测液。

1.3.2 测定

1.3.2.1 标准溶液制备：称取二氧化硅基准试剂于定量滤纸上，将二氧化硅高纯试剂连同滤纸一起放入镍坩埚中，加入2.0 g无水碳酸钠，再将镍坩埚置于500 ℃马弗炉炭化20 min，然后将马弗炉升温至960 ℃熔融20 min，取出坩埚，稍冷后用2%的硝酸溶解，转移并定容至50 mL离心管中。

1.3.2.2 ICP测定条件：高频发生器功率：1 350 W；雾化器压力：0.20 MPa；辅助气流量：0.50 L/min；垂直观测高度：12 mm；分析泵速：50.0 r/min；积分时间：15 s；稳定时间：5 s；冲洗时间：20 s；冲洗泵速：50.0 r/min；重复次数：3次。

1.3.3 单因素实验

以样品称样量(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g)、硝酸使用量(4、6、8、10 mL)、熔剂无水碳酸钠使用量(1、2、3、4 g)为影响因素，以二氧化硅含量为评价指标进行单因素实验，每个因素水平进行3次平行实验。

2 结果与分析

2.1 分析线波长选择

在ICP光谱分析中，分析谱线的选择对于样品分析结果的准确性和精确性具有重要影响。ICP光谱仪中硅有多条谱线，选取3条较为灵敏的硅分析线进行测定，其波长分别为251.667、212.412、288.158 nm，以20.0 mg/L的硅标准溶液作为测试液，在仪器最佳工作条件下，观察不同波长谱线的波形图，结果表明波长212.412 nm的谱线其波形图较好、峰形稳定、背景值低、精密度好，并且波长251.667、288.158 nm谱线下都存在钠的干扰，而无水碳酸钠作为二氧化硅的熔剂，待测液里存在高浓度的钠盐，影响测定结果，因此选择波长为212.412 nm的谱线作为本方法中二氧化硅的分析线。

2.2 不同消解方式对比实验

考察不同消解方式对二氧化硅测定的影响，由表1可以看出，不同的消解方式，二氧化硅的测定结果存在一定的差异，当湿法消解称样量水平在5～10 g测定结果与微波消解测定结果基本一致，通过实验现象可以看出随着称样量的增加，硝酸量不足，消解不完全，影响测定结果。因为微波消解较湿法消解操作更加简便，并且更易于控制变量。因此最终选定的消解方式为微波消解。

表1 不同消解方式对二氧化硅测定的影响

2.3 最佳称样量确定

考察不同称样量对二氧化硅测定的影响，其中硝酸使用量为8 mL，熔剂无水碳酸钠使用量为2 g。由图1可以看出，称样量不同，二氧化硅的测定结果存在一定的差异，称样量为0.2 g时，测定结果稳定性差，原因是称样量太少，称样时存在不均匀性。称样量0.4～1.0 g，二氧化硅测定结果比较一致，差异不显著(P>0.05)，并且稳定性均比较好。因此最终确定称样量为0.4～1.0 g。

图1 不同称样量对二氧化硅测定的影响

2.4 熔剂无水碳酸钠最佳使用量确定

通过实验发现无水碳酸钠的使用量对二氧化硅的测定结果有影响，考察无水碳酸钠使用量不同对二氧化硅测定结果的影响，其中称样量为0.6 g，硝酸使用量为8 mL。由图2可以看出，熔剂无水碳酸钠使用量不同，二氧化硅的测定结果存在一定的差异性，熔剂无水碳酸钠4.0 g时，测定结果偏低，可能的原因是高浓度的Na+对二氧化硅测定结果有一定的干扰，熔剂使用量1.0～3.0 g，二氧化硅测定结果比较一致，差异不显著(P>0.05)，当熔剂使用量为3.0 g，测定结果的稳定性稍逊于1.0与2.0 g。因此最终确定熔剂无水碳酸钠使用量为1.0～2.0 g。

图2 熔剂使用量对二氧化硅测定的影响

2.5 硝酸使用量

考察硝酸使用量对二氧化硅测定的影响，其中称样量为0.6 g，熔剂无水碳酸钠使用量为2 g。由图3可以看出，硝酸使用量不同，二氧化硅的测定结果存在一定的差异，称样量为4 mL时，测定结果偏低，可能的原因是硝酸使用量偏少，样品消解不完全，影响结果测定，硝酸使用量6～10 mL，二氧化硅测定结果比较一致，差异不显著(P>0.05)，并且稳定性均比较好。因此最终确定硝酸使用量为6～10 mL，从消解完全和经济节约的角度考虑，建立硝酸使用量为6～8 mL。

