电化学分析法快速测定食品中的呋喃

柴晓玲，郝雅茹，李书国*

（河北科技大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

呋喃是最简单的含氧五元杂环化合物，具有亲脂性和高度挥发性（沸点31.4 ℃），另有弱刺激和麻醉作用，是具有代谢毒性、生理毒性和基因毒性的潜在致癌物。2004年，美国食品药品监督管理局和欧盟食品安全局（EU Food Safety Authority，EFSA）先后从各类经过加热处理的食品中发现了污染物呋喃[1-3]。相关报道发表后，引起了国际社会的高度关注。呋喃已被国际癌症研究机构归类为可能使人类致癌的“2B”组物质[4]。其易通过呼吸等多种途径被人体吸收，进而引起恶心、头晕、呼吸衰竭、血压下降等症状，甚至诱发体内癌变[5-10]。呋喃在大多数热加工食品如咖啡、汤类、以及婴幼儿食品中等均有不同程度的检出，其中咖啡内含量最高。2018年5月，美国法院最终裁定，要求星巴克等咖啡加工、零售商在加州销售的咖啡产品须加注致癌风险警告标识。可见，加热食品中具有致癌风险的副产物的危害受到社会高度重视。食品中呋喃的形成机制、减控方法、危害消除，以及快速检测方法是当今国内外研究热点，因此，需要研究如何降低食品中呋喃的形成，并建立一种简便、灵敏度高的呋喃的快速检测方法。

目前，国内外常用的食品中呋喃检测方法主要有顶空进样-气相色谱-质谱联用（headspace injection gas chromatography-mass spectrometry，HS-GC-MS）法、固相微萃取-气相色谱-质谱联用法以及顶空-固相微萃取-气相色谱-火焰离子化法[11-14]。以上3 种方法虽然准确、灵敏度高，但仪器和人员成本较高，而且所测食品需要进行加热预处理，可能会导致分析过程中生成新的呋喃，从而影响结果[15-16]。电化学检测方法成本低、操作简单且灵敏度高，并且可以实现快速高效监测和实时监测，具有广阔的应用前景[17-18]。

本实验旨在研究呋喃在玻碳电极表面的电化学反应过程，建立一种快速测定痕量呋喃的电分析方法，并应用于实际食品中呋喃的快速精确测定。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

速溶咖啡、麻花、江米条 石家庄本地超市。

呋喃（纯度99.5%） 成都格雷西亚化学技术有限公司；乙腈、无水乙醇、四氢呋喃（均为分析纯）天津市永大化学试剂有限公司；无水高氯酸锂 成都艾科达化学试剂有限公司；丙酮（分析纯） 天津市津东天正精细化学试剂厂；二甲基亚砜（分析纯） 上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

LK98BII型微机电化学分析系统 天津兰力科化学电子高技术有限公司；玻碳电极、铂丝电极、Ag/AgCl电极、电解杯 上海CHI仪器公司；KQ 2200型超声波清洗仪 昆山市超声仪器有限公司；FA 2204型电子分析天平 上海菁海仪器有限公司；GZX-9070 MBE型电热鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；TGL-10B高速台式离心机 上海安亭科技仪器厂；AI 3000II型气相色谱-质谱联用仪、AI 3000自动进样器美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 方法

1.3.1 玻碳电极的预处理

用粒径为0.05 μm的Al2O3粉末将玻碳电极表面打磨抛光至镜面，用去离子水清洗后依次在50%硝酸溶液、无水乙醇、去离子水中超声清洗2 min，用氮气吹干。在以K3[Fe(CN)6]为探针的磷酸盐缓冲溶液中进行循环伏安法扫描，至氧化还原峰峰差值在90 mV以下，然后在1 mol/L H2SO4溶液中对玻碳电极进行活化，用快速循环伏安法扫描至稳定的循环伏安图，最后用去离子水清洗后吹干备用。

