食品添加剂二氧化碳气体中杂质含量的分析方法

周阳，尹强，叶丽芳，贾相锐，毛沅文

（广东省计量科学研究院，广州 510415）

二氧化碳是一种重要的食品添加剂，广泛应用于碳酸饮料、啤酒的生产中。我国的食品级二氧化碳原料主要来源于化肥厂、石灰窑、酿酒厂的尾气以及热电站、炼铁厂烟道气等副产品［1］。由于部分企业生产、提纯工艺落后，食品级二氧化碳气体常含有多种杂质。食品级二氧化碳的质量与广大消费者的身体健康息息相关，其中的各种杂质若超标将对人体造成极大的危害。我国于2016 年8 月31号发布了国家标准GB 1886.228-2016 《食品安全国家标准 食品添加剂 二氧化碳》，对气态二氧化碳中各杂质含量提出了十分严格的控制指标，具体要求见表1。

表1 气态二氧化碳理化指标

二氧化碳来源不同，其杂质含量相差较大。现有二氧化碳标准物质大多采用单一组分制备，但每种杂质所用设备的种类和方法复杂，例如氧杂质含量的分析，可用气相色谱法［2］或者电化学法［3］；一氧化碳含量分析，可用长光程差分吸收光谱法［4］或光腔衰荡法［5］；一氧化氮和二氧化氮杂质，可用化学发光法［6-7］；二氧化硫、总硫（二氧化硫除外）、苯和含氧有机物等杂质含量分析，可用气相色谱法［8-10］；氰化氢杂质含量分析，可用顶空气相色谱法［11］；氨气杂质含量分析，可用光腔衰荡法［12］。为了对食品添加剂中各杂质含量进行准确的定性定量，需要了解各种分析方法的特点。笔者根据国家标准GB 1886.228-2016 对二氧化碳中的氧、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、苯、甲醇、乙醛、环氧乙烷、氯乙烯、氨、氰化氢等杂质含量的分析方法进行综述。

1 分析方法

1.1 微量及痕量氧分析方法

氧含量是食品级二氧化碳纯度分析的一个重要指标，现行国家标准要求食品级气态二氧化碳中氧杂质含量不高于30 μL／L。随着高纯气体的发展，有多种方法可以对气体中痕量氧浓度进行精确检测，如气相色谱法［2］、电化学法［3］、传感器法［13］等。

1.1.1 气相色谱法

吴梦一等［14］建立了二氧化碳中微量氧的气相色谱分析方法。该研究选用配置了氦离子化检测器（PDHID）的气相色谱仪，配有一根硅胶柱、一根5A 色谱柱。选用硅胶柱为预柱，用于排空二氧化碳；5A 柱作为分离柱，分离氧及其它组分。阀切换时间设置如下：0 min 六通阀开，四通阀关；0.2 min 六通阀关；0.8 min 四通阀开。该研究得到最佳二氧化碳中氧含量的测量条件：5A 柱柱温为120 ℃，检测器温度为120 ℃，柱流量为60 mL／min，样品流量为150 mL／min。实验结果表明，二氧化碳中微量氧的气相色谱分析方法检测限达10 nmol／mol，精密度优于0.37%，可用于食品级二氧化碳中氧杂质含量的检测。

1.1.2 电化学法

电化学法又分为原电池法、燃料电池法及赫兹电池法。该法适用于不与电化学反应器(化学电池)发生化学反应且不干扰测定的气体。将被测组分以适当形式置于化学电池中进行检出和测定。

李春瑛等［15］采用重量法制备了二氧化碳中氧气体标准物质，使用GPR 1600 型微量氧分析仪以电化学法对二氧化碳中氧杂质的浓度进行确认，测得数瓶二氧化碳原料气中痕量氧杂质的浓度为0.05～0.94 μmol／mol。

