电化学方法在糠醛类化合物检测中的研究进展

黄露 ，李玉真 ，万嗣宝，游春苹 *

1.乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院（上海 200436）；2.上海大学生命科学学院（上海 200444）；3.江南大学食品安全与营养协同创新中心（无锡 214122）

食品在热处理过程中容易产生褐变反应，伴随着诸如糠醛（furfural，2-furfural，F）、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）等中间产物的生成。研究表明，人体摄入的糠醛和HMF达到一定剂量后，肝脏、肾脏和心脏等器官会受到损伤，高浓度的HMF还会对皮肤、眼睛、黏膜和呼吸道等造成伤害，甚至可能导致昏迷[1]。

目前，糠醛和HMF的常见检测方法有分光光度法[2]、液相色谱法[3]、液相色谱-质谱联用法[4]、气相色谱-质谱联用法[5]等，这些方法存在价格昂贵、耗费时间长等问题[6]。所以目前仍迫切需要探索其它快速、可靠、灵敏和精确的方法来测定各种实际样品中糠醛类化合物的含量。电化学方法通常将试液作为化学电池的一个组成部分，根据该电池的某种电参数与待测物质的浓度间存在一定关系而进行检测。相较于其他检测方法，电化学方法具有成本低、操作简便、分析速度快和检测限低等优点。理论上，任何可以被氧化或还原的化合物都有可能被电分析技术分析。糠醛在电极上可被氧化为糠酸，产生氧化峰，但氧化峰值往往很低，不易观测到；通常在施加阴极电流时，糠醛被还原为糠醇，产生还原峰，反应式如图1（A）所示。HMF在电极上则被还原为2,5-呋喃二甲醇，产生还原峰，反应式如图1（B）所示。

图1 糠醛（A）和5-羟甲基糠醛（B）电极反应方程

1 直接法

1.1 线性扫描伏安法（linear sweep voltammetry，LSV法）

线性扫描伏安法在工作电极上施加的电势是时间的线性函数，测定电流随电势的变化，所得到的电流-电压曲线图被称为线性扫描伏安图。Kumbhat等[7]采用滴汞电极作为工作电极，以LiOH溶液为电解质溶液，用LSV同时测定了低浓度的糠醛和其他脂肪醛的含量，检测限为0.05～1.0 μg/mL。

1.2 循环伏安法（cyclic voltammetry，CV法）

循环伏安法施加三角波电压，控制电极电势以不同的速率进行单次或者多次反复扫描，电势范围使氧化和还原反应可以交替在电极上发生，并记录下电流-电势曲线[8]。

Parpot等[9]用CV法研究了糠醛在贵金属金和铂（Au，Pt）电极和非贵金属铅、镍、铜（Pb，Ni，Cu）电极上的电化学性质。在pH 9.4的NaHCO3/Na2CO3缓冲溶液中，糠醛在Au电极上发生氧化反应，其氧化性较弱；在Pt电极上也出现了微弱的氧化峰，并且电极由于吸附了有机物，受到污染，使电极活性降低；在Ni电极上的氧化响应强度明显比在Au电极和Pt电极上的强。研究表明，糠醛在Ni电极上（强碱性介质）电氧化效果最好，糠酸产率为80%；在Cu电极上（pH 10碳酸盐缓冲液）电还原效果最佳，糠醇产率为55%。

1.3 方波伏安法（square wave voltammetry，SWV法）

方波伏安法向电解池中施加直流电压时，叠加一个很小幅值的交流方波电压。改变外加直流电压，测定此时交变电流的大小，即可得到交变电流-直流电压曲线，进行分析。

Shamsipur等[1]采用静态滴汞电极作为工作电极，pH 9.5的NH3-NH4Cl缓冲溶液作为电解质溶液，采用SWV法和方波吸附溶出伏安法同时检测糠醛和HMF，二者的检测限分别为400和10 ng/g，当样品中糠醛的含量为1.0 μg/g时，相对标准偏差为2.79%。

Falciola等[10]在铂盘或铂基丝网印刷电极上使用SWV法，并以四丁基高氯酸铵作为支持电解质。对所有电极而言，氧化峰的高度或面积与呋喃的浓度在1.5×10-5～1×10-3mol/L范围内具有良好的线性关系，其检测限为1×10-5～2×10-5mol/L。

1.4 差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry，DPV法）

差分脉冲伏安法是在线性或阶梯电势基础上，叠加一个恒定振幅的矩形脉冲，在施加脉冲前和脉冲期后测定电流，输出此周期中的电流差，以电流差对电势作图。脉冲的使用，可以避免电极表面的不可逆吸附，检测限更低，因此在痕量分析中具有广泛的用途[11]。