1.3.2 呋喃标准溶液的配制

低温条件下快速取31 μL呋喃标准品于5 mL乙腈中得到0.1 mol/L呋喃溶液，密封后放入冰箱保存。

1.3.3 呋喃标准曲线的测定

以直径为3 mm的玻碳电极为工作电极、Ag/AgCl为参比电极、铂丝电极为对电极，以0.15 mol/L的LiClO4-乙腈溶液为电解液，加入不同量的呋喃标准溶液，使其呈梯度浓度，在1.3～2.4 V扫描电位范围内，脉冲增量0.005 V、脉冲间隔0.3 s、脉冲幅度和脉冲宽度均为0.05 V，在冰水中用微分脉冲伏安法进行扫描测定，控制待测物环境温度在2～5 ℃，每个浓度测定3 次，并记录相应的峰电流值，取其平均值作为该呋喃浓度对应的氧化电流值。考察峰电流值与呋喃浓度的关系。

1.3.4 样品中呋喃的提取

1.3.4.1 速溶咖啡中呋喃的提取

准确称量5 g速溶咖啡粉末于50 mL离心管中，加入10 mL乙腈搅拌数分钟，在冰水中超声5 min后，4 500 r/min离心20 min，收集上清液后残渣中再加入10 mL乙腈，重复上述操作，取2 次上清液于冰箱中低温贮存备用[19]。

1.3.4.2 麻花、江米条中呋喃的提取

分别称取4 g打碎的麻花、江米条粉末，加入15 mL乙腈后搅拌数分钟，然后在冰水中超声5 min，4 500 r/min离心20 min，取上清液，残渣中再加入15 mL乙腈重复以上操作，合并2 次上清液，于冰箱中低温贮存备用。

1.3.5 电化学传感器测定食品中的呋喃

按照1.3.3节方法对食品中的呋喃进行测定，并记录其电化学响应电流值，每种提取液做3 次平行实验，取其平均值作为测定结果，根据标准曲线得到各个样品中呋喃的含量。

1.3.6 HS-GC-MS法测定食品中呋喃

1.3.6.1 顶空条件

平衡温度70 ℃，平衡时间30 min，样品瓶低速振摇；定量环温度100 ℃，传输线温度110 ℃，瓶加压0.5 min；顶空瓶内压力103.4 kPa；填充定量环0.5 min；定量环平衡0.5 min；进样时间1 min，GS循环30 min。

1.3.6.2 气相色谱条件

色谱柱：HP-5石英毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm，1 μm）；进样口温度：250 ℃；柱温升温程序：以50 ℃为初始温度，保持1 min后以10 ℃/min升温速率升至250 ℃，保持12.5 min。以氮气为载气，流速为1 mL/min；以分流比20∶1分流进样。

1.3.6.3 质谱条件

离子源：电子电离源，电子能量70 eV；离子源温度：250 ℃；传输线温度250 ℃；扫描方式：全谱扫描（m/z 25～300）。

1.3.6.4 标准曲线及样品测定

准确配制所需呋喃浓度梯度的标准溶液，上机测定，记录各个浓度对应的图谱峰面积，并与对应的呋喃浓度绘制标准曲线。

样品提前在4 ℃条件下冷藏数小时，快速称取打磨好的样品粉末于二甲基亚砜中，用1.3.4节方法提取呋喃，进行HS-GC-MS检测，每个样品测定3 次，取其平均值，由上述标准曲线得到样品中呋喃浓度，并与电化学方法检测结果进行对比。

1.4 数据处理

采用SPSS17.0软件对实验数据进行统计分析，应用单因素方差分析进行显著性差异分析（P＜0.05，差异显著），并运用Orign8.6绘制数据图。

2 结果与分析

2.1 呋喃在玻碳电极上的电化学行为

图1 呋喃在玻碳电极上的循环伏安图Fig. 1 Cyclic voltammogram of furan on glassy carbon electrode

通过对空白溶液和呋喃标准溶液进行循环伏安扫描，得到呋喃在玻碳电极的循环伏安图（图1），对其电化学反应行为进行分析。电位区间1.3～2.4 V，扫描速度50 mV/s。