1.2 痕量一氧化碳分析方法

一氧化碳是一种无色、无臭、无刺激性气味的气体，极易与血红蛋白结合，使血红蛋白丧失携氧能力，造成组织窒息，严重时会导致人死亡。食品添加剂二氧化碳国家标准要求一氧化碳浓度不超过10 μL／L。一氧化碳浓度的检测方法主要有气相色谱法、吸收光谱法等［16］。其中，吸收光谱法成本低，灵敏度高，测量快速，可靠性高，被越来越多运用于痕量气体测量［17］。测量一氧化碳的光谱方法主要有长光程差分吸收光谱法、光腔衰荡光谱法、非色散红外光谱法等。

1.2.1 长光程差分吸收光谱法

近年来，应用量子级激光器（QCL）对处于红外“指纹区”的气体进行痕量检测分析的发展十分迅速。QCL 具有单色性好、量子效率高、波长设计灵活、温度稳定性好以及响应速度快等优点［18］。吕默等［4］采用配有波长为4.65 μm 量子级联激光器的新型一氧化碳检测仪，利用长光程差分吸收光谱技术在系统光程为12 m 的条件下对一氧化碳进行检测，仪器检测下限为1.08×10-7mol／mol，灵敏度达到6.1×10-8mol／mol，在2 h 的稳定性测试中，仪器稳定度可达2.1×10-3mol／mol，在长达12 h 的稳定性测试中，稳定度仍可达到1.7×10-2mol／mol。

1.2.2 光腔衰荡光谱法

光腔衰荡方法利用高品质光腔，对一氧化碳的有效吸收长度可达数百千米，具有很高的探测灵敏度，而基于通讯波段的分布式反馈半导体（DFB）激光器的光腔衰荡技术（CRDS）可以补偿在近红外波谱线的劣势。

陈兵等［5］介绍了利用通讯波段DFB 激光器搭建的探测痕量一氧化碳气体的CRDS 装置，该装置对一氧化碳的测量极限可达4 nmol／mol，光谱频率的相对精度可达0.000 26 cm-1，笔者进一步应用该装置对实际大气中的一氧化碳含量进行了实时监测。

1.3 痕量一氧化氮分析方法

食品级二氧化碳中的一氧化氮等杂质通过食品进入人体，会对人体造成不可逆转的伤害［19］。一氧化氮在空气中不稳定，很快转变为二氧化氮产生刺激作用，氮氧化物主要对人体呼吸道有损害作用。通常利用一氧化氮与O3反应的化学发光法（chemiluminescence，CL）对一氧化氮浓度进行测定，该法灵敏度较高，可达0.05 μmol／mol［6］。

文秋真［20］采用称量法制备了浓度为1～10 μmol／mol 的氮中一氧化氮气体标准物质，并采用化学发光法对氮中一氧化氮进行比较定值。采用国家一级气体标准物质（GBW 08192 氮中一氧化氮）标定仪器，对三瓶制备的氮中一氧化氮混合气体进行6 次连续进样，相对标准偏差分别为0.14%、0.05%和0.01%，分析测试方法的相对标准偏差远小于标准物质的合成不确定度，该法具有良好的重复性。

1.4 痕量二氧化氮浓度分析方法

二氧化氮具有腐蚀性，毒性和生理刺激作用，可通过呼吸作用进入人体肺部，当二氧化氮含量过高时，对人体的呼吸系统、心脑血管系统造成损害，诱发一系列的呼吸系统疾病，长期吸入还可能改变肺部构造［21-22］。因此，控制二氧化氮含量至关重要。目前测量二氧化氮的分析方法主要有化学发光法、腔衰荡光谱技术等。

1.4.1 化学发光法

化学发光法响应时间短，测量结果可信，灵敏度高，已成为环境监测站测量二氧化氮的首选方法［7］。

曹玮等［23］建立了一套氮氧化物光解反应装置，二氧化氮在390～395 nm 光源下光解后转化为一氧化氮，再利用化学发光法检测。研究表明，基于光解技术的化学发光法可使亚硝酸和过氧乙酰基硝酸酯（PAN）等其它含氮物质对测定二氧化氮的干扰小于3%，且该法具有较高的光解转化效率（约80%）。与PLC860-CLD88p (ECO PHYSICIS)进行了比对试验，二氧化氮的测量结果基本一致，验证了该法实际测量的可信度。

