ATR-FTIR快速测定食醋总酸的研究

江秀明，王鹤达，杨登辉，向国强，何丽君，赵文杰

河南工业大学 化学化工学院，河南 郑州 450001

醋是一种酸性调味品，已经有3 000多年的酿造及食用历史。根据酿造的原料，食醋可分为谷物醋和水果醋。醋在生产过程中使用固态和液态发酵方法[1-4]。在欧洲国家，醋主要使用液态发酵生产，如香醋、雪梨酒醋和苹果酒醋，原料包括葡萄、苹果、西红柿、柿子和菠萝等。在亚洲国家，大多数类型的醋都是通过固态发酵酿造的，如黑醋、山西陈醋、镇江香醋和保宁醋，原料包括高粱、麦麸、豆类、大米和稻壳等[5]。醋富含营养成分和生物活性化合物，包括氨基酸、糖、有机酸、多酚、黑素和四甲基吡嗪[6-7]。酿造使用的原材料、生产技术，以及酿造过程中的化学反应、物理变化、微生物发酵与醋中物质的种类和浓度密切相关，这些功能性化合物不仅赋予醋风味，而且还具有抗菌和消炎特性，在人类疾病的预防和治疗中起着重要的作用[8]。

食醋的主要品质指标为总酸质量浓度，其中的酸性物质主要为乙酸。目前，食醋中总酸质量浓度测定的国家标准(GB/T 12456—2008)方法是化学滴定法，该方法通过酸碱滴定测定食醋中的酸性物质总量，对于深颜色的食醋，需要使用电位法确定滴定终点，并且在测量前需进行多种溶液的标定，整个检测过程复杂、耗时，对检测人员的技术水平要求较高。为了快速测定食醋的总酸质量浓度，陈斌等[9]采用近红外光谱法，对18份恒顺香醋的总酸采用多元线性回归方法进行定量分析，建立的校正模型的相关系数大于0.990。

作者采用衰减全反射-傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱仪测定食醋样品的红外光谱，建立简单易行的食醋总酸质量浓度的测定方法，为醋类产品的研究、生产、销售及使用者提供一种实用的红外光谱测试技术。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

15种具有不同总酸质量浓度的食醋(白醋、陈醋、香醋、米醋等)购自超市。氢氧化钠、冰醋酸、邻苯二甲酸氢钾均为分析纯。配备有衰减全反射(ATR)附件的傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪：PerkinElmer；酸度计：上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 食醋总酸的国家标准方法测定

食醋样品的总酸质量浓度均按照GB/T 12456—2008进行测定。

1.2.2 标准曲线建立

首先，称取10 g冰醋酸于50 mL容量瓶中，加水定容至刻度，配制成0.2 g/mL的乙酸溶液。然后，用移液管准确吸取上述溶液按比例稀释，混合均匀，配制成乙酸质量浓度为0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 g/mL的标准样品。吸取上述溶液40 μL滴加到ATR-FTIR 附件的金刚石晶体上，使样品覆盖整个晶体表面，采集其在4 000～400 cm-1的红外吸收光谱(衰减全反射红外光谱仪分辨率4 cm-1，扫描16次)。每种食醋样品平行测定3次，求平均值，建立红外光谱参数与乙酸质量浓度(ρ)之间的定量关系。

1.2.3 食醋总酸的ATR-FTIR光谱测定

吸取大约50 μL食醋样品于ATR-FTIR 附件的金刚石晶体上，使样品覆盖整个晶体表面。采集4 000～400 cm-1的红外光谱，每个样品平行测定3次，求平均值。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel及Origin进行数据处理。

2 结果与讨论

2.1 食醋的ATR-FTIR谱图分析

化合物中的官能团吸收特定波长的红外光，引起基团振动能级跃迁，产生红外吸收光谱。红外光谱具有特征性强的特点，已经广泛应用于有机化合物的结构鉴定和样品中特定化合物的定量分析[10-11]。金刚石具有稳定、耐化学试剂的特点，以金刚石为晶体的ATR附件操作简单,能够提供合适的吸收光程，近年来在液体及固体样品的定量分析和掺伪鉴别领域的应用日益增多[12]。

利用ATR附件测定液体样品的FTIR光谱时，只需将一定量的样品滴于ATR晶体表面，即可方便地获得FTIR光谱图。以空气为背景测得的水、0.04 g/mL的乙酸溶液、总酸质量浓度大于0.04 g/mL的白醋和香醋的ATR-FTIR谱图(图1)显示，样品中的水在4 000～400 cm-1产生两个分别位于3 350 cm-1和1 640 cm-1附近的强吸收峰，而乙酸、白醋和香醋等含有机酸的样品在2 000～900 cm-1存在吸收峰(图1内插小图)，且受到水吸收峰的严重干扰。

