基于两种化学振荡体系检测奶粉中钙含量

马永杰，卞雨淼，包洪亮，王瑞杰，李满满，胡雪静

1. 洛阳师范学院食品与药品学院（洛阳 471934）；2. 洛阳师范学院数学科学学院（洛阳 471934）

钙参与人体整个生命过程，是人体中重要的营养素之一。每日摄入足够钙量，对维持人体正常的新陈代谢及增强人体对生活环境的适应力具有十分重要的作用。奶粉作为大众消费食品，其中钙含量较高，有利于人体吸收和利用，从而深受婴幼儿及老年人的青睐。目前，对于奶粉中钙含量的检测技术，已经有许多方法被研究，如钙离子选择性电极法[1]、拉曼光谱法[2]、化学滴定法及火焰原子吸收分光光度法。这些方法在使用过程中，均需对样品进行复杂的前预处理，同时操作较繁琐。基于此，探索一种既简单、快速，样品又无须复杂前处理的方法来测定奶粉中固有的钙含量是十分必要的。

B-Z（Belousov & Zhabotinsky，B-Z）化学振荡反应现象的发现，为非线性化学反应现象的深入研究提供了必要条件[3]，使得化学振荡反应因具有动力学特性而得到快速发展。目前，国内外学者已经对化学振荡的反应机理[4-5]和应用[6-8]进行了研究，并且许多研究成果已被报道[9-14]。此次试验以硫酸-硫酸铈铵-溴酸钠-溴化钠-丙二酸（简称体系Ⅰ）和硫酸-硫酸锰-溴酸钠-溴化钠-丙酮（简称体系Ⅱ）为两个化学振荡体系，采用最小二乘法，建立特征参数与奶粉中钙的总含量的定量评价模型，从而实现对婴幼儿配方奶粉中固有钙含量的测定与定量分析。

1 试验部分

1.1 材料与试剂

试验用奶粉样品，6种品牌婴幼儿配方奶粉样品分别为奶粉1#、奶粉2#、奶粉3#、奶粉4#、奶粉5#和奶粉6#，其中4#与1#是同品牌的不同批次，6#与2#是同品牌的不同批次。

1.00 mol/L硫酸、1.00 mol/L丙二酸、1.00 mol/L丙酮、0.01 mol/L溴化钠、0.80 mol/L溴酸钠、0.05 mol/L硫酸铈铵、0.08 mol/L硫酸锰、盐酸和碳酸钙。所用试剂均为分析纯，来自于天津市福晨化学试剂厂；试验水为二次蒸馏水。

1.2 仪器与设备

MZ-1B-2型非线性化学指纹图谱测定仪（湖南尚泰测控科技有限公司）；217型复合甘汞电极和213型金属铂电极（上海精密科学仪器有限公司）；BS 224 S型电子天平（上海精密科学仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 奶粉标准样品系列配制

奶粉标准样品的配制：每个品牌的奶粉分别取3份，作为研究用的奶粉标样，其中固有的钙含量采用国标火焰原子吸收分光光度法测定。

体系Ⅰ奶粉标准样品配制：取5份奶粉1#标样于反应器中，每份样品为0.9 g，分别加入0.003 2，0.010 2，0.017 9，0.025 4和0.032 7 g的碳酸钙试剂，再依次加入25.00 mL硫酸、10.00 mL丙二酸、6.00 mL硫酸铈铵溶液和15.00 mL蒸馏水。

体系Ⅱ奶粉标准样品配制：取4份奶粉2#标样于反应器中，每份样品为0.9 g，分别加入0.026 4，0.035 2，0.042 7和0.050 4 g的碳酸钙试剂，再依次加入25.00 mL硫酸、15.00 mL丙酮、15.00 mL硫酸锰溶液和10.00 mL蒸馏水。