1.4.2 腔衰荡光谱技术

腔衰荡光谱技术（CRDS）测量原理是分析光在衰荡腔内多次反射的衰荡时间来获得腔内待测气体的浓度信息，即腔体内二氧化氮气体浓度与不含二氧化氮时的本底衰荡时间以及含有二氧化氮时的衰荡时间存在函数关系，通过测量上述两个时间来计算二氧化氮的浓度。

Osthoff 等［24］以YAG 激光器为光源，利用脉冲腔衰荡光谱技术在532 nm 处测量大气中的二氧化氮浓度，检测限为0.04 nmol／mol，在实验室条件下仪器响应准确度在±4%内。CRDS 测量简单，功耗低，灵敏度高，时间分辨率高，且不受其它气体干扰，为二氧化氮高灵敏度和高时间分辨率的测量提供了一种新的方法。

1.4.3 傅里叶变换红外光谱法

李剑等［25］建立了用于精确测量低浓度二氧化氮的傅里叶变换红外光谱系统的分析方法。该分析方法运用动态稀释法测量不同浓度二氧化氮标准气体的浓度，显示出良好的线性响应，并以此建立校准方程。笔者采用9.78 μmol／mol 的氮中二氧化氮标准气体对系统进行准确度验证，与标称值比较，相对差值为0.3%，表明该系统测量结果准确；两组稳定性试验的相对标准偏差分别为0.2%和0.5%，说明该分析方法可以长期稳定使用。

1.5 痕量二氧化硫分析方法

二氧化硫是一种在常温下具有强烈辛辣窒息性气味的气体，当空气中二氧化硫的浓度为0.3 μmol／mol 时，敏感者便能闻到臭味，二氧化硫可使人呼吸道变狭窄，导致呼吸道疾病，高浓度时，可造成死亡，如果长时间小剂量接触二氧化硫，也会造成二氧化硫慢性中毒［26-27］。GB 1886.228-2016 食品添加剂二氧化碳中严格要求食品添加剂二氧化碳中的二氧化硫含量不大于1.0 μmol／mol。

李春瑛等［8］研究制备了1～10 μmol／mol 的二氧化碳中的二氧化硫气体标准物质，并对其进行了分析和定值。该研究采用带有氢火焰离子化检测器（FPD）的日本岛津2014 型气相色谱仪对二氧化碳中二氧化硫进行检测，FPD 是一种硫化物检测器，含硫的物质在火焰燃烧时会发出特征光谱。该研究考察了最佳分析条件：色谱柱为Gaspro（0.32 mm×25 μm，30 m，美国瓦里安公司），柱温为170 ℃；检测器温度为210 ℃，进样口温度为150 ℃，柱流量为5 mL／min，尾吹气流量为8 mL／min，流量模式为恒流，定量管为0.5 mL。该检测方法的检测限可达10 nmol／mol，精密度为0.5%～1.2%，可满足食品添加剂中二氧化硫含量分析要求。

1.6 总硫（除二氧化硫）分析方法

食品级二氧化碳来源广泛，含有多种硫化物杂质，例如硫化氢、二氧化硫、硫醇、羰基硫、硫醚等。基于各种硫化物对于添加剂的副作用程度，在我国现行标准GB 1886.228-2016 对于二氧化硫和其它形态的硫化物的限量要求也不同，例如，二氧化硫限量浓度为1.0 μmol／mol，而除二氧化硫外总硫限量浓度要求为0.1 μmol／mol。