Reyes-Salas等[12]以硼酸盐为电解质，采用差分脉冲极谱法直接测定未处理蜂蜜样本中5-羟甲基糠醛的含量。研究发现HMF在1 100 mV处呈现出一个单一、清晰的还原信号，检测限为48 μg/L。

Shamsipur等[13]分别以3种离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIM][BF4]）、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐（[BMIM][Otf]）和1-丁基-1-甲基吡咯烷双（三氟甲磺酰）酰亚胺（[bmpyrr][NTf2]）作为电解质，玻碳电极作为工作电极，用DPV法对3种离子液体中的糠醛进行了检测，测得其检测限分别为1.4，19.0 和2.5μg/g。

Wang等[14]通过将糠醛从油相中萃取到水相，然后在汞电极上用DPV法对水相中的糠醛进行还原检测。该方法灵敏度高，检测限低，为0.03 μg/g。此外，在0～10 μg/g范围内呈现出良好的线性关系。

1.5 脉冲安培检测法（pulsed amperometric detection，PAD法）

PAD中的循环电位应用主要有3个主要步骤：（1）施加电位以促进目标分析物的电催化氧化；（2）施加电位用于氧化或还原（或二者结合）电极表面，恢复电极的活性并去除氧化产物；（3）施加电位用于还原（或氧化）电极表面以准备重复测量顺序[15-16]。

Xu等[16]采用阴离子交换色谱结合脉冲安培检测器同时检测葡萄糖水溶液在灭菌或储存过程中产生的5-羟甲基糠醛（HMF）和右旋糖。样品溶液先经阴离子交换色谱分离，再进入脉冲安培检测器进行检测，从而达到高效、快速、微量的分离与检测。结果显示HMF的检测限为30～50 μg/L。

Bosworth等[17]使用PAD实现了变压器油中糠醛的实时在线检测。通过将待测变压器油直接悬浮在水相测试溶液中或将变压器油样溶解在有机溶剂中，不需要单独的样品提取步骤，即可进行脉冲安培检测。结果表明，脉冲安培响应和糠醛的浓度在0～10 μg/mL范围内呈现较好的线性关系，其检测限为2 μg/mL。所得检测限较高，重现性较差，故该法不适合在实际应用中检测糠醛的含量。

2 间接法

2.1 化学修饰电极法

纳米材料的直径小、比表面积大、表面能高。用其修饰电极，有利于电子传递，可提高电极的导电性、增强其催化性能[18]，使得电化学检测在灵敏度、选择性和再现性等方面得到改善[19-20]。

Jonathan等[21]比较了镍修饰碳丝网印刷电极和银汞修饰碳丝网印刷电极检测糠醛的效果。采用CV法对电极进行表征，并通过SWV法扩大其检测限。结果表明，镍修饰碳丝网印刷电极与糠醛浓度在3.7～14.3 μg/mL范围内具有线性响应关系；银汞修饰碳丝网印刷电极在8.9～36.4 μg/mL和0.9～8.9 μg/mL浓度范围内具有线性响应关系。银汞丝网印刷电极能够分辨出单个组分，效果更佳。

褚道葆等[22]将纳米TiO2-碳纳米管复合膜修饰于Ti基体表面，制备出TiO2膜电极。因碳纳米管的比表面积和表面活性较高，可进一步提高催化剂的活性和稳定性。在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，采用CV法探究了糠醛在纳米TiO2-碳纳米管复合膜电极上的电催化还原性能。结果发现，阴极扫描时在可逆半波电位-2.27和-2.44 V处出现两对氧化还原峰，分别与TiO2/Ti2O3氧化还原电对的可逆电极反应过程和TiO2/Ti(OH)3电对的准可逆电极反应过程相对应。糠醛的还原与TiO2/Ti(OH)3电对的氧化还原反应偶联。以电极表面的Ti(Ⅳ)/Ti(Ⅲ)氧化还原电对作为媒介，糠醛和Ti(Ⅳ)电催化还原生成的Ti(Ⅲ)在电极表面迅速发生随后化学反应，糠醛被间接还原为糠醇，Ti(Ⅲ)被氧化为Ti(Ⅳ)，还原峰电位负移。