图1a显示空白溶液中无氧化峰。图1b显示，呋喃在1.80 V左右出现氧化峰，并且反向扫描无还原峰出现，表明呋喃能够在玻碳电极表面发生氧化反应，并且不可逆。根据其化学结构，双键部分发生氧化反应。由图1b、c可知，峰电流随呋喃浓度的增大而增大，其电流峰高与呋喃浓度呈一定比例，表明该方法可以对呋喃进行定量分析。

2.2 实验条件的优化

2.2.1 溶剂的选择

图2 溶剂对呋喃在电极表面的微分脉冲扫描曲线的影响Fig. 2 Effect of different solvents on differential pulse scanning curve of furan on electrode surface

溶剂的种类对呋喃的氧化峰峰形有一定影响，进而影响电极的吸附作用，因此需要测试呋喃在不同溶剂中的出峰情况。溶剂的选择应满足以下要求：呋喃的溶解度要好，能与呋喃形成均一体系；具有良好的介电特性，能很好地溶解电解质LiClO4，使其具有良好的导电性。由于呋喃易溶于多种有机溶剂，而不溶于水，所以选择非水溶剂作为电解溶剂。将0.1 mmol/L的呋喃溶液分别在乙腈、乙醇、丙酮以及二甲基亚砜中进行检测，图2结果表明，呋喃在乙腈中峰形最好，灵敏度最高。由图2可以看出，乙醇、乙腈和二甲基亚砜出峰位置依次后移，可能由于极性大小对溶解度有影响；乙腈的峰电流与乙醇相比较高，可能是由于乙醇的介电常数（ε=24.3）小于乙腈（ε=37.5），电解质不易在其中解离，进而影响电子传递效果造成的。所以综合考虑，选取乙腈作为溶剂。

2.2.2 电参数的影响

2.2.2.1 电位增量的影响

电位增量分别设为0.001、0.003、0.005、0.008 V，对0.1 mmol/L的呋喃进行微分脉冲扫描，观察峰电位及峰电流的变化。由图3可知，电位增量对峰电位的影响不大，但对峰形有一定影响，峰电流随电位增量的增大而增大，并且氧化峰先变窄后变宽。考虑峰形以及峰电流大小两个因素，故选择电位增量为0.005 V。

图3 电位增量对呋喃氧化峰电流值的影响Fig. 3 Effect of potential increment on oxidation peak current of furan

2.2.2.2 脉冲间隔的影响

图4 脉冲间隔对呋喃氧化峰电流值的影响Fig. 4 Effect of pulse interval on oxidation peak current of furan

同样选用0.1 mmol/L的呋喃进行测定，由图4可以看出，随着脉冲时间的延长，峰电流明显减小，并且峰形变宽，为得到更好的峰形，同时减少误差，故选用0.3 s为脉冲间隔。

2.2.3 电解质浓度的影响

图5 电解质浓度对呋喃氧化峰电流值的影响Fig. 5 Effect of electrolyte concentration on oxidation peak current of furan

利用微分脉冲伏安法分别测定0.1 mmol/L的呋喃在电解质浓度为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mol/L时的氧化电流，观察电解质浓度对呋喃氧化峰电流大小的影响，结果如图5所示。可以看出，响应电流随电解质浓度的增加而增大，是由于随着电解质溶液浓度的增加，其导电性增加，所以峰电流增加。当LiClO4浓度达到0.15 mol/L时，随着电解质浓度的增加，峰电流变化不大，说明导电率几乎接近最大值，故电解质浓度选用0.15 mol/L。