国家标准GB／T 28727-2012 测定总硫的方法为测定总硫和二氧化硫的总量，扣除二氧化硫的量，即为总硫的计算量。单晓萍等［9］选择并验证辅助分析技术，建立分析方法，使二氧化碳中总硫的分析方法更加便捷、准确，分析气路图见图1。具体方法为：采用配置有火焰光度检测器的GSD-D040 型气相色谱仪（中昊光明化工设计院有限公司），载气为高纯氮、高纯氧，流量为30～100 mL／min，燃气为氢气，流量为30～100 mL ／min，助燃气为压缩空气，流量为30～50 mL ／min，色谱柱为聚四氟乙烯柱（1.5 m×3 mm，GDX104）；进样体积为0.5～2.0 mL。启动分析仪器待基线稳定后，经过脱二氧化硫柱通入样品测量。

图1 分析气路流程图

该分析方法以GB／T 28727-2012 为分析依据，不需对二氧化碳基体进行分离和反吹，总硫检出限为0.02 μL／L；总硫在不进行基体分离模式的精密度的相对偏差小于5%；采用靶向二氧化硫脱除柱，可有效脱除二氧化硫，但对除二氧化硫之外的硫化物无损失。该分析方法结合无基体分离的总硫FPD 测定技术，可实现对非二氧化硫总硫的直接测定。

1.7 微量及痕量甲烷分析方法

食品添加剂二氧化碳中普遍含有甲烷杂质。虽然低浓度甲烷基本无毒，但空气中甲烷达25%～39%时，可引起头晕、头痛、乏力等不良反应。因此，现行国家标准GB 1886.228-2016 食品添加剂二氧化碳严格要求食品级二氧化碳中甲烷的含量不得高于50 μmol／mol。

杨波等［28］建立了二氧化碳中甲烷的气相色谱分析方法。以配有氢火焰离子化检测器（FID）的气相色谱仪为分析仪器，探讨了二氧化碳中痕量甲烷的最佳分析条件。具体的分析方法如下：色谱柱为TDX-01，最佳柱温为120 ℃，检测器温度为200 ℃，进样口温度为150 ℃，柱流量为45 mL／min。该法对于1 μmol／mol 的二氧化碳中甲烷浓度分析的精密度小于1.0%。该方法测量检测限为1×10-8mol／mol，线性误差小于1.0%，仪器线性度良好，能满足二氧化碳中痕量甲烷杂质含量分析的要求。

1.8 痕量苯、氯乙烯、环氧乙烷、甲醇、乙醛分析方法

微量苯可刺激人的上呼吸道黏膜，苯可引起慢性中毒、轻重度中毒、血液疾病，还会导致基因缺陷［29］。氯乙烯无色且有毒，具有易燃易爆等特性，不仅可能刺激人体皮肤和呼吸系统，抑制人体的中枢神经，在长期接触的情况下还有可能引发癌症［30］。研究显示，环氧乙烷急性暴露会对人体的呼吸系统、神经系统、循环系统和消化系统造成影响，若长时间暴露于含环氧乙烷的环境下，甚至有诱发肿瘤、毒害生殖系统的可能［31］。甲醇，又称为“木醇”或“木精”，具有毒性，对人体中枢神经系统有刺激作用［32-33］。GB 1886.228-2016 规定甲醇含量不能超过10 μmol／mol。乙醛是一种强大的肌肉毒素，毒性高达乙醇的30 倍，越来越多的研究表明乙醛具有致癌性［34］。