da Silva等[23]使用镍纳米颗粒化学修饰玻碳电极，通过PAD结合反相色谱法，对实际样品甘蔗渣水解产物中的呋喃醛进行了定量分析。呋喃和HMF的检测限分别为4.0×10-7mol/L和4.3×10-7mol/L，定量检测限分别为1.3×10-6mol/L和1.4×10-6mol/L，电流灵敏度分别为2.2×106nA mol/L和2.7×106nA mol/L。用标准加入法测定，样品中HMF含量为1.54±0.02 g/kg，糠醛含量为11.5±0.2 g/kg。结果表明，该方法具有良好的分析重复性、灵敏度和准确度等优点，还可用于呋喃醛的快速检测，不受其它电活性物质的干扰。da Silva等[24]将镍纳米颗粒修饰的玻碳电极作为工作电极，使用LSV法、SWV法和DPV法分别对0.1 mol/L LiOH中的糠醛进行检测。LSV法、SWV法和DPV法的检测限分别为1.2×10-4，6.9×10-6和2.5×10-6mol/L，由此可知DPV的检测限最低，即最灵敏。将LSV法、SWV法和DPV法应用于甘蔗渣样品中的糠醛检测，测得糠醛的平均浓度分别为（12.9±0.5），（13.1±0.2）和（12.7±0.2）g/kg，其中DPV测得的结果与HPLC测得的（12.8±0.5）g/kg最接近。

2.2 糠醛衍生法

衍生法是先将待测样品进行衍生化，通过把难以分析检测的物质转化为与其化学结构相似但更容易分析检测的物质，从而便于定量和分离，再通过电化学方法进行样品检测。该方法提升了样品检测的灵敏度，改进了样品混合物的分离度。

Saczk等[25]采用2,4-二硝基苯肼（2,4-dinitrophenylhydrazine，DNPH）对糠醛进行衍生，再通过CV法对糠醛衍生物进行检测。制备糠醛衍生物时，依次加入1 mL 0.4%的DNPH溶液、4 mL的糠醛和50 μL 1 mol/L的磷酸溶液，在室温下搅拌30 min，即得衍生物。用玻碳电极作为工作电极进行CV法检测，测得糠醛含量在5.0～400.0 ng/mL范围内呈线性关系，检出限为1.7～2.0 ng/mL，定量限为5.0～6.2 ng/mL。该方法简单，耗时短，分析回收率高于95%。

Shamsipur等[26]以四苄醚杯[4]芳烃（tetrabenzyl ether Calix[4]arene）作为离子载体，采用Girard试剂T衍生糠醛，得到的亲脂性腙衍生物FuGA能够产生电响应。通过四苄醚杯[4]芳烃和FuGA之间的主客体相互作用，设计了具有糠醛选择性的聚氯乙烯膜电极，采用方波吸附溶出伏安法实现了糠醛的检测。在pH 9.2时，电极在5.0×10-5～1.0×10-1mol/L的糠醛浓度范围内表现出能斯特响应，响应时间为15 s，具有良好的再现性（±0.2 mV），且使用寿命长。

综上所述，直接检测法中LSV法分析速度快，灵敏度相对较低；CV法与LSV法相似，适用范围广，可研究的电化学性质更丰富，但由于电极易吸附有机物，电极的活性降低，从而导致灵敏度降低；SWV法能够消除电容电流的干扰，具有较高的灵敏度和较强的分辨力，但电极表面吸附活性物质会使反应速度受到阻碍；PAD法常与色谱技术结合使用，可以保持电极表面的清洁和活性，利于连续可重复检测，但其电流噪音较大，检测限较高，色谱的结合也使其操作相对较复杂；DPV法则在SWV法基础上很大程度上消除了毛细管噪声电流，进一步提高灵敏度、分辨力。

间接检测法中，化学修饰电极法通过纳米材料修饰电极，操作相对复杂，从而使得检测限更低，灵敏度得到提高，选择性也更好；衍生法适用于难以分析的物质，分辨力好，检测限低。几种常用电化学检测方法的比较如表1所示。

表1 常用电化学检测方法的比较

3 结语

糠醛类化合物广泛存在于热加工食品和发酵食品中，人体摄入达一定剂量会造成健康损害。从几种不同的方法出发，对电化学法在糠醛类化合物检测中的应用研究进行了综述。电化学方法具有简便、快速、检测限低等优势，且其灵敏度高、实时性好，即使发生微量的物质变化也能够通过易于测定的电流或电量等电参数来进行检测，适用于快速实时检测。采用纳米材料修饰电极，使其表面积增大，改善传质效率并促进电催化。但是，目前国内外对电化学法检测糠醛的研究报道仍然不多。特别是在国内，未见有学者报道电化学法检测食品糠醛含量的研究。食品中糠醛的含量通常较低，不易被检出，且电化学检测容易受外界干扰，其稳定性和重现性还有待提高。电化学方法在实际糠醛样品的检测中鲜见应用。通过研究新型修饰电极来提高灵敏度、降低检测限，有利于实现电化学法在糠醛痕量检测中的应用。这需要更多的科研人员对其进行开发研究。该文为进一步研究电化学法检测食品中糠醛类化合物，建立糠醛类化合物的快速检测方法提供了参考。