2.3 标准曲线

在最佳实验条件下，利用微分脉冲伏安法（图6）分别测定了呋喃浓度为0、2、5、10、20、40、60 μmol/L时的氧化电流值，各个浓度测定3 次，取其平均值为对应呋喃浓度的氧化峰电流值，以响应电流值为纵坐标，呋喃浓度为横坐标，绘制呋喃的标准曲线。随着呋喃浓度的增大，响应电流值逐渐增加，且在2～60 μmol/L范围内呈良好的线性关系，并满足线性关系方程：Ip=0.046 6Cfuran＋0.565，相关系数R2为0.996 8，最低检测限为0.55 μmol/L（RSN=3）。Hoveidi等[20]在0.1 mol/L伯瑞坦-罗宾森缓冲溶液中测定呋喃，检测限为3 μmol/L；Falciola等[21]以铂基电极为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极，采用方波伏安法在乙腈-四丁基高氯酸铵中对呋喃进行电化学研究，其检测限为10～20 μmol/L。由此可见，本研究构建的电化学传感器灵敏度更好，可作为食品中痕量呋喃快速检测的分析方法。

图6 不同浓度呋喃的微分脉冲伏安曲线Fig. 6 Differential pulse voltammetry curves of furan at different concentrations

2.4 电化学传感器的稳定性、重复性与抗干扰性

对1×10－4mol/L的呋喃在玻碳电极的电流响应进行实验，重复测定15 次，呋喃的氧化峰电流的平均值为（3.61±0.11）μA（n=15，相对标准偏差3.24%）；分别配制3 批（每批2 支）不同浓度的呋喃标准溶液，用微分脉冲伏安法进行检测，结果显示，第1批两组的氧化峰电流值变化为1.38%，第2、3批变化率分别为3.24%、1.52%，可见该电化学传感器的稳定性和重复性较好。

咖啡中含有丙烯酰胺、VB2以及易挥发成分吡咯[22-24]，麻花、江米条等油炸食品中亦含有丙烯酰胺[25]，所以探究了吡咯、丙烯酰胺以及VB2对呋喃氧化电流值的影响。以乙腈为溶剂，分别配制0.1 mol/L的吡咯、丙烯酰胺溶液，以及5×10－4mol/L VB2的NaCl溶液，密封后于4 ℃保存备用。在其他条件相同的情况下，采用微分脉冲伏安法测定空白呋喃标准溶液以及分别添加吡咯、丙烯酰胺和VB2的呋喃标准溶液的氧化电流值。添加以上3 种物质后，呋喃的氧化峰电流值变化分别为5.94%、2.57%、4.71%，其中添加丙烯酰胺后，在1.2 V附近出现一个氧化峰，但其并不影响1.75 V处呋喃的峰电流值。可见该化学传感器具有较好的抗干扰性。

2.5 样品中呋喃的测定及加标回收实验

按照1.3.4节所用方法分别处理样品后得到样品提取液，分别采用电化学方法和HS-GC-MS法检测样品中呋喃的含量，并进行加标回收实验，结果如表1所示。该法测得速溶咖啡中呋喃含量约为1 818 μg/kg，在EFSA公布的检测范围内[26]；同时测得油炸食品麻花中含呋喃约97.5 μg/kg，江米条中呋喃含量约为81.8 μg/kg。HS-GC-MS法所测样品结果与本法基本一致，3 种食品中呋喃含量结果相差在0.60%～0.72%之间。另外，本法的回收率在89.53%～105.27%之间，HS-GC-MS法回收率在91.73%～103.20%之间。两者检测结果基本一致，但电化学方法更加方便快捷。

表1 食品样品中呋喃的加标回收率结果Table 1 Recoveries of furan from spiked food samples

3 结 论

呋喃在玻碳电极表面的电化学行为表明，其在1.80 V处只发生氧化反应而不发生还原反应。基于微分脉冲伏安检测技术，构建了一种检测速度快、灵敏度高的呋喃电化学分析方法，优化了分析条件，确定了呋喃氧化响应电流与浓度之间的数学模型、线性范围以及检测限等检测参数，该方法可以用于实际样品中呋喃的检测。另外，该方法具有检测成本低、检测速度快、稳定性和重现性好、抗干扰性强以及样品前处理简单的优点，在食品安全监测方面具有广阔前景。