邹震［10］建立了二氧化碳中痕量苯、氯乙烯及含氧有机化合物的气相色谱分析方法。以带氢火焰离子化检测器的气相色谱仪为分析仪器，并配氰丙基甲基聚硅氧烷毛细柱(0.32 mm×3 μm，30 m)。由于食品添加剂二氧化碳中含氧有机化合物、氯乙烯及苯等含量极低，采用从色谱进样器针注式进样，缩短线路，减少吸附量。燃烧气为氢气，流量为40 mL／min，助燃气为压缩空气，流量为300 mL／min，载气为纯度不低于99.999%的氮气，流量为2.5 mL／min。检测苯时，载气流量为5 mL／min，检测器温度为250 ℃，进样器温度为150 ℃；测含氧有机化合物、氯乙烯时，初温为40 ℃，保持时间为5 min，以6℃／min 速度升温到100 ℃，保持3 min；测苯时，柱温为100 ℃，进样体积为5～6 mL。由于苯的出峰时间在含氧有机物、氯乙烯之后，苯、氯乙烯、环氧乙烷、甲醇、乙醛的色谱峰不重叠，互不干扰，该法可作为检测二氧化碳中苯、氯乙烯、环氧乙烷、甲醇、乙醛杂质含量的分析方法，其中，苯的检出限可达1.52 nmol／mol。

1.9 痕量氰化氢分析方法

氢氰酸是一种剧毒且能与水互溶的无色液体，沸点为26℃［35］。GB 1886.228-2016 严格规定食品添加剂二氧化碳中氰化氢浓度不高于0.5 μmol／mol。目前，测定氰化氢的方法主要有分光光度法［36］、离子色谱法［37］和气相色谱法［11］等。

1.9.1 紫外分光光度法

李柳佳等［35］以GBZ／T 160.29-2004［36］为依据，建立紫外分光光度法测定食品添加剂二氧化碳中氰化氢的方法。该法通过氢氧化钠吸收氰化氢，在弱酸性溶液中，氰化钠与氯胺T 反应生成氯化氰，氯化氢与异烟酸反应并水解生成戊烯二醛，戊烯二醛与巴比妥酸缩合成蓝紫色化合物，在600 nm 波长下测定蓝紫色化合物的吸光度。该法的最低检出浓度为0.01 mg／m3，回收率为98%～106.7%。能较好地应用于二氧化碳中氰化氢含量的检测。

1.9.2 顶空气相色谱法

李保同等［37］采用溶剂顶空毛细管气相色谱-氮磷检测器（NPD）建立了氰及其代谢产物氰化氢在小麦中残留的分析方法。氰化氢的线性范围为1.2～500μg／L，相关系数为0.999 8，相对标准偏差为7.4%，检出限为0.145 mg／kg，定量限为0.483 mg／kg。该分析方法操作简单、精密度好、灵敏度高、干扰少。

1.10 痕量氨气分析方法

氨气是一种较为常见的大气污染物，人体长期暴露于低浓度的氨气环境中会引起慢性肺疾病；若浓度过高，可导致人体呼吸黏膜受损［38］，因此，食品添加剂二氧化碳中氨气的检测对人体健康的保护十分必要。

1.10.1 光腔衰荡法

曲哲超等［12］以中红外量子级联激光器为光源的光腔衰荡技术建立了痕量氮气检测的装置。该装置对氨气的检测灵敏度高达10 nL／L，为痕量气体监测奠定了基础。

1.10.2 增强型光声光谱技术

Kosterev［39］等利用增强型光声光谱技术（QEPAS）检测低浓度氨气气体，并得到0.92 μmol／mol 的检测极限。该法成本低、稳定性好、抗干扰能力强。张佳薇等［40］以1 531.65 nm 的DFB 激光器为光源，建立了基于QEPAS 技术的氨气检测系统，并获得氨气的检测极限为140 μmol／mol；稳定响应时间约为40 s；4 h连续检测的相对误差为2.34%。实验结果表明，该技术具有稳定性高、误差小、响应灵敏度高和对背景噪声免疫的优点，已成为一种颇具发展潜力的痕量氨气检测手段。

2 结语

二氧化碳中的杂质各有不同的分析方法，分析要从该气体的性质着手，结合不同仪器检测限，选择相应的检测仪器。二氧化碳中杂质含量分析技术在食品添加剂发展过程中有着举足轻重的作用，随着二氧化碳纯度要求的提高，所对应的分析技术应具有更高的灵敏度和准确度。此外，许多分析设备推陈出新，为分析检测技术的发展提供了很好的基础。