1.3.2 标样信息测定与回归方程模型的建立

将上述5份体系Ⅰ奶粉标准样品和4份体系Ⅱ奶粉标准样品分别进行测试，仪器打开，反应器固定好后，盖好反应器盖。将恒温系统温度与搅拌速度分别设为50 ℃与800 r/min，点击菜单，开始采集数据。当搅拌到3.00 min时，迅速用注射器加入5.00 mL 0.80 mol/L的溴酸钠。记录E-t曲线至电位E不再随时间t变化为止。被测奶粉指纹参数最大振幅与波动周期由Matlab（Ver.7.11.2010b）软件处理。采用最小二乘法，建立定量参数与奶粉中钙的总含量之间的一元线性回归模型。此次试验中，奶粉中钙的总含量等于奶粉中固有的钙含量加奶粉中加入的钙量。

1.3.3 未知试样的测定

对于同一品牌不同批次奶粉，准确称取0.9 g奶粉样品和适量的碳酸钙，一起放入反应器中，再依次加入不同的试剂，试剂的加入量如体系Ⅰ与体系Ⅱ奶粉标准样品配制，采用1.3.2小节方法，测定指纹图谱，通过Matlab软件导出被测奶粉指纹图谱的特征参数，如最大振幅与波动周期，通过所建立的一元线性回归模型，计算奶粉中固有的钙含量。

2 结果与讨论

2.1 奶粉中固有钙含量的测定方法研究

奶粉非线性化学指纹图谱的基本信息、重现性及分析原理见文献[9]。通过大量试验发现，对于体系Ⅰ，奶粉中钙的总含量在0.005 6～0.017 4 g之间，奶粉1#、奶粉3#、奶粉4#的图谱特征参数最大振幅与相应奶粉中钙的总含量之间均呈线性关系；对于体系Ⅱ，奶粉中钙的总含量在0.022 7～0.032 3 g之间，奶粉2#、奶粉5#、奶粉6#的图谱特征参数波动周期与相应奶粉中钙的总含量之间均呈线性关系。当奶粉中钙的总含量很低或很高时，指纹图谱的最大振幅与波动周期的影响会偏离线性关系。

基于此，对于体系Ⅰ，需要奶粉中钙总含量在0.005 6～0.017 4 g范围内；对于体系Ⅱ，需要奶粉中钙总含量在0.022 7～0.032 3 g范围内。通过最小二乘法及最大振幅和波动周期与相应奶粉中钙总含量之间的线性关系，可求出奶粉中固有的钙含量。针对同一品牌不同批次的奶粉，通过拟合的线性回归方程，同时满足相应的特征参数最大振幅值与波动周期值，在相同条件下被测得，可以求出奶粉中固有的钙含量。

2.2 奶粉中钙的总含量对图谱最大振幅与波动周期的影响

利用体系Ⅰ，奶粉1#中钙总含量对图谱最大振幅的影响见图1。相应指纹图谱分别在500～600 s时的部分波动曲线见图1（b）。当奶粉中钙总含量在0.005 6～ 0.017 4 g之间时，奶粉1#的图谱参数信息的线性关系在最大振幅与相应奶粉中钙总含量之间被建立，其回归方程为ΔEmax=1.276 1（C0+ΔC）+0.001 6，相关系数R2为0.999 6，其中ΔEmax代表最大振幅，C0代表奶粉中固有的钙含量，ΔC代表奶粉中加入的钙含量。

利用体系Ⅱ，奶粉2#中钙总含量对指纹图谱波动周期的影响见图2。相应指纹图谱分别在2 000～ 2 200 s时的部分波动曲线如图2（b）所示。当奶粉中钙总含量在0.022 7～0.032 3 g之间时，奶粉2#的图谱参数信息的线性关系在波动周期与相应奶粉中钙总含量之间被建立，其回归方程为τund=140.46（M0+ΔM）+ 12.022，相关系数R2为0.998 8，其中τund代表波动周期，M0代表奶粉中固有的钙含量，ΔM代表奶粉中加入的钙含量。

由图1（b）和图2（b）可知，随着奶粉中钙总含量的增加，相应的指纹图谱的最大振幅与波动周期在逐渐变大。产生此现象的原因是随着碳酸钙加入量的增加，反应底物的组分发生改变，碳酸钙含量对化学振荡体系的抑制作用在减弱，最终导致相应的参数最大振幅与波动周期存在差异。以上信息对于测定奶粉中固有的钙含量提供了非常必要的条件。