图3 硝酸使用量对二氧化硅测定的影响

2.6 方法学验证

2.6.1 标准曲线及检出限

在本实验所确定的实验条件下，分别将标准工作溶液依次进样测定。以标准溶液中二氧化硅浓度为横坐标，以对应发射强度为纵坐标，绘制标准曲线。二氧化硅在0.0～30.0 μg/mL范围内呈良好线性相关性，线性方程为y=696.7x+112.5，相关系数为0.999 7；方法检出限依据连续测定11次空白溶液的3倍标准偏差得出，其方法检出限为0.04 g/kg。结果见表2。

表2 标准曲线与检出限测定结果

2.6.2 方法精密度实验

称取3个未知二氧化硅含量的咖啡各5份进行平行性实验，结果见表2。由表3可知，3个二氧化硅含量不同的样品平行性实验结果的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)在4.33～6.34%，结果表明本方法的精密度较好符合GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范 食品理化检测》对精密度的要求。

表3 精密度实验结果

2.6.3 空白加标回收实验

称取二氧化硅空白样品3份，精确加入二氧化硅高纯试剂适量，按供试品溶液的制备与测定同法操作，计算二氧化硅加标回收率，结果见表4。由表3可知，方法的回收率在91.93～96.98%之间，以上结果表明本方法的回收率和精密度较好符合GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范 食品理化检测》对回收率和精密度的要求。

表4 加标回收率实验结果

2.6.4 ICP法与硅钼黄分光光度法比较

食品中二氧化硅的测定尚无国家标准，并且关于食品中二氧化硅测定的报道也比较少，水中偏硅酸的测定通常采用GB 8538—2016硅钼黄分光光度法以及硅钼蓝分光光度法。为了验证方法的准确性和可行性，以ICP-AES法和硅钼黄分光光度法分别测定随机选取的五个固体饮料，结果见表5，由表5可以看出两种方法测定结果基本吻合，RSD≤7.0%。

表5 ICP-AES法与硅钼黄分光光度法比较

2.7 不同种类食品中二氧化硅使用量水平探究

本实验对10批次咖啡、10批次奶茶、10批次其他固体饮料、10批次香辛料、10批次乳粉以及10批次固体复合调味料实际样品进行了二氧化硅含量测定，测定结果见表6。由表6可以看出，二氧化硅在固体饮料、乳粉、香辛料、固体复合调味料中使用比较普遍，原因是二氧化硅具有比表面积大，使它能在粉末物质的颗粒之间起到间隔剂的作用，同时也促进了粉末物质的自由流动，因此在食品工业常被用作抗结剂；固体饮料及乳粉中添加二氧化硅，主要是因为二氧化硅能在粉末物质之间起到间隔剂的作用，避免了固体饮料及乳粉在冲调过程中结块，从而达到速溶的效果；香辛料、固体复合调味料中添加二氧化硅，主要是利用二氧化硅比表面积大，能够促进粉末物质的自由流动，避免了香辛料、复合固体调味料在储藏过程中结块。

表6 实际样品中二氧化硅测定

3 结论

采用碱熔融酸化方法，以无水碳酸钠为熔剂，经微波消解、定量滤纸过滤、马弗炉高温熔融、硝酸酸化溶解进行样品前处理，建立了一种微波消解、电感耦合等离子体发射光谱法测定食品中二氧化硅的方法。采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定食品中二氧化硅含量，经过分析线波长选择规避了高含量钠离子的干扰，同时进行了消解方式、称样量、熔剂使用量、硝酸使用量四个因素的单因素实验，确定了最佳消解方式、称样量、熔剂使用量以及硝酸使用量。

ICP-AES法测定食品中二氧化硅标准曲线及方法学验证结果显示：方法的检出限为0.04 g/kg，线性回归方程y=696.7x+112.5，相关系数为0.999 7、平行性精密度RSD在4.33%～6.34%之间、加标回收率在91.93%～96.98%、ICP-AES法与硅钼黄分光光度法的检测结果无显著差异，侧面佐证了ICP-AES法测定食品中二氧化硅结果的可靠性。经过60批实际样品中二氧化硅含量测定分析，结果表明二氧化硅在固体饮料、乳粉、香辛料、复合固体调味料中使用比较普遍，尤其在固体饮料和香辛料中使用量较高。