图1 以空气为背景测定的水、乙酸溶液、白醋和香醋的ATR-FTIR谱图Fig.1 ATR-FTIR spectra of water,acetic acid solution, white vinegar and fragrance vinegar with air as background

为了消除样品中水吸收峰的影响，以水为背景，测定了0.04 g/mL的乙酸溶液、质量浓度大于0.04 g/mL白醋和香醋的ATR-FTIR谱图(图2)，图2显示白醋和乙酸溶液的红外光谱相似，均在1 710、1 400、1 280 cm-1附近呈现典型的由乙酸中的官能团产生的吸收峰，此外白醋在1 050 cm-1附近还出现了一个强吸收峰，该峰与白醋中存在的糖类物质有关。香醋的FTIR光谱较白醋的复杂，除了与白醋有相似的吸收峰外，在1 570 cm-1处呈现出羧酸根的特征吸收峰，表明香醋中含有少量羧酸盐。

图2 以水为背景测定的乙酸溶液、白醋和香醋的ATR-FTIR谱图Fig.2 ATR-FTIR spectra of acetic acid solution, white vinegar and fragrance vinegar with water as background

2.2 标准曲线的建立

乙酸溶液、白醋和香醋在1 710 cm-1附近出现的吸收峰，由有机酸中的羧羰基的伸缩振动产生，其强度与样品中有机酸含量有关，不受其他吸收峰的影响，可用于定量食醋的总酸质量浓度，该峰于1 820 cm-1处达到基线。因此，利用食醋样品在1 710、1 820 cm-1处吸光度的差值(A1 710/1 820)，计算食醋总酸质量浓度。

食醋样品中的主要有机酸为乙酸，可利用不同质量浓度的乙酸溶液为标准溶液，测定其FTIR数据，建立食醋总酸质量浓度与其光谱数据之间的定量关系。市场中大部分食醋的总酸质量浓度在3～9 g/100 mL之间。因此，利用冰醋酸配制成乙酸质量浓度为0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 g/mL的标准样品，测定其ATR-FTIR的红外光谱图。随着标准样品的乙酸质量浓度不断增大，1 710 cm-1处吸收峰强度逐渐增大，A1 710/1 820与乙酸(有机酸)质量浓度之间存在良好的线性关系(图3)，A1 710/1 820=0.004 29ρ+0.000 46，相关系数(R)为0.999 9。

图3 ATR-FTIR测定乙酸质量浓度的标准曲线Fig.3 Standard curve of acetic acid mass content by ATR-FTIR determination

2.3 食醋样品的ATR-FTIR测定

利用ATR-FTIR光谱仪测定了15种总酸质量浓度在0.02～0.1 g/mL的食用醋，并同时利用国家标准方法(GB/T 12456—2008)测定其总酸质量浓度。2 000～1 000 cm-1的FTIR谱图(图4)显示，各种食用醋在1 710 cm-1处的吸收峰具有不同强度，表明其有机酸含量各不相同。

注：以水为背景。图4 食醋样品的ATR-FTIR谱图Fig.4 ATR-FTIR spectra of the vinegar samples

根据各样品的FTIR谱图，计算光谱参数A1 710/1 820，通过标准曲线方程可计算食醋样品的总酸质量浓度。结果显示，利用FTIR测定的总酸质量浓度ρFTIR与国标法测定的总酸质量浓度ρGB之间存在良好的相关性(图5)，二者的相关关系为ρFTIR=1.036ρGB-0.27，相关系数(R)为0.997 6。

图5 食醋样品总酸质量浓度的ATR-FTIR法测定结果和国标法测定结果的相关关系Fig.5 Relationship of total acid mass content determined by ATR-FTIR and GB methods

2.4 精密度与检出限

利用建立的ATR-FTIR方法，测定了总酸质量浓度分别为0.03、0.09 g/mL的两种食醋，9次测定结果的相对标准偏差分别为0.95%和0.26%，表明所建立的ATR-FTIR方法具有很高的精密度，能够准确测定食醋总酸质量浓度。

在食醋样品中加入固体氢氧化钠，中和其中的有机酸，制取酸含量为0的空白样品，利用ATR-FTIR技术测定其总酸质量浓度。通过9次平行测定结果，计算得到方法的检出限(s=3)为0.042%，表明建立的方法具有较高的灵敏度。

3 结论

建立了基于ATR-FTIR技术的食醋总酸质量浓度的测定方法，测得的食醋总酸质量浓度与国家标准方法(GB/T 12456—2008)测定结果一致，测定结果具有良好的重现性，方法的检出限为0.042%。与传统的滴定分析方法相比，ATR-FTIR方法具有操作方便、分析速度快，且测定过程中无需使用任何试剂等优点。该方法可应用于不同种类的食醋测定，广泛适用于实验室研究、食醋生产、储运和生产企业的大规模跟踪测试。