2.3 利用两种化学振荡体系对奶粉中固有钙含量的测定

利用两种化学振荡体系，按照1.3小节方法，测定奶粉1#和奶粉2#的图谱的特征参数最大振幅及波动周期，分别与相应奶粉中钙总含量之间的线性关系，通过相应的线性方程，当奶粉中钙的加入量ΔC或ΔM已知时，奶粉中固有的钙含量C0与M0分别被求出，结果见表1与表2。由表1可知，相对标准偏差≤1.15%，通过这个数据说明该方法的精确度较高；回收率在95.92%～104.17%之间，进一步说明该方法的准确度较好。由表2可知，相对标准偏差≤1.31%，回收率在99.28%～101.46%之间，同样证明该方法的精确度较高和准确度较好。试验结果表明，采用化学振荡体系，对奶粉中固有的钙含量进行检测与定量分析，方法可行。

图1 体系Ⅰ中钙的总含量对奶粉1#非线性化学指纹图谱最大振幅的影响

图2 体系Ⅱ中钙的总含量对奶粉2#非线性化学指纹图谱波动周期的影响

表1 利用体系Ⅰ测定奶粉中固有的钙含量的结果

表2 利用体系Ⅱ测定奶粉中固有的钙含量的结果

2.4 验证试验

为了验证试验的可操作性和可靠性，利用体系Ⅰ，取奶粉3#和奶粉4#，分别用适量的碳酸钙去标定，奶粉3#和奶粉4#中钙加入量分别为0.004，0.007和0.010 g，对每个样品平行测定3次，检测结果见表3。利用体系Ⅱ，取奶粉5#和奶粉6#，分别用适量的碳酸钙去标定，奶粉5#和奶粉6#中钙加入量分别为0.013 2，0.017 6和0.019 2 g，对每个样品平行测定3次，检测结果见表4。

表3 体系Ⅰ测定奶粉中固有的钙含量的结果

表4 体系Ⅱ测定奶粉中固有的钙含量的结果

结果显示，采用化学振荡体系测定奶粉中固有的钙含量，其方法可行。方法的优点在于长期保存的同一品牌奶粉标样，可以用回归方程来代替。针对检测与奶粉标样同一品牌不同批次的奶粉，通过化学振荡体系，只要测出该品牌奶粉的图谱信息，代入相应拟合的方程后，该奶粉的质量就可以被分析与鉴定。先前研究的“硫酸-硫酸锰-溴酸钠-溴化钠-丙酮”化学振荡体系测定奶粉中固有钙含量[15]，每个样本检测时间为6 000 s，而此次试验所用体系每个样本的检测时间仅仅为900～1 400 s，相比较而言，样本的检测时间被缩短。因此，该方法可行并且在极大程度上缩短了检测时间。

2.5 奶粉中固有钙含量的检测范围

采用碳酸钙标定法，向奶粉中加入一定量的钙，采用体系Ⅰ，奶粉中钙的总含量在0.005 6～0.017 4 g之间，可测定奶粉中固有的钙含量。采用体系Ⅱ，奶粉中钙的总含量在0.022 7～0.032 3 g之间，奶粉中固有的钙含量被测定。GB 14880—2012中规定奶粉中固有钙含量的范围在0.003 0～0.007 2 g之间，因此，此次试验方法基本能够满足奶粉中固有的钙含量在0.003 0～ 0.007 2 g范围时，相应奶粉中固有钙含量的测定。 在此次试验中，奶粉固有的钙含量的检测范围为0.003 0～ 0.007 2 g。

3 结论

采用两种化学振荡体系，分别检测奶粉中固有的钙含量，在奶粉图谱特征参数最大振幅及波动周期与奶粉中钙的总含量之间建立线性关系，测定奶粉中固有的钙含量。试验结果表明，比较两个体系，虽然都能测出奶粉中的固有钙含量，但体系Ⅰ一个样本的检测时间为900～1 400 s，而体系Ⅱ的检测时间为6 000 s，相比较而言，样本的检测时间被缩短，体系Ⅰ优于体系Ⅱ。因此，此次试验提出的化学振荡体系检测方法，精密度和准确度均较高，对于不同批次的同一品牌奶粉中固有的钙含量，同样可以进行检测分析。此外，该方法为样品中其他物质的测定提供了理论依据和新策略。